粉煤灰在大体积混凝土中作用机理研究

汪冬冬，金建昌2，田伟丽2，王成启

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

粉煤灰在大体积混凝土中作用机理研究

汪冬冬1，金建昌2，田伟丽2，王成启1

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

针对粉煤灰混凝土在标准养护条件和变温养护条件下强度发展进行研究。发现标准养护条件下粉煤灰混凝土早期强度发展缓慢，而变温养护条件强度迅速增长；对比研究粉煤灰对水化热和绝热温升影响，发现粉煤灰可显著降低水化热和绝热温升；在绝热温升试验中发现粉煤灰水化放热峰，而水化热试验中未见粉煤灰放热峰。

粉煤灰；变温养护；强度发展；水化热；绝热温升

大体积混凝土结构中，胶凝材料水化放热集中在入模后2~5 d，构件内部实际温度与绝热条近似，只有当散热速度大于放热速度时内部温度才开始下降。根据度时积原理[1-2]分析结构内部混凝土在较短龄期可达较高成熟度。较高内部温度使水泥、矿物掺合料水化反应速率加快，Idorn[3]研究表明，30℃时硅酸盐水泥的水化速率比20℃加快1倍。覃维祖[4]认为，与水泥相比，粉煤灰混凝土受温度的影响更为显著。阎培渝[5]研究发现养护温度升高能够使粉煤灰化学活性较早地发挥。本文在上述研究基础上通过变温养护试验结合水化热与绝热温升对比试验，根据水化热、绝热温升试验结果和变温及标养条件下粉煤灰混凝土早期强度发展，分析粉煤灰在大体积混凝土中效果和作用机理。

1 试验方案

在绝热温升试验基础上设计变温养护方案模拟大体积混凝土内部温度条件，对比研究粉煤灰混凝土在变温和标准养护条件下强度发展规律。希望通过模拟试验掌握大体积混凝土内部粉煤灰的作用和效果。

1.1 混凝土配合比设计

基准混凝土配合比见表1，单方胶凝材料（硅酸盐水泥与矿物掺合料总和）390 kg/m3，水胶比0.39，砂率0.39，聚羧酸减水剂掺量0.9%~1.1%。JZ配方胶凝材料使用P.O42.5普通硅酸盐水泥，FA25、FA45分别使用25%Ⅱ级粉煤灰、45%Ⅱ级粉煤灰等量替代水泥。

1.2 变温养护

变温养护方案见图1。采用高低温交变湿热养护箱模拟大体积混凝土内部温度环境，曲线上升段为绝热温升曲线稍折减。具体养护制度为：0~96 h，类似绝热温升曲线；96~192 h，从最高温度降低到25℃。成型混凝土试块带模放入高低温交变湿热养护箱按照图1养护方案进行变温养护，在指定龄期取出试块测试强度，同时测试标准养护条件下试块强度。

表1 基准混凝土配合比Table 1 Mix proportion of reference concrete

图1 变温养护方案Fig.1 Variable temperature curing scheme

2 变温养护试验结果分析

标准养护和变温养护条件下JZ、FA25和FA45混凝土不同龄期强度试验结果见表2及图2。变温养护条件下混凝土强度发展迅速，掺25%粉煤灰的混凝土在5 d龄期强度已经赶上并超过基准混凝土，掺45%粉煤灰混凝土在第8 d强度与基准混凝土已相差不多。而在标准养护条件下，粉煤灰混凝土强度明显低于同龄期基准混凝土的强度，28 d龄期之后粉煤灰混凝土强度进一步增长并逐渐缩短与基准混凝土的强度差距。

表2 混凝土抗压强度试验结果Table 2 Concrete compression strength test results

图2 混凝土强度发展Fig.2 Concrete strength development

上述试验结果说明粉煤灰活性发挥受温度影响很大，高温度条件促进粉煤灰二次水化，其活性被激发导致化学反应速率加快。大体积混凝土结构内部胶凝材料水化放热积蓄形成的高温条件使粉煤灰混凝土强度迅速增长，短时间达到较高强度。而标准养护和现场留样混凝土同条件养护试块的强度不能真实反映大体积混凝土内部的实际强度。因此，规范允许大体积混凝土强度验收可以推迟至56 d龄期甚至更长龄期。

3 粉煤灰对降低绝热温升的作用

对比研究掺20%~60%粉煤灰对胶凝材料水化热和混凝土绝热温升的影响，水泥采用PⅠ52.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，水化热试验采用ToniCAL水泥水化热测试仪，绝热温升采用HR-3S混凝土热物理参数测定仪。

3.1 水化热

根据图3水化热试验结果可见，粉煤灰可显著降低胶凝材料水化热，并且随粉煤灰掺量增加，水化热近乎线性降低。掺20%、30%、40%、50%粉煤灰，水化放热速率峰值分别降低23.7%、33.9%、43.0%、57.5%，而7 d龄期水化热分别降低20.9%、30.1%、43.0%、51.5%，降低的比例略大于粉煤灰掺量。由此可见，粉煤灰未参与水化反应。

图3 单掺二级粉煤灰混凝土水化热试验结果Fig.3 Test results for the heat of hydration of the concrete only with secondary fly ash

3.2 绝热温升

图4是PⅠ硅酸盐水泥掺30%、40%、50%、60%粉煤灰配制混凝土的绝热温升试验结果。随粉煤灰掺量增加绝热温升降低，降低百分率略低于粉煤灰取代率。随粉煤灰掺量增加绝热温升速率峰值降低，放热峰推迟。掺量每增加10%，放热峰延迟约1h。水泥水化峰值后2~3 h明显可见粉煤灰放热峰。粉煤灰颗粒均匀分散于水泥浆体中，改善水泥颗粒水化环境促进水泥早期水化。上述分析说明，粉煤灰活性不高，水化特性比水泥平缓，可有效改善胶材水化历程，可有效降低胶材放热峰值并延迟峰值出现时间，这对于延缓大体积混凝土集中放热效果显著。粉煤灰取代水泥用量越大，放热峰值衰减和延迟出现的效果越明显。

3.3 水化热与绝热温升对比分析

图4 单掺二级粉煤灰混凝土绝热温升试验结果Fig.4 Test results for the adiabatic temperature rise of the concrete only with secondary fly ash

粉煤灰对水化热和混凝土绝热温升影响见表3、表4。水化热试验与绝热温升试验结果吻合，随粉煤灰掺量增加水化热和绝热温升降低，但降低幅度有较大区别。根据图5粉煤灰掺量对水化热和绝热温升影响，粉煤灰掺量相同时，水化热降低更多，随粉煤灰掺量增大水化热峰值出现时间延长更为明显。水化热试验环境温度20±2℃，而绝热温升试验中混凝土与环境不存在热交换，随试验进行温度不断升高。不同试验条件导致水化热和绝热温升试验中粉煤灰活性发挥存在差异，根据绝热温升试验结果可以说明粉煤灰对绝热温升有贡献，而水化热试验中看不出粉煤灰对水化热数据的影响。对于大体积混凝土工程而言，绝热温升试验条件与结构内部更接近，数据对实际工程更具指导意义。

表3 水泥水化热试验结果Table 3 Test results for the heat of hydration of cement

表4 混凝土绝热温升试验结果Table 4 Test results for the adiabatic temperature rise of concrete

图5 粉煤灰掺量对水化热和绝热温升影响Fig.5 Influences of fly-ash amount on the heat of hydration and adiabatic temperature rise

4 结语

研究发现粉煤灰混凝土在标准养护条件下早期强度发展缓慢，而在变温养护条件下早期强度发展迅速。变温条件下粉煤灰混凝土强度发展的试验对于监测大体积混凝土内部强度发展具有应用的实际意义。通常以标准条件养护试块监测大体积混凝土的强度发展是值得商榷的，充其量只能反映混凝土配合比的合理性，难以表征大体积混凝土内部强度的实际发展情况。在绝热温升试验中发现粉煤灰水化放热峰，从机理上证实了大体积混凝土内部粉煤灰二次水化反应，粉煤灰可以在大体积混凝土工程中充分发挥高温条件参与水化的特性，并且对于降低混凝土绝热温升改善胶凝材料水化历程优势明显，可提高大体积混凝土工程质量。

[1]PLOMEN J M.Maturity and strength of concrete[J].Magazine of Concrete Research，1956（22）：13-22.

[2]PRICE W H.Factors influencing concrete strength[J].Journals of the ACI，1974（9）：436-444.

[3]MIDORN G.Concrete durability&resource economy[J].Concrete International，1991，13（7）：18-23.

[4]覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用技术[J].商品混凝土，2006（2）：13-18. TAN Wei-zu.Application technology of fly ash in concrete[J]. Ready-mixed Concrete，2006（2）：13-18.

[5]阎培渝，王强.变温条件下粉煤灰对混凝土抗压强度的影响[J].混凝土，2008（3）：1-3. YAN Pei-yu，WANG Qiang.Influence of fly ash on the compressive strength of concrete under temperature match curing conditions[J].Concrete，2008（3）：1-3.

Research on the action mechanism of fly ash in mass concrete

WANG Dong-dong1，JIN Jian-chang2，TIAN Wei-li2，WANG Cheng-qi1
（1.Shanghai Third Harbor Engineering Science&Technology Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China；2.CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）

This paper studies the strength development of fly ash concrete in standard curing condition and under variable temperature curing condition.The result reflects that the early strength of fly ash concrete develops slowly under the standard curing condition while grows rapidly under variable temperature curing condition.The comparative study of influence by fly ash on hydration heat and adiabatic temperature rise shows that the fly ash can significantly reduce the hydration heat and adiabatic temperature rise，and the exothermic peak of fly ash hydration is found in the adiabatic temperature rise test but is not found in the hydration heat test.

fly ash；variable temperature curing；strength development；heat of hydration；adiabatic temperature rise

U654

：A

：1003-3688（2014）03-0043-04

10.7640/zggwjs201403008

2013-10-21

2013-12-24

汪冬冬（1980— ），男，黑龙江齐齐哈尔市人，高级工程师，项目负责人，从事高性能混凝土、结构耐久性及预应力混凝土管桩研究。E-mail：wdd8449@163.com