掺粉煤灰混凝土强度劣化试验研究

刘彦清, 马亚利

(1.河北道桥工程检测有限公司, 石家庄 050031; 2.石家庄铁道大学四方学院, 石家庄 051133)

由于各种工程中均会用到混凝土,导致混凝土的需求量直线上升,进而使得水泥的需求量也随之提升,大量生产水泥,会加剧温室效应[1-3]。同时,工业发展形成了很多工业废渣,其中粉煤灰占据比例较高,为环境带来巨大的负担[4]。为解决水泥高排放与高能耗问题,并减少工业废渣,相关领域研究人员发现在某些工程中利用粉煤灰替换少量水泥,可节省水泥用量,节约生产成本,并消化掉粉煤灰。然而,粉煤灰掺量过多,会降低混凝土强度。因此,需要研究粉煤灰对混凝土力学性能的影响,为改善混凝土的强度与抗碳化能力提供科学依据,提升工程质量[5]。

中国一些学者对此展开了研究,如李永靖等[6]通过单轴抗压强度试验分析混凝土抗压强度劣化情况,试验环境为冻融-碳化,试验得知:先冻融后碳化的试件强度劣化程度高于先碳化后冻融,添加适量的水胶比,会减慢混凝土抗压强度在冻融与碳化环境下的劣化速度,为寒冷地区制备掺粉煤灰混凝土提供参考。但该方法未考虑酸性水对混凝土强度的影响。赵小明等[7]通过建立冻融循环损伤模型,衡量混凝土的损伤程度,通过二次函数衰减模型实现数据拟合,研究冻融环境下,粉煤灰掺量对混凝土质量损失的影响,分析混凝土强度变化规律,试验得知:所构建模型的拟合效果较佳,可得到冻融损伤程度,掺入适当的粉煤灰,可降低混凝土质量损失,缓解强度劣化情况。但上述方法仅分析冻融环境下的强度劣化情况,混凝土不仅受冻融环境影响,还易受酸性水环境影响。马映昌等[8]对低温作用下沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土抗压强度影响进行分析,进行单掺沙漠砂、单掺粉煤灰、双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土在室温,-10、-20、-30 ℃时的抗压强度试验,分析温度、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响规律。该方法并未考虑碳化与酸性水对混凝土强度的影响。

为了更全面地分析冻融、碳化与酸性水环境下,掺粉煤灰混凝土的强度影响情况,通过制备掺粉煤灰混凝土试件,进行试件强度劣化试验,为寒冷地区与雨水偏多地区的混凝土制备提供参考,提升工程质量。

1 材料与方法

1.1 试验材料

掺粉煤灰混凝土包含粉煤灰(H);细度模数是2.96,最大粒径是6 mm的中砂(Z);粒径4.86～9.61 mm的碎石(S)[8];水泥(N)与自来水,其中H的检测报告如表1所示。水泥成分如表2所示。设计七种类型的掺粉煤灰混凝土试件,七种类型试件配合比如表3所示,速凝剂添加重量为水泥重量的5.1%。

表1 H的检测报告Table 1 H test report

表2 水泥成分表Table 2 Cement composition table

表3 七种类型试件的配合比Table 3 Mix proportion of seven types of specimens

1.2 试件制作

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)制备160 mm×160 mm×160 mm的掺粉煤灰混凝土试件,掺粉煤灰混凝土制备过程中,在搅拌机内添加碎石、水泥、粉煤灰、中砂,开始搅拌,加料时间需低于3 min,搅拌结束后[9-10]。在水中添进减水剂,令其混合均匀,并缓慢添进搅拌机,所有水添加完成后,不断搅拌3 min左右,随后将混合物添至试模内,通过捣振台压实,成形后,经由标准养护室养护1～4周。

1.3 试验方案

通过万能压力试验机实施强度劣化试验[11],测试试件的抗压及劈拉强度,以试件侧面为承压面,放上钢垫板后,施加荷载,速度是0.4～0.6 MPa/s,在试件近似破坏状态情况下,该试件会马上出现变形现象,此时需更改试验机加压油门,以试件完全破坏为止,记录试件的破坏载荷[12]。

依据破坏载荷求解试件的抗压强度f与劈拉强度f′,公式为

(1)

式(1)中:A为试件承压面积;A′为劈裂面积;F为万能压力试验机作用力。

掺粉煤灰混凝土抗压强度耐蚀系数Kf的计算公式为

(2)

掺粉煤灰混凝土的使用环境各式各样,其强度劣化的环境因素较多,包含冻融环境、碳化环境、酸性水环境。

冻融试验:将标养4周的试件放入水中,浸泡1 d令其处于饱水状态,取出采用塑料薄膜密封试件[13],放进冻融箱内,冻融循环100次,取出试件利用万能压力试验机展开强度劣化试验,测试试件的f与f′,单个循环过程是在15 ℃时保持2 h,随后在2 h中将温度降到-15 ℃,并保持7 h,再1 h中将温度升到15 ℃,其中,温度上升或下降时的速度需保持一致。

碳化试验:利用干燥箱干燥试件,时间为24 h,在碳化箱中放入干燥后的试件[14-16],碳化箱的温度是25 ℃、湿度是75%、CO2含量是25%,碳化时间是1～20 d,取出试件利用万能压力试验机展开强度劣化试验,测试试件的f与f′。

酸性腐蚀试验的具体步骤如下:

步骤1在试件养护完成前两天,擦干其水分,进行烘干处理,烘干时间为50 h,烘干温度为84 ℃,烘干后将其冷却到室温的温度,展开干湿循环试验,干湿循环液体包含酸性水和H2SO4,pH为1。

步骤2将试件放进干湿循环液体内,浸泡时间为16 h,取出并风干1.5 h。

步骤3将试件温度升至75 ℃并保持5 h,升温时间控制在25 min以内。

步骤4单个干湿循环时间是24 h,开始下一循环,操作结束后,利用万能压力试验机进行掺粉煤灰混凝土强度劣化试验,测试试件f与f′。

2 试验分析

2.1 掺粉煤灰含量对混凝土强度劣化的影响

分析不同粉煤灰含量时,掺粉煤灰混凝土在不同龄期时试件的抗压强度f和劈拉强度f′的劣化情况,结果分别如图1、图2所示。

图1 试件抗压强度劣化情况Fig.1 Deterioration of compressive strength of specimens

图2 试件劈拉强度劣化情况Fig.2 Deterioration of splitting tensile strength of specimens

由图1可知,各试件的粉煤灰掺量均随龄期的延长而提升;相同龄期时,粉煤灰掺量增加,试件的f均先上升后下降,当粉煤灰掺量为30%时,各龄期时试件的f均达到峰值;说明粉煤灰掺量较少时,试件的f有所上升,原因是在混凝土内添加粉煤灰后,降低了水泥浓度,当粉煤灰掺量低于30%(包含30%)时,水化反应前期,水泥反应较小,造成前期试件的f较低,此时粉煤灰具备二次水化反应特点,可吸纳没有反应的Ca(OH)2,形成C-S-H凝胶,提升试件密实度,粉煤灰掺量增加,C-S-H凝胶越多,因此,粉煤灰掺量较少时,试件的f,随粉煤灰掺量的增加而提升;粉煤灰掺量过多时,试件的f依旧会出现劣化现象,原因是粉煤灰掺量较多时,胶凝材料水化反应有限,造成试件结构出现松散情况,加快试件强度劣化速度。试验证明:粉煤灰掺量未超过30%(包含30%)时,试件的f未出现劣化现象,粉煤灰掺量超过30%时,粉煤灰掺量越多,试件的f劣化程度越大。

由图2可知,各试件的劈拉强度f′均随龄期的延长而提升;龄期为1～2周时,在粉煤灰掺量未超过30%(包含30%)时,试件的f′劣化幅度较小,当粉煤灰掺量超过30%时,试件的f′劣化速度加快;龄期为3～4周时,各粉煤灰掺量下试件的f′劣化速度基本一致,劣化速度均较慢。试验证明:增加粉煤灰掺量,会加快试件的f′劣化程度,延长龄期,会减缓试件的f′劣化速度。

2.2 水胶比对强度劣化的影响

分析不同水胶比时,混凝土在不同龄期时抗压强度f与劈拉强度f′的劣化情况,结果分别如图3、图4所示。

图3 水胶比对抗压强度的影响Fig.3 Effect of water-binder ratio on compressive strength

图4 水胶比对劈拉强度的影响Fig.4 Effect of water-binder ratio on splitting tensile strength

由图3可知,水胶比一致时,试件的f与龄期具有正相关关系,且f受龄期影响较大;龄期一致时,增加水胶比含量,试件的f开始出现劣化,劣化程度较轻。试验证明:试件f劣化程度受龄期影响较大,增加水胶比含量,会提升试件f劣化程度。

由图4可知,龄期延长,各水胶比情况下的试件f′均呈小幅度上升趋势,受龄期影响较小;龄期一致时,试件f′劣化程度随水胶比的提升而下降,下降幅度较大。试验证明:龄期对试件f′影响较小,增加水胶比含量,会大幅度提升试件的f′劣化程度。

2.3 冻融循环对强度劣化的影响

以龄期4周为例,分析冻融循环下,试件抗压、劈拉强度的劣化情况,分析结果如图5、图6所示。

图5 冻融循环对试件抗压强度的影响Fig.5 Effect of freeze-thaw cycle on compressive strength of specimens

图6 冻融循环对劈拉强度的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw cycle on splitting tensile strength

由图5可知,随着冻融循环次数的增加,试件的f均出现不同程度的劣化情况,原因是冻融作用下,试件结构内的水分会凝结成冰,开始膨胀,融化后开始收缩,试件反复经历冰冻与融化,导致其内部缝隙变大,降低结构稳定性,加快f劣化速度;粉煤灰掺量为10%与20%时,f在次数少于50次时,试件f劣化速度较慢,当次数超过50次时,试件f劣化速度较快;粉煤灰掺量为30%时,试件f最高,f呈缓慢线性趋势劣化,原因粉煤灰具备二次水化作用,当粉煤灰掺量适中时,会缩小试件凝结时的孔隙率,减少试件内部含水量,缓解试件在冻融循环作用下的缝隙扩展程度,降低f劣化速度;粉煤灰掺量为40%与50%时,前期试件f劣化速度较快,后期劣化速度较慢并趋于稳定。实验证明:冻融循环环境会加快不同掺量粉煤灰混凝土的f的劣化程度,粉煤灰掺量为30%时f劣化程度最轻。

由图6可知,冻融环境下,各试件的f′均有所降低,粉煤灰掺量与f′存在正相关关系;当次数低于50次时,各试件的f′劣化速度均较为缓慢,当次数超过50次时,各试件的f′劣化速度均较快;粉煤灰掺量为10%～30%时,f′在冻融循环作用下的劣化程度基本一致,不同循环次数下的f′值相差较小;粉煤灰掺量为40%与50%时,在循环次数低于50次时,与前三个试件的f′值相差较小,当循环次数超过50次时,f′值明显低于前三个试件。试验表明:冻融环境下,试件的f′会出现劣化情况,冻融循环次数较少时,对试件f′劣化速度影响较小,冻融循环次数较大时,会加快试件f′劣化速度,H掺量超过30%时,f′劣化速度更快。

2.4 冻融循环对试件强度劣化的影响

以A3类型试件、龄期4周为例,分析碳化作用下,试件抗压强度f与劈拉强度f′的变化情况,结果如表4所示。

表4 碳化时试件抗压、劈拉强度测试结果Table 4 Test results of compressive strength and splitting tensile strength of specimens during carbonization

由表4可知,随着碳化时间的延长,试件的f与f′均呈现先上升后下降的趋势,当碳化时间为13 d时,试件的f与f′均达到峰值;当碳化时间超过13 d时,试件的f与f′均出现劣化现象,当碳化时间为20 d时,试件的f与f′均超过未进行碳化处理的试件,原因是碳化时间延长,会加强试件密实度,导致其f与f′提升,避免f与f′出现劣化情况。

2.5 酸性水环境对试件强度劣化的影响

以龄期4周为例,分析酸性水环境下,试件抗压、劈拉强度的劣化情况,分析结果如表5所示。

表5 酸性水环境下试件抗压、劈拉强度劣化程度Table 5 Deterioration degree of compressive strength and splitting tensile strength of specimens in acidic water environment

由表5可知,干湿循环下,各试件的抗压及劈拉强度均值与抗腐蚀系数均与干湿循环次数存在负相关关系;干湿循环次数一致时,增加试件掺粉煤灰量,试件的抗压及劈拉强度与抗腐蚀系数的变化趋势一致,均是先增长后下降,其中三个指标的峰值均出现在粉煤灰掺量为30%的混凝土,相比未展开干湿循环试件的抗压及劈拉强度,均有所降低,说明干湿循环会导致试件出现强度劣化情况。

3 结论

掺粉煤灰混凝土强度易受冻融与酸性水环境等因素影响,为此利用碎石与粉煤灰等材料制备试件,利用万能压力试验机测试试件在不同环境时的破坏载荷,依据破坏载荷计算试件的抗压及劈拉强度,分析试件强度劣化情况。试验结果表明:粉煤灰掺量为10%与20%时,试件抗压强度在冻融循环次数少于50次时,试件劣化速度较慢,循环次数超过50次时,试件劣化速度较快;掺量为30%时,试件抗压强度最高,抗压强度呈缓慢线性趋势劣化,即冻融环境会加快试件抗压强度的劣化程度,粉煤灰掺量为30%时抗压强度劣化程度最轻;冻融环境下,试件的劈拉强度会出现劣化情况,循环次数较少时,对试件劈拉强度劣化速度影响较小,循环次数较大时,试件劈拉强度劣化速度较快,其中粉煤灰掺量超过30%时,劈拉强度劣化速度更快;干湿循环次数越多,试件抗压及劈拉强度与抗腐蚀系数越小,掺粉煤灰量为30%时,试件抗压及劈拉与抗腐蚀系数均较高,说明酸性水环境下,试件会出现强度劣化情况。