摘要: 設計收縮、小圓環約束開裂、水化熱、極限拉伸率以及抗氯離子滲透性等5 種試驗方法來考核粉煤灰對高性能混凝土收縮開裂性能的影響。研究結果表明: 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 后強度能夠快速增長并逼近基準混凝土, 能夠有效地提高混凝土的抗裂性能。
關鍵詞: 粉煤灰; 收縮開裂; 水化熱; 小圓環法
中圖分類號: TU528 文獻標識碼: B 文章編號: 1002- 4972( 2007) 01- 0025- 05
粉煤灰處于熱力學介穩狀態, 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、稀釋效應、水化效應和耐久效應等功能, 能夠相應地改善混凝土的新拌工作性、水化歷程( 改善界面CH 的定向排列問題和降低總生成量) 、降低水化熱、提高中長期強度、增強耐腐蝕性能等而被作為輔助膠凝材料廣泛用來配制混凝土。混凝土工程結構裂縫控制第一關鍵要素是提高混凝土體積穩定性, 而提高混凝土體積穩定性的關鍵取決于膠凝材料組分自身的低熱低變形性能。本文設計了5 種試驗方法, 較為全面地考核了粉煤灰對高性能混凝土收縮開裂性能的影響。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
水泥: 廣州粵秀牌PⅡ42.5R 級; 粉煤灰為黃埔粵和實業有限公司生產的Ⅱ級灰; 粗骨料: 廣州番禺石崗采石場花崗巖碎石, 粒徑5～25 mm, 連續級配; 細骨料: 廣東南海市中砂, 細度模數2.77( Ⅱ區) , 含泥量0.4%, 表觀密度2 564 kg/m3; 減水劑: 江蘇鎮江特密斯混凝土外加劑廠生產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) 中的有關規定。
1.2 試驗方法
1.2.1 極限拉伸試驗、干燥收縮、物理力學性能試驗按照JTJ 270—98《水運工程混凝土試驗規
程》進行。
1.2.2 水泥漿體小圓環約束開裂試驗
如圖1 所示, 該試驗裝置由試件試模、電阻應變儀、連接電纜、應變片、平板光滑玻璃板, 密封材料、電腦等幾部分組成。試件的模具包括內環、外環和底座。用其制備的試件尺寸為: 內環半徑41.3 mm, 外環半徑66.7 mm, 高度25.4 mm。試驗凈漿選用的水灰比( 水膠比) 宜取0.26; 成型后迅速將試件移入養護室。養護溫度20±2℃,濕度>95%。試件成型24±1h 后, 將試件連同模具的內環一起取出, 在試件頂面和底面涂抹隔離劑進行密封處理并將試件連同模具內環平放在玻璃平板上, 試件的外側面粘貼應變片, 通過計算機采集應變數據并繪圖觀測曲線是否有突變點。試件出現開裂后, 記錄外側面的開裂模式并計算開裂時間(從加水攪拌后24 h 并取出放入干燥室開始計時)。開裂時間為應變計顯示減小上百個微應變或者增加數百個微應變的時刻。如果未觀察到試件的應變值出現突變點, 而試件表面也沒有發現可見裂紋, 則為“未開裂”, 記錄試驗結束的齡期。整個試驗觀測時間一般不超過7 d。
1.2.3 快速氯離子滲透試驗按照ASTMC1202—97 進行。
1.2.4 自收縮試驗
采用自行設計的自收縮設備進行, 成型后帶模具測試, 為排除塑性變形的影響, 以各個組分終凝時間作為測基長的初始時間。該裝置主要由溫度巡檢、位移應變測試、恒重無濕度交換無約束模具3 部分組成, 如圖2 所示。
2 試驗方案
試驗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) 。
首先對所有配合比進行試拌, 確定減水劑用量,按照規定齡期進行強度測試。小圓環試驗直接為膠凝材料組分:水=1∶0.26 (W/B=0.26) , 減水劑用量根據水泥漿體流動度大于200 mm 確定。
3 試驗結果及分析
3.1 粉煤灰對混凝土物理力學性能的影響試驗結果見表1。
從表1 可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加, 3 d抗壓、抗彎及劈裂抗拉強度、靜力受壓彈性模量逐漸降低。達到56 d 齡期時候, 除抗彎性能變化比較離散外, 對其他物理力學性能的影響不是十分明顯。這充分反應了粉煤灰混凝土后期強度隨時間迅速增長的變化特點, 大摻量粉煤灰混凝土以56 d 或60 d 齡期作為強度設計考核指標是確實可行的。摻加粉煤灰使得早期混凝土的抗拉強度有所降低, 但早期彈性模量的降低幅度更大, 并考慮到早期因為抗壓強度低、徐變作用下的應力松弛能力較高, 這為抵抗早期各種收縮變形、抑制裂縫生成創造了物理力學條件。
3.2 粉煤灰對水泥漿體約束開裂性能的影響粉煤灰對水泥漿體約束開裂性能的影響如圖3所示。一般來說, 在無特種措施條件下, 不同膠凝材料體系出現開裂的時間均在有效齡期72 h 之
前發生[1], 可見小圓環開裂試驗初始時間參數與試件早期的物理力學性能密切相關。從圖3 可以看出隨著粉煤灰摻量的增加, 小圓環初始開裂的時間被明顯延長。這說明高強但不早強、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高于空白組分。開裂后應變變化速度能夠反映出裂縫的擴展程度, 應變變化值越大說明裂縫擴展的程度越嚴重。從圖3 可以看出, 初始裂縫出現后, 粉煤灰摻量的增加, 有效地降低了出現裂縫后期約束應變速率。為了證明其相關性, 實驗結束后采用光學顯微鏡測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, 而基準裂縫寬度在0.6 mm 左右。
3.3 粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響抗滲漏性能和裂縫性狀是評價防水混凝土工程質量的2 個重要參數[2]。由于二者的經時變化規律不同, 并且二者之間存在相互依賴關系, 所以抑制裂縫生成和提高混凝土材料的密實性是提高防水工程質量的有效技術途徑。按照水灰比法則,認為水灰比越小, 混凝土強度越高, 混凝土結構孔隙率越低, 結構越致密, 抗滲透性能越強。但高強混凝土由于存在早期自收縮大、熱應力集中、應力松弛能力小、高彈性模量、低韌高脆性等特點, 出現工程裂縫的幾率大大增加。一旦裂縫出現、混凝土抗滲透性能就會嚴重惡化; 所以降低水膠比, 配制高強混凝土的技術路線由于沒有考慮到抗開裂性能, 不是提高防水工程質量的有效措施。從圖4 可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加,同一齡期抗滲透性能逐漸提高, 56 d 齡期時, 抗滲透性能進一步增強, 這表明粉煤灰的“火山灰效應”使得混凝土結構更加致密, 是制備防水混凝土有效輔助材料之一。
3.4 粉煤灰對混凝土極限拉伸率的影響從混凝土開裂的物理力學條件來看: 影響混凝土收縮開裂的主要物理力學性能是混凝土抗拉強度( 抗拉彈性模量) 和極限拉應變。從熱效應及變形兩個方面降低在約束條件下產生的拉應力,使其在各個齡期保證約束變形不大于混凝土材料的極限拉伸率、拉應力不大于極限抗拉強度。圖5比較了摻35%粉煤灰混凝土W3 與基準W1, 可以看出, 隨著時間變化粉煤灰后期軸心抗拉強度增長十分明顯, 達到28 d 齡期時, 基本接近空白組分W1。空白組分的極限拉伸率隨齡期變化有不同程度的降低, 最后穩定在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 時達到85 μξ, 這表明摻加粉煤灰后,提高了高強高性能混凝土早期的韌性, 脆性得到了改善, 對早期裂縫的生成具有很強的阻裂效果。
3.5 粉煤灰對混凝土水化熱及歷程的影響膠凝材料水化熱是導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點。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, 最高放熱峰對應的時間沒有明顯變化, 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。分析認為, 由于粉煤灰顆粒表面效應、分散效應使得水泥中C3A 組分獲得充分水化, 粉煤灰顆粒表面受到硫酸鹽、堿激發作用,顆粒水化活性得到了增強。同時根據水化動力學原理以及濃度擴散理論, 早期粉煤灰摻量大, 二次水化反應會提前開始, 這對C3S、C3A 的水化具有促進作用。但隨著水化的不斷進行, 粉煤灰顆粒被分散包容在C- S- H 凝膠中, 形成固熔體結構。由于粉煤灰的火山灰效應只有在硫酸鹽、堿環境下才能充分發揮。粉煤灰用量越大, 水化產物CH 越少, 逐漸成為制約二次水化反應的主導因素, 二次水化反應速率顯著降低, 表現為宏觀物理力學強度的降低。
3.6 粉煤灰對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 個區域, 干燥齡期為90 d, 之后放入20℃淡水中養護10 d, 20 d,30 d 分別測量其變形, 濕漲齡期總計為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, 達到90 d時, 空白收縮達到400 μξ以上, 添加粉煤灰后, 各個齡期混凝土的干燥收縮變形都有不同程度的降低。從圖7 右邊的縱坐標可以看出, 粉煤灰對混凝土減少干燥收縮率基本穩定在20%左右; 進入濕養護階段后, 減少收縮率值迅速降低, 在水中養護60 d 后減少收縮率降低為負值, 這表明空白混凝土的濕漲變形速率遠遠大于摻粉煤灰混凝土的濕漲變形速度。可見在干濕交替的環境下, 摻加粉煤灰的混凝土體積穩定性要明顯好于空白組分W1。
高強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, 容易造成混凝土結構內部“缺水”孔液面飽和蒸汽壓降低, 相對濕度降低, 發生自收縮變形大, 而這一部分變化通過普通混凝土的干燥收縮試驗往往無法反映出。
筆者采用自行設計的自收縮測試裝置, 對摻35%粉煤灰組分W3 與空白組分W1 進行了自收縮對比試驗。從圖8 可以看出摻粉煤灰后無論從自收縮總量及自收縮變化速率上都明顯優越于空白混凝土組分W1。7 d 左右基本達到了穩定階段。從本次試驗來看, 摻加粉煤灰對提高混凝土自身體積穩定性效果十分顯著。
4 結論
1) 添加粉煤灰降低混凝土早期的彈性模量和抗壓強度, 提高早期的抗拉強度是改善混凝土早期抗裂性能的主要途徑。
2) 小圓環約束開裂試驗、收縮試驗、極限拉伸率試驗表明粉煤灰能夠有效提高水泥基材料的體積穩定性, 粉煤灰能夠顯著降低早期水化熱放熱速率, 降低放熱總量; 粉煤灰能夠密實混凝土內部結構, 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) 小圓環試驗可以比較直觀地反映出不同膠凝材料組成約束開裂性能, 通過早期開裂前變形量可以考核其體積穩定性能, 通過裂縫發生的初始時間可以評價其抗裂能力; 通過出現裂縫后應變變化可以判斷裂縫的擴展情況。
參考文獻:
[1] 王迎飛. 高性能混凝土控裂技術研究報告[R]. 廣州: 廣州四航工程技術研究院, 2005.
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[4] 袁潤章. 膠凝材料學[M]. 第2 版. 武漢: 武漢工業大學
