摘要: 設(shè)計(jì)收縮、小圓環(huán)約束開裂、水化熱、極限拉伸率以及抗氯離子滲透性等5 種試驗(yàn)方法來(lái)考核粉煤灰對(duì)高性能混凝土收縮開裂性能的影響。研究結(jié)果表明: 粉煤灰能夠改善高性能混凝土的工作性、降低早期彈性模量和水化熱、7 d 后強(qiáng)度能夠快速增長(zhǎng)并逼近基準(zhǔn)混凝土, 能夠有效地提高混凝土的抗裂性能。
關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 收縮開裂; 水化熱; 小圓環(huán)法
中圖分類號(hào): TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 1002- 4972( 2007) 01- 0025- 05
粉煤灰處于熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài), 是玻璃相組成,具有很好的活性; 由于其具有表面形貌和顆粒效應(yīng)、稀釋效應(yīng)、水化效應(yīng)和耐久效應(yīng)等功能, 能夠相應(yīng)地改善混凝土的新拌工作性、水化歷程( 改善界面CH 的定向排列問(wèn)題和降低總生成量) 、降低水化熱、提高中長(zhǎng)期強(qiáng)度、增強(qiáng)耐腐蝕性能等而被作為輔助膠凝材料廣泛用來(lái)配制混凝土?；炷凉こ探Y(jié)構(gòu)裂縫控制第一關(guān)鍵要素是提高混凝土體積穩(wěn)定性, 而提高混凝土體積穩(wěn)定性的關(guān)鍵取決于膠凝材料組分自身的低熱低變形性能。本文設(shè)計(jì)了5 種試驗(yàn)方法, 較為全面地考核了粉煤灰對(duì)高性能混凝土收縮開裂性能的影響。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
水泥: 廣州粵秀牌PⅡ42.5R 級(jí); 粉煤灰為黃埔粵和實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)灰; 粗骨料: 廣州番禺石崗采石場(chǎng)花崗巖碎石, 粒徑5～25 mm, 連續(xù)級(jí)配; 細(xì)骨料: 廣東南海市中砂, 細(xì)度模數(shù)2.77( Ⅱ區(qū)) , 含泥量0.4%, 表觀密度2 564 kg/m3; 減水劑: 江蘇鎮(zhèn)江特密斯混凝土外加劑廠生產(chǎn)的水溶性氨基磺酸鹽高效減水劑, 固含量33%, 減水率25.5%; 拌合用水符合《混凝土拌合用水》( JGJ 63- 89) 中的有關(guān)規(guī)定。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 極限拉伸試驗(yàn)、干燥收縮、物理力學(xué)性能試驗(yàn)按照J(rèn)TJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)
程》進(jìn)行。
1.2.2 水泥漿體小圓環(huán)約束開裂試驗(yàn)
如圖1 所示, 該試驗(yàn)裝置由試件試模、電阻應(yīng)變儀、連接電纜、應(yīng)變片、平板光滑玻璃板, 密封材料、電腦等幾部分組成。試件的模具包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)和底座。用其制備的試件尺寸為: 內(nèi)環(huán)半徑41.3 mm, 外環(huán)半徑66.7 mm, 高度25.4 mm。試驗(yàn)凈漿選用的水灰比( 水膠比) 宜取0.26; 成型后迅速將試件移入養(yǎng)護(hù)室。養(yǎng)護(hù)溫度20±2℃,濕度>95%。試件成型24±1h 后, 將試件連同模具的內(nèi)環(huán)一起取出, 在試件頂面和底面涂抹隔離劑進(jìn)行密封處理并將試件連同模具內(nèi)環(huán)平放在玻璃平板上, 試件的外側(cè)面粘貼應(yīng)變片, 通過(guò)計(jì)算機(jī)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)并繪圖觀測(cè)曲線是否有突變點(diǎn)。試件出現(xiàn)開裂后, 記錄外側(cè)面的開裂模式并計(jì)算開裂時(shí)間(從加水?dāng)嚢韬?4 h 并取出放入干燥室開始計(jì)時(shí))。開裂時(shí)間為應(yīng)變計(jì)顯示減小上百個(gè)微應(yīng)變或者增加數(shù)百個(gè)微應(yīng)變的時(shí)刻。如果未觀察到試件的應(yīng)變值出現(xiàn)突變點(diǎn), 而試件表面也沒有發(fā)現(xiàn)可見裂紋, 則為“未開裂”, 記錄試驗(yàn)結(jié)束的齡期。整個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間一般不超過(guò)7 d。
1.2.3 快速氯離子滲透試驗(yàn)按照ASTMC1202—97 進(jìn)行。
1.2.4 自收縮試驗(yàn)
采用自行設(shè)計(jì)的自收縮設(shè)備進(jìn)行, 成型后帶模具測(cè)試, 為排除塑性變形的影響, 以各個(gè)組分終凝時(shí)間作為測(cè)基長(zhǎng)的初始時(shí)間。該裝置主要由溫度巡檢、位移應(yīng)變測(cè)試、恒重?zé)o濕度交換無(wú)約束模具3 部分組成, 如圖2 所示。
2 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)配合比混凝土單方用量比m ( 膠材) : m( 砂) ∶m ( 石) ∶m ( 水) =450∶716∶1074∶157.5 (W/B=0.35) ; 膠凝材料組成分別為W1: 空白100%C;W2: 25%FA+75%C; W3: 35%FA+65%C; W4:45%FA+55%C ( FA 表示粉煤灰, C 表示水泥) 。
首先對(duì)所有配合比進(jìn)行試拌, 確定減水劑用量,按照規(guī)定齡期進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。小圓環(huán)試驗(yàn)直接為膠凝材料組分:水=1∶0.26 (W/B=0.26) , 減水劑用量根據(jù)水泥漿體流動(dòng)度大于200 mm 確定。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 粉煤灰對(duì)混凝土物理力學(xué)性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表1。
從表1 可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加, 3 d抗壓、抗彎及劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量逐漸降低。達(dá)到56 d 齡期時(shí)候, 除抗彎性能變化比較離散外, 對(duì)其他物理力學(xué)性能的影響不是十分明顯。這充分反應(yīng)了粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度隨時(shí)間迅速增長(zhǎng)的變化特點(diǎn), 大摻量粉煤灰混凝土以56 d 或60 d 齡期作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)考核指標(biāo)是確實(shí)可行的。摻加粉煤灰使得早期混凝土的抗拉強(qiáng)度有所降低, 但早期彈性模量的降低幅度更大, 并考慮到早期因?yàn)榭箟簭?qiáng)度低、徐變作用下的應(yīng)力松弛能力較高, 這為抵抗早期各種收縮變形、抑制裂縫生成創(chuàng)造了物理力學(xué)條件。
3.2 粉煤灰對(duì)水泥漿體約束開裂性能的影響粉煤灰對(duì)水泥漿體約束開裂性能的影響如圖3所示。一般來(lái)說(shuō), 在無(wú)特種措施條件下, 不同膠凝材料體系出現(xiàn)開裂的時(shí)間均在有效齡期72 h 之
前發(fā)生[1], 可見小圓環(huán)開裂試驗(yàn)初始時(shí)間參數(shù)與試件早期的物理力學(xué)性能密切相關(guān)。從圖3 可以看出隨著粉煤灰摻量的增加, 小圓環(huán)初始開裂的時(shí)間被明顯延長(zhǎng)。這說(shuō)明高強(qiáng)但不早強(qiáng)、早期彈性模量較低的粉煤灰體系混凝土抵抗約束開裂性能要遠(yuǎn)高于空白組分。開裂后應(yīng)變變化速度能夠反映出裂縫的擴(kuò)展程度, 應(yīng)變變化值越大說(shuō)明裂縫擴(kuò)展的程度越嚴(yán)重。從圖3 可以看出, 初始裂縫出現(xiàn)后, 粉煤灰摻量的增加, 有效地降低了出現(xiàn)裂縫后期約束應(yīng)變速率。為了證明其相關(guān)性, 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用光學(xué)顯微鏡測(cè)量粉煤灰體系的裂縫寬度, 隨著粉煤灰摻量的增加, 裂縫寬度從0.35 mm減少到0.15 mm, 而基準(zhǔn)裂縫寬度在0.6 mm 左右。
3.3 粉煤灰對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響抗?jié)B漏性能和裂縫性狀是評(píng)價(jià)防水混凝土工程質(zhì)量的2 個(gè)重要參數(shù)[2]。由于二者的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律不同, 并且二者之間存在相互依賴關(guān)系, 所以抑制裂縫生成和提高混凝土材料的密實(shí)性是提高防水工程質(zhì)量的有效技術(shù)途徑。按照水灰比法則,認(rèn)為水灰比越小, 混凝土強(qiáng)度越高, 混凝土結(jié)構(gòu)孔隙率越低, 結(jié)構(gòu)越致密, 抗?jié)B透性能越強(qiáng)。但高強(qiáng)混凝土由于存在早期自收縮大、熱應(yīng)力集中、應(yīng)力松弛能力小、高彈性模量、低韌高脆性等特點(diǎn), 出現(xiàn)工程裂縫的幾率大大增加。一旦裂縫出現(xiàn)、混凝土抗?jié)B透性能就會(huì)嚴(yán)重惡化; 所以降低水膠比, 配制高強(qiáng)混凝土的技術(shù)路線由于沒有考慮到抗開裂性能, 不是提高防水工程質(zhì)量的有效措施。從圖4 可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加,同一齡期抗?jié)B透性能逐漸提高, 56 d 齡期時(shí), 抗?jié)B透性能進(jìn)一步增強(qiáng), 這表明粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”使得混凝土結(jié)構(gòu)更加致密, 是制備防水混凝土有效輔助材料之一。
3.4 粉煤灰對(duì)混凝土極限拉伸率的影響從混凝土開裂的物理力學(xué)條件來(lái)看: 影響混凝土收縮開裂的主要物理力學(xué)性能是混凝土抗拉強(qiáng)度( 抗拉彈性模量) 和極限拉應(yīng)變。從熱效應(yīng)及變形兩個(gè)方面降低在約束條件下產(chǎn)生的拉應(yīng)力,使其在各個(gè)齡期保證約束變形不大于混凝土材料的極限拉伸率、拉應(yīng)力不大于極限抗拉強(qiáng)度。圖5比較了摻35%粉煤灰混凝土W3 與基準(zhǔn)W1, 可以看出, 隨著時(shí)間變化粉煤灰后期軸心抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)十分明顯, 達(dá)到28 d 齡期時(shí), 基本接近空白組分W1?？瞻捉M分的極限拉伸率隨齡期變化有不同程度的降低, 最后穩(wěn)定在60 μξ左右, 而摻加粉煤灰組分隨齡期變化混凝土的極限拉伸率逐漸增加, 28 d 時(shí)達(dá)到85 μξ, 這表明摻加粉煤灰后,提高了高強(qiáng)高性能混凝土早期的韌性, 脆性得到了改善, 對(duì)早期裂縫的生成具有很強(qiáng)的阻裂效果。
3.5 粉煤灰對(duì)混凝土水化熱及歷程的影響膠凝材料水化熱是導(dǎo)致工程熱裂縫或冷裂縫的主要根源。降低水化熱總量及延緩放熱速率是大體積、大面積混凝土工程溫度控制的主要出發(fā)點(diǎn)。研究資料表明[3- 4], 水泥熟料中3 d 水化齡期放熱量(C3S+ C3A) /( β- C2S+ C4AF) ≈4, C3S、C3A、β- C2S、C4AF 3 d 的水化程度分別為36%、83%、1%、70%; 并且在水泥熟料中( C3S+ C3A) 占60%~70%, 可見C3S、C3A 是影響水化熱的主要因素, 降低單方混凝土水泥用量是最有效的技術(shù)途徑。
從圖6 可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加, 最高放熱峰對(duì)應(yīng)的時(shí)間沒有明顯變化, 但放熱最高峰值逐漸降低, 放熱總量顯著降低。但在水化6 h 之前及初凝前, 隨著粉煤灰摻量的增加, 放熱速率是逐漸增加的。分析認(rèn)為, 由于粉煤灰顆粒表面效應(yīng)、分散效應(yīng)使得水泥中C3A 組分獲得充分水化, 粉煤灰顆粒表面受到硫酸鹽、堿激發(fā)作用,顆粒水化活性得到了增強(qiáng)。同時(shí)根據(jù)水化動(dòng)力學(xué)原理以及濃度擴(kuò)散理論, 早期粉煤灰摻量大, 二次水化反應(yīng)會(huì)提前開始, 這對(duì)C3S、C3A 的水化具有促進(jìn)作用。但隨著水化的不斷進(jìn)行, 粉煤灰顆粒被分散包容在C- S- H 凝膠中, 形成固熔體結(jié)構(gòu)。由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)只有在硫酸鹽、堿環(huán)境下才能充分發(fā)揮。粉煤灰用量越大, 水化產(chǎn)物CH 越少, 逐漸成為制約二次水化反應(yīng)的主導(dǎo)因素, 二次水化反應(yīng)速率顯著降低, 表現(xiàn)為宏觀物理力學(xué)強(qiáng)度的降低。
3.6 粉煤灰對(duì)混凝土收縮性能的影響圖7 為干縮濕漲曲線圖, 圖中1 條垂直虛線,把混凝土干縮濕漲變形分為2 個(gè)區(qū)域, 干燥齡期為90 d, 之后放入20℃淡水中養(yǎng)護(hù)10 d, 20 d,30 d 分別測(cè)量其變形, 濕漲齡期總計(jì)為60 d。從圖2 可以清楚看出, 隨著齡期變化, 添加35%粉煤灰和空白組分干燥收縮變形逐漸增大, 達(dá)到90 d時(shí), 空白收縮達(dá)到400 μξ以上, 添加粉煤灰后, 各個(gè)齡期混凝土的干燥收縮變形都有不同程度的降低。從圖7 右邊的縱坐標(biāo)可以看出, 粉煤灰對(duì)混凝土減少干燥收縮率基本穩(wěn)定在20%左右; 進(jìn)入濕養(yǎng)護(hù)階段后, 減少收縮率值迅速降低, 在水中養(yǎng)護(hù)60 d 后減少收縮率降低為負(fù)值, 這表明空白混凝土的濕漲變形速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻粉煤灰混凝土的濕漲變形速度?？梢娫诟蓾窠惶娴沫h(huán)境下, 摻加粉煤灰的混凝土體積穩(wěn)定性要明顯好于空白組分W1。
高強(qiáng)高性能混凝土由于低水膠比, 較高的膠凝材料用量, 因而早期水化快, 容易造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部“缺水”孔液面飽和蒸汽壓降低, 相對(duì)濕度降低, 發(fā)生自收縮變形大, 而這一部分變化通過(guò)普通混凝土的干燥收縮試驗(yàn)往往無(wú)法反映出。
筆者采用自行設(shè)計(jì)的自收縮測(cè)試裝置, 對(duì)摻35%粉煤灰組分W3 與空白組分W1 進(jìn)行了自收縮對(duì)比試驗(yàn)。從圖8 可以看出摻粉煤灰后無(wú)論從自收縮總量及自收縮變化速率上都明顯優(yōu)越于空白混凝土組分W1。7 d 左右基本達(dá)到了穩(wěn)定階段。從本次試驗(yàn)來(lái)看, 摻加粉煤灰對(duì)提高混凝土自身體積穩(wěn)定性效果十分顯著。
4 結(jié)論
1) 添加粉煤灰降低混凝土早期的彈性模量和抗壓強(qiáng)度, 提高早期的抗拉強(qiáng)度是改善混凝土早期抗裂性能的主要途徑。
2) 小圓環(huán)約束開裂試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)、極限拉伸率試驗(yàn)表明粉煤灰能夠有效提高水泥基材料的體積穩(wěn)定性, 粉煤灰能夠顯著降低早期水化熱放熱速率, 降低放熱總量; 粉煤灰能夠密實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu), 是制備阻裂防滲漏防水混凝土的有效輔助膠凝材料之一。
3) 小圓環(huán)試驗(yàn)可以比較直觀地反映出不同膠凝材料組成約束開裂性能, 通過(guò)早期開裂前變形量可以考核其體積穩(wěn)定性能, 通過(guò)裂縫發(fā)生的初始時(shí)間可以評(píng)價(jià)其抗裂能力; 通過(guò)出現(xiàn)裂縫后應(yīng)變變化可以判斷裂縫的擴(kuò)展情況。
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