大掺量粉煤灰混凝土蒸养制度的研究

2013-04-25王先恕

滁州学院学报 2013年5期

王先恕

按照国际通例大掺量粉煤灰混凝土(High Flying-ash Content Concrete) 的定义为粉煤灰掺量不低于总胶凝材料重量的40%。现我国混凝土中粉煤灰掺量-般仅为总胶凝材料重量20%左右，而国外混凝土的粉煤灰掺量甚至超过70%。例如日本明石跨海大桥建造时就应用了掺量达72%的高掺量粉煤灰混凝土。其中粉煤灰变废为宝的主要途径之一是用粉煤灰代替部分水泥来降低混凝土生产成本，发挥粉煤灰高性能优势，还能改善混凝土的性能如耐久性能等。

目前我国中等级混凝土被大量应用。因此从我国国情出发本次研究的混凝土强度等级选为C30，粉煤灰掺量达52%。扩大绿色高性能混凝土的应用范围，可取得更大的环境与技术经济效。

本次研究的C30混凝土配合比如表1：

表1 C30混凝土配合比

1 合理确定蒸养制度

由于不同类型和组分的混凝土，如果蒸汽养护制度不当，会适得其反，造成经济损失。大掺量粉煤灰混凝土的组成与普通混凝土不同，所以有必要研究其合适的蒸汽养护制度，满足不同的工作需要，并达到相应的工程指标。一般实际工程应用中，需要早期强度达到或者接近普通混凝土的性能，所以本研究采取蒸汽养护方式提高其此方面的性能。

蒸汽养护主要用于生产预制构件。其主要目的主要满足工程需要和提高经济效益，一是为了在混凝土初期获得较高的强度，二是早脱模，减少养护试验所需要的时间和花费。通常有两种方式蒸汽养护。一是大规模蒸汽养护，利用机械化输送混凝土构件在养护隧道中，施加一定气压的蒸汽进行养护；二是试件浇筑成型后，用盒子或塑料布进行密实覆盖后，通过软胶皮管供给一定的蒸汽进行养护，工地上大都采取此方法。无论何种方式，均使大掺量粉煤灰混凝土处在蒸汽环境中。

由于蒸汽养护期间各个阶段温度、时间各不相同，对大掺量粉煤灰混凝土强度和内部变化造成不同的影响，如果制度不恰当，反而达不到目的，必须要建立合理的蒸养制度。目前，蒸汽养护过程一般由前置时期、升温阶段、恒温下的蒸汽养护阶段和冷却阶段组成，某些特殊条件下或许包括湿养护阶段。在每个阶段的蒸汽养护，对混凝土的要求和所要达到的目的是各不相同，需安排组织不同的蒸养过程来达到预期需要和目的。在实际工程运用蒸汽养护过程中，主要考虑现场条件、施工进度和设计要求；另外，也要考虑到经济效益的因素，比如大掺量粉煤灰节省水泥和蒸汽养护所花费进行对比，影响养护程序是否适合于实际工程的大掺量粉煤灰混凝土。在蒸汽养护过程中，水泥水化产物和粉煤灰活性激发产物的结构形成和造成的破坏是蒸汽养护过程中的一对主要矛盾，同时还要考虑到外加剂的掺入对养护制度的适应性。

因此养护制度是大掺量粉煤灰混凝土生产中保证质量的关键工艺制度。所以首先试验研究蒸养制度，在确定蒸养制度时，龄期确定为蒸养后混凝土冷却至室温上下(前置时间除外)。

2 养护制度各阶段时间研究和确定

2.1 前置时间

在蒸汽养护之前，通常的做法为将浇筑成型之后的混凝土构件在常温下放置一定的时间，然后再通过蒸汽升温养护，我们将这放置时间的长短称之为前置时间，即预养时间。前置时间的作用在于提高混凝土在蒸汽养护期间的抵抗微裂缝能力。这是由于混凝土在蒸汽养护温度过程中，内部的空气和自由水等受热膨胀而产生拉应力，导致内部产生微裂缝。由于大掺量粉煤灰混凝土的初期强度低，再加上以上原因使混凝土强度更低，所以必须选择一个合适的前置期。前置期时间长短影响到蒸汽养护的后期工艺质量，决定了大掺量粉煤灰混凝土初期强度的大小，关系到大掺量粉煤灰混凝土在蒸汽养护后期残余变形的大小，最终决定了粉煤灰混凝土蒸汽养护的成败。对于上述问题，吴中伟院士提出了“临界初始结构强度”和“最佳预养时间”的概念。临界初始结构强度为混凝土在一定的前置时间后，能够使得蒸汽养护期间的残余变形最小，达到最大密实度和最高强度时的最低初始结构强度值，而其对应的前置时间便是最佳预养时间。

基于以上原因和分析，最佳前置时间是通过研究了不同的前置时间对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响来对比来确定。本次试验条件为：温度控制在30℃左右,相对湿度控制在85%左右。前置时间分别采用0h、2h、4h、6h和8h。实验结果如图1。

图1 预养时间对粉煤灰混凝土抗压强度的影响

由图1可知:当大掺量粉煤灰混凝土前置时间为0时，则脱模时混凝土的抗压强度较低；根据后期的抗压强度测试值相对有前置期的低了近20%。前置时间在2h-8h时，大掺量粉煤灰混凝土脱模抗压强度都有一定程度的增加，根据后面的不同龄期强度，抗压强度都有较大幅度的提高，但是它们之间的差别不大，仍然对应着前置期强度较大的特点。同时前置时期越长，大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度增幅率变小可以看出，前置时期越长，大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度增幅变小。从实际工程应用角度考虑，选择前置时间6h，不仅可以缩短制备时间，且经济效益最大化。

2.2 升温时间

由实验可得，从实验中获得，大掺量粉煤灰混凝土出现微裂缝，大都是由于升温期处理不当造成。少部分原因是混凝土各组分材料不适应性蒸汽养护，而主要原因在于混凝土强度未达到临界初始结构强度。对于大掺量粉煤灰混凝土，原本初始强度低，如果达不到临界初始结构强度就直接进入升温期，粉煤灰混凝土就会变成废品。所以，升温期是蒸汽养护过程的重要环节之一，是蒸养混凝土内部结构的定型阶段，必须确定合适的升温时间。众所周知，混凝土中的粗骨料、细骨料、水等的膨胀系数不同且相差较大，在升温过程中，游离态的液态水膨胀最大，甚至是膨胀较小的骨料和水泥石的几十倍，它使大掺量粉煤灰混凝土内部组织和结构受到很大的损伤，且大掺量粉煤灰混凝土残余变形增大，表面出现裂纹，严重者造成破坏。如果内部的水形成气泡膨胀，不仅膨胀作用危害最大，而且这种膨胀作用力在蒸汽压力下会转移，造成内部微结构恶化，孔隙率变大，特别对混凝土结构最薄弱的界面过渡区形成更大的损伤。而内部微观结构的劣化使混凝土表面出现微裂纹，导致混凝土出现肿胀和酥松缺陷。当然，蒸汽养护过程各个环节是互相制约，互相影响。前面环节的前置时间对升温时间影响至关重要，可以根据初始强度的大小调整升温速率的快慢。

图2 升温时间对杭压强度的影响

图2表明：蒸养升温时间2h和3h的混凝土抗压强度增加明显，而蒸养升温时间1h的混凝土抗压强度提高较少。实验中进一步延长蒸养升温时间，混凝土抗压强度增幅会降低。其中2h增幅约32%，而3h的增幅约为35%。因此综合考虑而确定合理的升温时间为2h。

2.3 恒温时间

大掺量粉煤灰混凝土强度快速增长关键阶段在于蒸汽养护过程的恒温期，它是混凝土内部粉煤灰火山灰性能反应产物的结构形成和巩固阶段，也是粉煤灰三大活性均能发挥阶段。所以，恒温时间和恒温温度是大掺量粉煤灰混凝土强度、力学性能及耐久性提高关键所在。通常情况下，这两个参数在蒸汽养护过程中对大掺量粉煤灰混凝土强度的后期发展是相互影响的，太长的恒温时间不仅阻碍后期强度提高，而且增加养护成本，降低经济效益。所以，综合考虑实验研究内容和与实际工程相结合，恒温时间选取三种工况：6h、8h和10h。

由图3可知：其抗压强度随恒温时间的延长而提高。蒸养粉煤灰混凝土增幅均明显超过预养、升温时的强度增幅。根据国内外相关研究成果得知，过长的恒温时间阻碍后期强度的提高，如果太短的恒温时间却发挥不出大掺量粉煤灰的活性，再综合考虑工程实际需要和效益，选取恒温时间为8h。

图3 恒温时间对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响

2.4 恒温温度

图4表明：蒸汽养护大掺量粉煤灰混凝土随恒温温度的提高而增加，增幅均在10%以上。根据国内外的研究成果可知，温度过低影响粉煤灰的活性发挥，混凝土的抗压强度降低。而温度过高不仅使混凝土后期强度发展缓慢，其强度反而会降低。综合考虑降低损耗、节能环保和后期强度发展的因素，恒温温度选取60℃。

图4 恒温温度对粉煤灰混凝土抗压强度的影响

2.5 降温时间

降温过程是蒸汽养护的最后一个环节，此时，大掺量粉煤灰混凝土的内部结构基本定型，如果降温时间不当，同样造成大掺量粉煤灰混凝土出现内部裂纹和外部裂缝。在降温过程中，混凝土导热系数较小，会存在内外的温差，混凝土将在一定厚度内产生拉应力，当该拉应力大于粉煤灰混凝土的极限抗拉强度，将导致出现微裂缝。在蒸汽养护过程中，在大掺量粉煤灰混凝土内部始终影响最大的便是水和水蒸汽的相互转换，当内外温度的差异造成水分的汽化后，容易形成局部厚度内微结构的劣化，降低了粉煤灰混凝土的强度和耐久性。所以，如果降温速度过快，对混凝土结构的损伤越大。因此本次试验选择1h和2h降温速度开展研究。