膨胀剂掺量及养护时间对大掺量粉煤灰混凝土强度的影响

2014-03-31王祖琦刘娟红侯芳芳

江西建材 2014年12期

王祖琦刘娟红侯芳芳

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083）

随着资源、能源和环境问题的日渐突出，低碳的绿色混凝土成为水泥混凝土可持续发展的必然选择[1-3]。大掺量粉煤灰混凝土作为绿色混凝土的一种在工程中得到了越来越多的应用。国内外学者，试图从降低水胶比、使用高效减水剂[4-6]、控制粉煤灰掺量[7]、补偿收缩[8-11]、平衡内部碱环境[12,13]等方面提高大掺量粉煤灰混凝土的性能。对于利用膨胀剂提高大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度方面的研究也有所涉及[14,15]。但一般研究的龄期较短，粉煤灰掺量较少，所得结论对于大掺量粉煤灰混凝土不一定适用。另一方面，随着建筑工程施工速度的加快、工期的缩短，拆模时间提前，大掺量粉煤灰混凝土早期的养护得不到保障，其性能会受到严重的影响。因此，养护时间的研究对于平衡工程成本和混凝土强度的发展至关重要。

为此，本文研究了较长龄期下，膨胀剂掺量以及养护时间对粉煤灰掺量为50%、60%的混凝土抗压强度的影响，并通过扫描电镜观察了大掺量粉煤灰混凝土在不同养护时间下的内部微观结构和形貌特征，探讨了膨胀剂、养护时间对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度影响的机理，同时得出最佳辅助胶凝材料掺量以及最优养护时间。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅股份有限公司生产的P.O 42.5水泥，标准稠度用水量为27.8%，初凝时间为180min，终凝时间为320min，3d抗折强度为3.9MPa，抗压强度为16.0MPa；28d抗折强度为7.1MPa，抗压强度为49.5MPa。

粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度11.2（45μm筛余量），需水量比102%。

膨胀剂：中国建筑材料科学研究总院研制的HCSA高效混凝土膨胀剂。

骨料：粗骨料为人工碎石，料堆积密度为1510kg/m3，表观密度为2650kg/m3，孔隙率为42.0%；细骨料为天然河砂，堆积密度为1660kg/m3，表观密度为2560kg/m3，孔隙率为42.9%。

减水剂：北京市方兴化学建材有限公司生产的JF-1高效减水剂（固体含量为40%）。

水：自来水。

1.2 试验方法及配合比

保持粉煤灰掺量（50%、60%）不变，改变HCSA膨胀剂掺量（0%、6%、8%和10%）和养护时间（0天，7天，14天，28天），采用200t万能试验机测试边长为100mm的立方体试件不同龄期时的抗压强度。

在HCSA膨胀剂掺量6%、养护时间0天和28天的120天龄期混凝土试件内部取样，在FEI Quanta250环境扫描电镜下观察混凝土内部的微观结构和形貌特征。

其中，养护0天，为成型后直接置于自然环境中，7天拆模后继续放置于自然环境中；养护x天，为成型后棉被覆盖浇水养护至7天拆模，继续放置于标准养护室养护至x天后放置于自然环境中。混凝土试验配合比见表1。

2 试验结果及分析

2.1 HCSA膨胀剂掺量对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响

2.1.1 HCSA膨胀剂掺量对粉煤灰掺量为50%的混凝土抗压强度的影响

粉煤灰掺量为50%时，不同HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗压强度发展曲线如图1所示。由图1可以看出，不同养护时间下，HCSA膨胀剂的掺量从6%增加到10%时，抗压强度均高于未掺加HCSA膨胀剂的混凝土。HCSA膨胀剂掺量为6%时，混凝土抗压强度有明显提高，HCSA膨胀剂掺量为8%的混凝土次之，而膨胀剂掺量为10%的混凝土抗压强度仅稍微有所提高。养护7天时，就70天龄期来看，HCSA膨胀剂掺量为6%时，混凝土抗压强度提高66%；HCSA膨胀剂掺量为8%时，混凝土抗压强度提高32%；HCSA膨胀剂掺量为10%时，混凝土抗压强度提高18%。

原因可能是粉煤灰在水化过程中会消耗掉水泥水化产生的Ca(OH)2，从而使得早期混凝土内部产生较多的孔隙，混凝土的内部结构较为疏松，而膨胀剂水化将会产生较多的膨胀产物和膨胀能，从而很好地填补了由于粉煤灰水化而产生的孔隙和空隙，使得混凝土内部的结构变得致密，从而提高了混凝土的抗压强度。但是，膨胀剂掺量不同会产生不同的膨胀能。8%和10%掺量的HCSA膨胀剂混凝土，膨胀剂可能已经过掺，从而产生了部分有害的膨胀能，对混凝土抗压强度的提高无益。

表1 混凝土试验配合比（kg/m 3）

图1 粉煤灰掺量50%时，不同HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗压强度发展曲线

2.1.2 HCSA膨胀剂掺量对粉煤灰掺量为60%的混凝土抗压强度的影响

粉煤灰掺量为60%时，不同HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗压强度发展曲线如图2所示。由图2可以看出，不同养护时间下，HCSA膨胀剂的适当掺入可以提高混凝土的抗压强度。并且，HCSA膨胀剂掺量为6%时能显著改善大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度，掺量为8%的有一定效果，而掺量为10%的效果不明显，甚至一定龄期下有所降低。养护7天时，就70天龄期来看，HCSA膨胀剂掺量为6%时，混凝土抗压强度提高23%；HCSA膨胀剂掺量为8%时，混凝土抗压强度提高15%；HCSA膨胀剂掺量为10%时，混凝土抗压强度降低3%，说明膨胀剂已经过掺，反而影响了混凝土的抗压强度。

所以在HCSA膨胀剂的工程应用中，为了更好的发挥膨胀剂的膨胀效果，膨胀剂的掺量应有一定的限制，不可过掺。对于粉煤灰掺量为50%、60%的混凝土，HCSA膨胀剂的掺量宜为6%。

2.2 养护时间对掺加6%HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响

图2 粉煤灰掺量60%时，不同HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗压强度发展曲线

图3 不同养护时间下，HCSA膨胀剂掺量为6%的大掺量粉煤灰混凝土抗压强度发展曲线

不同养护时间下，HCSA膨胀剂掺量为6%的大掺量粉煤灰混凝土抗压强度发展曲线如图3所示。养护7天、14天、28天的混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度有一定提高。由图3（a）可知，粉煤灰掺量为50%时，就70天龄期来看，养护7天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高13%，养护14天、28天，混凝土抗压强度提高不明显；由图3（b）可知，粉煤灰掺量为60%时，就70天龄期来看，养护7天、14天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高12%，养护28天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高18%。

原因可能是，粉煤灰掺量为60%时，养护28天保证了水泥、粉煤灰、膨胀剂水化所需的水分和温度得到充分供给，混凝土较为致密，强度得到明显提高；而粉煤灰掺量为50%时，混凝土内部由于粉煤灰水化消耗Ca(OH)2产生的空隙和孔隙较粉煤灰掺量为60%时少，养护14天、28天，膨胀剂由于充足的水分和温度加快了其膨胀作用，产生了过量的膨胀能，对混凝土抗压强度提高反而不利。

在实际的工程应用中，养护时间的增长意味着工程成本的增加，故需要在混凝土强度和工程成本之间寻找出一个平衡点。由分析结果可以看出，对于粉煤灰掺量50%、60%的混凝土，养护7天，均是最优选择。

2.3 扫描电镜（SEM）分析

图4 不同养护时间下HCSA掺量为6%、粉煤灰掺量为50%的120d混凝土SEM图

图5 不同养护时间下HCSA掺量为6%、粉煤灰掺量为60%的120d混凝土SEM图

在足够试样扫描电镜充分选点分析的基础上，结合典型扫描电镜照片对整体微观特征做出如下分析。图4为不同养护时间下HCSA掺量为6%、粉煤灰掺量为50%的120d混凝土SEM图。由图4可以看出，对于HCSA膨胀剂掺量为6%、粉煤灰掺量为50%的膨胀剂混凝土，不养护与养护28天的微观结构形貌和水化产物有着很大的差异。图4（a）中针状及细棒状的钙矾石很少；图4（b）中存在针状及细棒状的钙矾石，呈草丛状，密集地填充与混凝土的孔隙和缝隙中，与周围的C-S-H凝胶交融生长。

图5为不同养护时间下HCSA掺量为6%、粉煤灰掺量为60%的120d混凝土SEM图。由图5可知，对于HCSA膨胀剂掺量为6%、粉煤灰掺量为60%的膨胀剂混凝土，也可以发现前述现象，图5（a）中基本全为C-S-H凝胶，只在缝隙中有少量的丝状钙矾石的生成，而图5(b)中，针状和细棒状的钙矾石密集地分布于混凝土的缝隙当中，且与周围的C-S-H凝胶融为一体。

由此可以得出，养护有利于HCSA膨胀剂膨胀效能的发挥，有利于钙矾石的生成，从而便于形成致密的混凝土内部结构，对混凝土强度的发展起着至关重要的作用。另外，养护也有利于水泥和粉煤灰的水化，有利于C-S-H凝胶与钙矾石交融生成致密的水泥石结构。

结论

（1）适量的HCSA膨胀剂能显著提高大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度。对于粉煤灰掺量为50%、60%的混凝土，HCSA膨胀剂的最佳掺量为6%。

（2）粉煤灰掺量为50%时，就70天龄期来看，养护7天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高13%，养护14天、28天，混凝土抗压强度提高不明显；粉煤灰掺量为60%时，就70天龄期来看，养护7天、14天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高12%，养护28天混凝土抗压强度较不养护的混凝土抗压强度提高18%。

（3）对于粉煤灰掺量为50%、60%的混凝土，掺入6%的HCSA膨胀剂且棉被覆盖浇水养护时，混凝土内部产生针状及细棒状的钙矾石，密集填充在混凝土缝隙中，且与周围的C-S-H凝胶交融生成致密的水泥石结构。

（4）对于粉煤灰掺量为50%、60%的混凝土，同时考虑抗压强度及成本效益，掺入6%的HCSA膨胀剂，棉被覆盖浇水养护7天，效果最佳。

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