粉煤灰掺量对高性能自密实混凝土抗压强度发展影响分析

王 辉，刘旭辉，蔡升宇，张 武

(1.北方工业大学土木工程学院,北京 100144；2.广州市市政集团有限公司,广州 510060；3.广东省水利电力勘测设计研究院,广州 510635)

0 引 言

珠江三角洲水资源配置工程是珠江流域综合规划的重要水资源配置工程，其盾构隧洞采用衬砌管片、钢管内衬以及其间填充的混凝土组成的新型复合衬砌结构形式，其中填充的混凝土采用高性能自密实混凝土进行浇筑。自密实混凝土(self-compacting concrete)，亦称高流态混凝土(highly fluidized concrete)，是一种免振捣、具有高流动性且使用时不会发生泌水离析现象的一种高性能混凝土[1-2]。自密实混凝土往往需使用大量的粉体材料以满足其工作性能，水泥作为自密实混凝土的主要粉体材料，在生产及使用过程中均会带来严重的环境污染问题。已有研究表明，粉煤灰已经成为混凝土的一种重要矿物掺合料[3]。对于工程实际而言，经济性是一个极为重要的指标，利用粉煤灰作为自密实混凝土的粉体用料可带来一定的经济效益，且粉煤灰对混凝土的工作性能、抗压强度和耐久性能等有着显著的影响[4-5]。因此，研究水泥与粉煤灰复合使用下的自密实混凝土抗压强度发展规律具有重要意义。目前，国内外对掺粉煤灰普通混凝土的抗压强度增长与龄期的关系已有相关研究，张扬等[6]研究了粉煤灰掺量为50%、75%和100%(体积分数)时混凝土抗压强度的变化规律；周玲珠等[7]通过等体积替代水泥的方法，研究了不同高粉煤灰掺量对混凝土工作性能和抗压强度的影响规律；Dong等[8]研究了不同养护条件下高粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响，并建立了考虑粉煤灰掺量和成熟度函数的混凝土抗压强度发展的经验公式。而大掺量粉煤灰对高性能自密实混凝土抗压强度影响方面的研究较少[9]，本文依托实际工程通过粉煤灰掺量为30%、45%、60%(体积分数)的高性能自密实混凝土配合比试验，分析研究了自密实混凝土在不同粉煤灰掺量下抗压强度的变化规律，以期为工程应用提供指导。

1 实 验

1.1 原材料

水泥为广东英德海螺水泥有限责任公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，表观密度为3.16 g/cm3；粉煤灰为广东佛山某公司生产的Ⅱ级粉煤灰，表观密度为2.51 g/cm3，拌合水为自来水；外加剂选用聚羧酸高效减水剂。根据JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[10]中的规定对骨料性能进行检测，粗骨料为天然碎石，最大粒径为20 mm，含水率为0.63%，连续级配，表观密度为2.62 g/cm3；细骨料为普通天然河砂，细度模数为2.58，属于Ⅱ区中砂，含水率为3.12%，级配良好，表观密度为2.60 g/cm3，骨料的筛分曲线如图1所示。

图1 骨料筛分曲线Fig.1 Screening curves of fine aggregate and coarse aggregate

1.2 自密实混凝土配合比

采用日本东京大学岗村甫教授提出的自密实混凝土配合比设计方法，详见文献[11]。根据现场原材料特性，设定混凝土中石子体积用量为330 L/m3，将混凝土看作是由石子和砂浆组成的混合物，可以得到砂浆的体积用量为670 L/m3；将砂浆看作是砂和净浆的混合物，取砂率(砂与砂浆的体积比)为45%，得到净浆的体积用量；最后根据水灰比以及粉体材料之间的掺和比例计算用水量和粉体材料用量。水灰比即粉体与水的体积比分别采用1.05、1.15、1.25，粉煤灰掺量为30%、45%、60%(体积分数)，设计了9组自密实混凝土配合比。采用CECS203—2006 《自密实混凝土应用技术规程》[12]中所推荐的坍落扩展度试验、V漏斗试验、U型箱试验、L形仪试验进行工作性能测试，以评价高性能自密实混凝土的流动性、填充性及间隙通过性。自密实混凝土配合比及工作性能结果如表1所示。由表1可知，各工况下自密实混凝土的坍落扩展度(USF)均在650～700 mm之间，V漏斗时间(tv)在5～25 s，U型箱填充高度在320 mm以上，L形仪比例也基本满足要求，混凝土自密实性能等级为二级[8]。水灰比为1.05时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土流动性逐渐降低，粘性逐渐增大，工作性能变差；水灰比为1.15和1.25时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土流动性逐渐增大，粘性逐渐减小，工作性能有所改善。制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块在标准条件下养护，分别测定3 d、7 d、28 d、90 d立方体抗压强度，按规范[13]要求乘以0.95系数换算成边长为150 mm的标准试块的抗压强度。

表1 自密实混凝土配合比及试验结果Table 1 Mix proportion and test results of self-compacting concrete

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度发展的影响

3 d、7 d、28 d、90 d的立方体试块平均抗压强度试验结果如表2所示。由表2可以看出，相同水灰比下，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土抗压强度增长速率不同， 3 d、7 d抗压强度增长较快，后期增长速率减缓。3 d龄期抗压强度可达到28 d抗压强度的43.7%～53.1%，7 d龄期抗压强度可达到28 d抗压强度的51.2%～70.4%，90 d龄期抗压强度较28 d抗压强度可提高14%～50%。

表2 高性能自密实混凝土抗压强度结果Table 2 Compressive strength results of high performance self-compacting concrete

三种水灰比3 d、7 d、28 d、90 d的平均抗压强度随粉煤灰掺量变化规律曲线见图2。从图2中可以看出，随粉煤灰掺量的增加，混凝土3 d、7 d、28 d、90 d抗压强度均减小。三种水灰比3 d/28 d、7 d/28 d、90 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量变化规律曲线见图3。从图3中可以看出， 3 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加变化不大；7 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加逐渐减小但减幅不大；90 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加而增加，说明粉煤灰对自密实混凝土早期强度影响较小，对28 d后抗压强度有显著提升作用。

图2 抗压强度随粉煤灰掺量变化关系曲线Fig.2 Curves of compressive strength changingwith fly ash content

图3 强度比随粉煤灰掺量变化关系曲线Fig.3 Curves of strength ratio changing with fly ash content

2.2 掺粉煤灰自密实混凝土抗压强度规律分析

自密实混凝土的抗压强度增长速率的影响因素较多，龄期、高效减水剂、大掺量的粉煤灰、水灰比的影响相互耦合。为探究不同粉煤灰掺量对自密实混凝土抗压强度的具体影响关系，需考虑水泥与粉煤灰复合粉体对自密实混凝土的抗压强度作用。欧洲规范CEB-FIP考虑水泥种类影响的因素，提出了抗压强度随时间的变化规律为：

(1)

式中:fcu(t)为t龄期时混凝土的抗压强度值；t为混凝土龄期；s为水泥种类影响系数；fcu，28为混凝土28 d的抗压强度。

本文借鉴式(1)提出了考虑粉煤灰影响的自密实混凝土抗压强度随时间的预测公式，即式(2)，并对表2中抗压强度进行拟合，结果如图4所示，其中Test piece 1、2、3分别指三个试件，为了减小误差，取三个相同配合比试件的平均值进行拟合。

图4 自密实混凝土抗压强度随时间变化曲线Fig.4 Changing curves of compressive strength of self-compacting concrete with time

(2)

式中:a为复合粉体对抗压强度影响系数。

由图4中的回归方程将自密实混凝土28 d抗压强度与系数a列于表3，并对数据回归分析，如图5所示。系数a表示复合粉体对抗压强度影响系数，回归分析可以得到：

在30%煤灰掺量下，系数a的回归函数(相关系数R2=0.979)：

a=8.295×10-4fcu,28+0.346

(3)

在45%粉煤灰掺量下，系数a的回归函数(相关系数R2=0.956)：

a=8.410×10-3fcu,28+0.116

(4)

在60%粉煤灰掺量下，系数a的回归函数(相关系数R2=0.855)：

a=2.326×10-2fcu,28-0.120

(5)

表3 自密实混凝土28 d强度值对应的系数aTable 3 Coefficient a corresponding to 28 d strength value of self-compacting concrete

图5 不同粉煤灰掺量下系数a与28 d强度变化关系Fig.5 Relationship between coefficient a and 28 d compressive strength under different fly ash content

由以上线性函数可以看出，在粉煤灰掺量30%与45%下，系数a与自密实混凝土28 d的抗压强度均呈现较好的相关关系，相关系数均大于0.95；然而，在粉煤灰掺量到60%下，其相关系数为0.855，介于0.8和0.9之间，说明此时粉煤灰对混凝土抗压强度影响较大，此时回归分析得到的公式可靠性有所降低但仍具有一定参考性。

3 结 论

(1)粉煤灰掺量的增加极大改善了自密实混凝土的工作性能，并对不同龄期的混凝土抗压强度造成影响。随粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土抗压强度均减小。

(2)随粉煤灰掺量的增加，3 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加变化不大，7 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加有所减小，90 d/28 d强度比值随粉煤灰掺量的增加而增加。说明粉煤灰对自密实混凝土早期强度影响较小，对后期强度提升作用较大。

(3)水灰比与粉煤灰掺量会影响试件抗压强度增长速率，不同掺量粉煤灰对龄期影响程度不同，同一水灰比下，粉煤灰掺量越大的自密实混凝土，其抗压强度影响系数越大。