摻加粉煤灰補償收縮混凝土的研究及應用

    摘要:  粉煤灰和膨脹劑同時摻加配制的補償收縮混凝土得到廣泛應用，那么粉煤灰對這樣的補償收縮混凝土的性能具有怎樣的影響?本文研究在粉煤灰不同摻量條件下的水化熱、常溫和高溫下的膨脹性能、力學性能和耐久性能。探討混凝土設計的有關問題及工程應用實例。

    關鍵詞： 粉謀灰  膨脹劑  補償收縮混凝土  水化熱  養(yǎng)護制度    膨脹   耐久性

    一、前言

    高性能混凝土的出現加強了人們對粉煤灰(FA)的應用進行重新認識，粉煤灰對混凝土(尤其對貧混凝土)工作性能的影響人們認識較充分，尤其還具有良好的經濟效益。粉煤灰的高值利用也將為環(huán)保和建材的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義

    隨著國民經濟的快速發(fā)展，大型構筑物的建設尤其地下防水工程不斷增多，這類工程往往又是超長超厚混凝土結構，混凝土標號也高，一般為C40~C50混凝土。要解決許多技術問題，比如①抗裂抗?jié)B;②如何降低水化熱;③如何解決超長超厚混凝土結構的開裂等。除了工程設計上應該注意的問題外，從材料方面現主要使用粉煤灰和膨脹劑配制補償收縮混凝土，由于工程中經常出現一些問題，因此有必要進行深人研究。

    2 試驗材料與試驗方法

    2.1試驗材料

    水泥：山東水泥廠的P.0 42.5;中國建材院基準水泥。
    粉煤灰：濟寧電廠的U級灰，其化學成分和物理性能見表1
        
表1  FA的化學成分及物理性能
化學成分（%）
45μm篩余（%）
需水量比（%）
表觀密度（kg/m3）
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
K2O
Na2O
燒失量
53.6
30.56
6.11
4.01
1.46
0.44
0.94
0.64
0.44
19.2
97.1
2330
 
    膨脹劑：山東建筑科學研究院外加劑廠生產的PNC，符合J C 476-2001。
    泵送劑：山東建筑科學研究院外加劑廠生產的泵送劑FNC，符合JC 473-2001,摻1.5%~2%，減水率大于巧%。
    砂：泰安河砂，細度模數為2.78，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 440 kg/m3 。
    石子：5 m~25 mm碎石，壓碎指標值為12.5%，表觀密度為2 710 kg/m3，堆積密度為1380 kg/m3 。

    2.2 實驗方法

    主要依據下列標準規(guī)范試驗:

    混凝土膨脹劑J C 476-2001;混凝土外加劑應用技術規(guī)范GBJ 119;普通混凝土力學性能試驗方法GBJ 81;普通混凝土長期性能試驗方法GBJ 82;水泥水化熱試驗方法GB 2022。

    粉煤灰和膨脹劑在所有試驗中都采用內摻法，按等量替代水泥率來計算。

    3 試驗結果與分析

    3.1 水泥水化熱

    粉煤灰和膨脹劑同時摻和，充分利用“疊加效應”，可大幅度降低水化熱。參照水泥水化熱試驗方法試驗，結果見表2
           表2   水化熱
膠結材B（%）
FNC（%）
熱峰出現時間（h）
水化熱（kj/kg）
C
FA
PNC
1d
3d
總
100
 
 
 
10．5
243
396
447
92
 
8
 
12
216
363
407
72
20
8
 
14
179
327
383
72
20
8
2
37
65．2
304
344
90
 
10
 
12．5
210
360
402
70
20
10
 
15
166
319
370
60
30
10
 
18
132
271
317
70
20
10
2
39
61．0
293
336
60
30
10
2
53
50．1
234
307
 
    由表2可見，只摻加8%~10% PNC，水化熱峰出現的時間推遲1.5 h~2 h，水化熱降低9%~10%;摻加20%~30%FA和8%~10 %PNC，水化熱峰出現的時間推遲3.5 h~7.5 h，水化熱3d降低17%~27%，總水化熱降低15%~29%;同時摻加20%~30 % FA, 8%~10%PNC和2 % FNC，水化熱峰出現的時間推遲26.5 h~42.5 h，水化熱3d降低23%~41%，總水化熱降低23%~31%。粉煤灰和膨脹劑同時使用，可推遲水溫溫升峰值出現的時間，并且能降低早期和總的水化熱，這樣就較易控制混凝土內部溫升，控制混凝土內外溫差，膨脹劑的膨脹作用可補償混凝土的后期冷縮和干縮，降低溫度拉應力，達到防止混凝土開裂的目的。

    3.2 膨脹率

    3.2.1 養(yǎng)護制度對膨脹率的影響
    對于大體積混凝土，特別是高標號超厚混凝土，一般水泥用量較高，水泥水化熱溫升既快又高，再加上不易散熱，因此混凝土內部溫度很高，有時高達80℃左右。這類工程雖然常使用同時摻加膨脹劑和粉煤灰的補償收縮混凝土，但在夏季施工還是有可能出現混凝土內部溫升高達80℃的情況的，那么這時混凝土的補償收縮性能又如何呢?

    我們設計最高溫度為60℃士1℃和80℃土1℃的養(yǎng)護制度對摻加膨脹劑和粉煤灰的膠砂按JC 476-2001的試驗方法進行試驗。膨脹劑和粉煤灰都是內滲法，在試驗室成型1:2:0.4的膠砂試件，當試件強度達到10 MPa士2 MPa后拆摸，測量試件的初始長度后放人30士1℃ 水中，按制定的養(yǎng)護制度進行養(yǎng)護.7天后測膨脹值。結果見表3
          
表 3   養(yǎng)護制度對膠砂性能的影響
膠凝材B（%）
膨脹率（%）
7d抗壓強度（MPa）
備注
C
FA
PNC
水7(d)
水7(d)+干14(d)
水7(d)+干21(d)
92
 
8
0.039
0.015
0.007
60.6
每0.5d升10℃，至最高溫度60士1℃持續(xù)1.5d,以后每0.5d降10℃，至20℃后一直養(yǎng)護到7d;干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H
72
20
8
0.027
0.016
0.011
61.8
70
20
10
0.031
0.019
0.013
64.4
92
 
8
0.041
 
0.002
 
每0.5d升10℃，至最高溫度80士1℃持續(xù)1.5d,以后每0.5d降10℃，干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H
72
20
8
0.023
 
0.013
 
92
 
8
0.041
 
0.019
 
JC467-2001
72
20
8
0.032
 
0.001
 
 
    由表3可見:對于不摻粉煤灰只摻加膨脹劑的膠砂，在這兩種養(yǎng)護制度下7d的限制膨脹率都和JC 476-2001規(guī)定的試驗條件下水養(yǎng)7d的膨脹率差不多，都在0.04%左右;而摻加粉煤灰后，7d的膨脹率顯著減少，在最高養(yǎng)護溫度80℃11℃時減小的幅度更大，但干縮落差明顯減小，有利于發(fā)揮補償收縮作用;同時還可以看出，同時摻加粉煤灰和膨脹劑的膠砂(1:2:0.40)強度7d就比只摻加膨脹劑的高。

    只摻加膨脹劑的砂膠高溫下膨脹率不降低，可以認為膠砂試件在水中養(yǎng)護(水充分)短時間內持續(xù)80℃，不會造成鈣礬石分解。而同時摻粉煤灰和膨脹劑使膨脹率降低，則強度有所提高，可能由于在高溫下粉煤灰的活性能快速被激發(fā)，消耗掉硫酸根和Ca(OH)2，從而減少能產生膨脹的鈣礬石的生成，而加速了穩(wěn)定而致密的水化硅酸鈣凝膠的生成。

    由于粉煤灰的活性得到充分的激發(fā)，生成大量的水化產物，可以認為即使膨脹率降低也能獲得很密實的混凝土結構，對于材料本身防水可以說問題不大。但是，對于超長結構，還是應合理選擇膨脹劑的摻量來提高混凝土的膨脹率，以期達到補償收縮防止開裂的目的。

    3.2.2 混凝土膨脹率
    對于不同粉煤灰摻加量(等量替換水泥)，按GBJ 119的試驗方法進行補償收縮性能試驗。本次試驗都是高流態(tài)混凝土，結果見表4
     
表 4  混凝土補償收縮性能
膠結材B（%）
W/B
坍落度(mm)
抗壓強度（MPa）
限制膨脹率（1 x 10-4）
C
FA
PNC
28d
180d
水
1d
水
3d
水
7d
水
14d
水
28d
干
28d
干
180d
72
20
8
0.36
245
49．2
69.8
1.09
1.84
2.07
2.40
2.43
1.04
0.50
80
10
10
0.35
250
53．5
71.8
1.40
2.50
3.43
3.57
 
1.37
0.66
70
20
10
0.34
245
52．0
73.6
1.03
1.87
2.53
2.88
3.04
1.54
0.64
60
30
10
0.34
240
46．6
71.4
0.94
1.74
2.07
2.37
 
1.43
0.71
 
    注:配比膠凝材料總量 B為450 kg/m3砂率為0.40;都摻2%FNC
 
    由表4可見:①14 d膨脹率都大于1.5x10-4 (GBJ 119要求)，并且14d以后膨脹基本穩(wěn)定;②在20士3℃, 60士5%R.H空氣中養(yǎng)護180 d膨脹率都是正值;③在膨脹劑摻加量相同的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹率逐漸減小;④粉煤灰都摻加20%的情況下，隨著膨脹劑摻量的增加，膨脹率增大。

    粉煤灰和膨脹劑復合使用，粉煤灰在硫酸鹽和堿性條件下能表現出很好的火山灰反應，因此要消耗掉部分膨脹劑中的硫酸鹽和體系中的氫氧化鈣，使?jié){體液相的pH值降低，隨著粉煤灰摻量的增多，pH值更小。在沒有足夠的堿度和一定數量的Ca(OH)2的條件下生成的鈣礬石往往以粗柱狀形式結晶，表現出較差的膨脹性能。

    隨著粉煤灰的火山灰反應的不斷進行，生成大量的膠凝性質的穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠，進一步填充和堵塞孔隙，改善了孔結構和孔的分布，使混凝土結構更加密實，表現出相對較小的膨脹落差，以及后期混凝土具有較高的強度增長率。

    3.3 強度和力學性能

             表 5  混凝土強度
膠結材B（%）
W/B
坍落度(mm)
抗壓強度（MPa）
C
FA
PNC
3d
7d
28d
60d
90d
90
 
10
0.39
185
37.9
49.7
58.5
66.7
73.7
80
10
10
0.37
190
34.5
43.7
52.2
64.4
71.3
70
20
10
0.37
195
28.8
39.2
50.9
64.5
67.5
60
30
10
0.37
200
20.1
32.6
45.0
57.3
60.8
72
20
8
0.37
190
26.9
33.5
49.2
63.8
65.3
68
20
12
0.37
195
23.3
33.3
48.1
62.1
66.6
    注:膠結材總量為450 kg/m3砂率為0.40;都摻1.5%FNC
 
    由表4, 5可見，在補償收縮混凝土里用粉煤灰等量替換水泥，其28 d強度要降低，取代率為30%時28 d的強度降低的較多;替換率為10%~20%時.雖然28 d強度有所降低，但后期降低較少，可采用60 d或90 d強度作為設計強度進行設計，否則要相應提高膠凝材料的總用量。如表5，按28 d強度考慮，當膠凝材料總量為450 kg/m3，內摻10%膨脹劑時，可配制C50混凝土，而同時再用粉煤灰等量替換10%~20%的水泥，則只能按C40混凝土考慮，因為試配設計要有足夠的富裕強度。
   
    由表6可見，同時內摻粉煤灰、膨脹劑和泵送劑與基準混凝土相比，具有較高的力學性能。

         表6   混凝土力學性能
膠結材B(%)
FNC
(%)
W/B
坍落度
(mm)
抗壓
(MPa)
軸壓
(MPa)
劈壓
(MPa)
抗折
(MPa)
握裹力
(MPa)
彈模
(MPa)
C
FA
PNC
100
 
 
 
0.46
80
46.0
39.5
3.76
5.19
5.79
3.61x104
70
20
10
1.5
0.37
220
50.1
44.0
5.35
5.57
6.48
3.75 x104
 
    3.4  耐久性

    質量好的粉煤灰具有“火山灰效應”、“微集料效應”、“減水效應”及“比重效應”等綜合作用，再和膨脹劑同時復合使用配制混凝土，能改善混凝土的孔結構，同時具有良好的孔級配，有害孔減少，少害、無害孔增多，總孔隙率降低，改善混凝土的界面結構，增加了混凝土結構的密實度，因此提高了混凝土的耐久性。

    3.4.1 抗?jié)B
    膠凝材料總量為450 kg/m3，內摻20%FA, 10%PNC和1.5%FNC的混凝土，其抗?jié)B壓力為3.6 MPa，持續(xù)一天后，將試件劈開測滲水高度，只有15mm~35 mm，最高滲水高度的平均值為27 mm?？梢娀炷辆哂蟹浅：玫目?jié)B透能力。

    3.4.2 抗碳化
    標準碳化箱進行碳化試驗，28 d齡期，基準混凝土碳化深度為6.0 mm；內摻30 % FA和2%FNC時，碳化深度為8.5 mm；而同時摻加30%FA, 10%PNC和2 %FNC時，碳化深度為8.3 mm?？梢娕蛎泟Ψ勖夯一炷恋奶蓟疃炔辉黾印?/DIV>

    一般認為，混凝土的密實度與堿度是影響混凝土碳化的二個最重要的因素。粉煤灰和膨脹劑同時使用，雖然漿體的堿度降低了，但由于混凝土的結構更加密實，較單摻粉煤灰混凝土的碳化實際上會有所改善。由于空氣中的以CO2濃度非常小，較標準碳化箱中CO2濃度低近700倍，因此在實際工程中，混凝土的密度對碳化的影響程度會遠大于堿度的影響。因此，在實際中不會出現碳化速度很快而影響混凝土的耐久性。

    3.4.3 鋼筋銹蝕
    將Ф16 mm x 50 mm的光面鋼筋段埋人內摻20 % FA和10 %PNC混凝土中，180天破型觀察，鋼筋表面光滑如初，未發(fā)現銹點?；炷撩軐嵍鹊脑黾樱瑑炔拷缑娼Y構的改善，有利于對鋼筋的保護作用。

    4 工程應用

    4.1 混凝土設計的幾點體會

    摻加粉煤灰的混凝土，尤其同時摻加粉煤灰和膨脹劑的混凝土后期強度增長較大，根據上面的試驗結果可知，60 d較28 d齡期的強度要增長10 MPa以上，雖然《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)程》GBJ 146-90中講，混凝土設計強度等級的齡期地下工程宜為60 d或90 d，大體積混凝土工程宜為90 d或180 d，但實際工程應用中，一般只考慮28 d齡期。通過試驗研究。我們總結以下幾點:

    4.1.1膠凝材料計算
    根據經驗確定總膠凝材料用量B，為了充分考慮混凝土的強度和膨脹率，FA和PNC都按等量替換水泥率計算，即:B=C+FA+PNC, FA%= (FA/B) x100%, PNC%= (PNC/B) x100%，泵送劑或減水劑也要以總膠凝材料為基準計算用量，如FNC% = (FNC/B) x100%.

    4.1.2 粉煤灰和膨脹劑的摻加量
    本文只講粉煤灰按等量替換水泥率來計算。粉煤灰的摻量影響混凝土的水化熱、膨脹率以及早期和28 d齡期的強度，因此要綜合考慮粉煤灰的摻量。如用II粉煤灰配制C40混凝土，粉煤灰替換率可考慮在20%左右，用量在(90~100) kg/m3 .

    膨脹劑的摻加量根據使用的工程部位設計要求，以及粉煤灰的摻加量等因素來選擇。薄壁結構，不易保濕養(yǎng)護的部位，如地下室外墻，應具有相對較高的膨脹率，一般限制膨脹率要大于3.0 x 10-4，這時膨脹劑的摻加量相對要提高1%~2%.

    粉煤灰的摻加量多少影響混凝土的膨脹率，盡可能地控制粉煤灰的摻量在20%左右，這樣對膨脹率的影響相對小些。在相同粉煤灰摻量下，要想獲得較大的膨脹率