泵送粉煤灰混凝土回弹测强曲线特性

张豫川,王茂杰,王亚军,辛明静,高志远

(兰州大学a.西部灾害与环境力学教育部重点实验室;b.土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000)

泵送粉煤灰混凝土回弹测强曲线特性

张豫川a,b,王茂杰a,b,王亚军a,b,辛明静a,b,高志远a,b

(兰州大学a.西部灾害与环境力学教育部重点实验室;b.土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000)

通过对不同强度等级、不同粉煤灰掺量的泵送混凝土标准立方体试块进行抗压、回弹、碳化试验,研究各测试数据随龄期的变化规律,根据常用曲线形式进行测强曲线拟合并分析其与普通混凝土统一测强曲线的区别.试验表明:混凝土各测试数据的发展受粉煤灰影响不同而呈现不同规律,掺量高的低强混凝土抗压强度发展慢,回弹发展快,碳化深度大;而掺量低的高强混凝土抗压强度发展快,回弹发展慢,碳化深度低.该现象的内在原因为掺量低时粉煤灰微集料效应为主,抗压强度提高明显;掺量高时粉煤灰低活性限制抗压强度增长,而回弹值提高明显.各测试数据的发展规律不同造成曲线拟合误差大,分析建议将胶凝材料含量＞400 kg/m3、粉煤灰掺量≤20%的高强混凝土的回弹值适当增大后拟合,可得到满足地区曲线的精度要求的统一曲线.

泵送混凝土;粉煤灰;测强曲线;抗压强度;微集料效应;低活性

随着大流动性泵送商品混凝土在大中城市的广泛应用[1],国家《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T 23—2011在普通混凝土回弹测强曲线基础上给出了统一的泵送混凝土回弹测强曲线,但我国幅员辽阔,各地区材料性质不同,使用全国基准曲线误差较大,因此急需建立地方专用测强曲线.近年来,浙江省和河北保定地区[23]等省市已建立了适合当地的泵送混凝土测强曲线,而在西北特殊的干旱、半干旱环境中,仍未建立适应当地情况的混凝土技术规程.

在西北特殊的气候条件下,由于地区泵送混凝土中大量掺用粉煤灰,部分现场反映国家推荐的泵送混凝土测强曲线与实际情况存在较大差异.已有关于泵送混凝土中掺入粉煤灰的研究表明,由于粉煤灰的低活性破坏了混凝土的碱性环境,使其早期碳化速度较快[4],产生的胶结物减少,粉煤灰微集料效应、环境干湿循环[5]等均会影响混凝土抗压强度和回弹值,这些都将影响混凝土测强曲线的形式[67].本文通过对不同粉煤灰掺量、不同强度等级混凝土标准试块进行抗压、回弹、碳化测试,进行数据统计分析、测强曲线拟合及其特性研究,为地区混凝土技术规程提供可靠依据.

1 试验及数据处理

1.1 试验原材料

水泥为P.O 42.5,各性能指标均满足要求;细骨料为中砂(洗砂),细度模数为3.0～2.3,平均粒径为0.5～0.25 mm;粗骨料为卵石或碎石,粒径范围5～31.5 mm;粉煤灰采用市售二级粉煤灰,技术指标满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005要求;减水剂为高效萘系减水剂.

1.2 试件制作及测试

试件由4家商用混凝土公司制作,设计强度C20、C25、C30、C40、C50、C60,单掺粉煤灰量10%～35%,粗骨料分为卵石、碎石,各强度等级均制作了14、28、60、90、180、360 d共6个龄期,各龄期制作至少6个标准试件,试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm.试件配合比为当地常见配合比(见表1),混凝土满足泵送混凝土塌落度要求,每一强度等级所有试块采用同日、同盘、同环境浇筑而成,试件成型24小时脱模并采用自然养护.

表1 粉煤灰混凝土配合比Table 1 Mixture proportions of fly ash concrete

试验采用冲击能量2.207 J的混凝土回弹仪对混凝土干燥、平整侧面进行回弹测试,并按要求计算试件平均回弹值R,计算结果精确至0.1 MPa.回弹测试完毕后将混凝土回弹测试面放置在压力机上进行抗压强度(F)试验,计算结果精确至0.1 MPa.试件抗压试验破坏后,随即在试块断裂面边缘滴入2%酚酞酒精溶液,用碳化深度测定仪测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离,即碳化深度d,每个回弹面至少测试2个并取平均碳化深度值,计算精确至0.5 mm.

1.3 有效数据统计

试验混凝土共1704块(粗骨料为卵石的648 块,碎石的1 056块),根据格拉布斯准则,取危险率α=0.05,对同一组混凝土回弹值和抗压值进

2 测试数据规律

2.1 抗压强度随龄期的发展规律

普通混凝土抗压强度主要受粗骨料和水泥影响,适当的配合比即可使其获得较高的抗压强度,一般在28 d达到设计强度,而添加粉煤灰后,胶结材料总体活性下降,使得混凝土早期强度发展变缓.由图1可知,掺有粉煤灰的混凝土其抗压强度发展时间均延长,其中粉煤灰掺量较大的低强度混凝土抗压强度需要约180 d;而粉煤灰掺量较少的高强混凝土抗压强度也需要60～90 d(如C50,60 d形成强度约50/55=90%).分析认为,粉煤灰对胶凝材料具有稀释作用,粉煤灰掺量越大稀释作用越强,同时粉煤灰活化反应较迟且较慢,导致混凝土达到设计抗压强度所需时间较长,尤其粉煤灰掺量较大时混凝土强度发展更缓慢[

910],相比之下可认为,高强度混凝土抗压强度发展快而低强度混凝土抗压强度发展慢.图1中高强度混凝土的抗压强度在360 d略有下降,分析原因为与当地自然养护环境的早晚温差、湿度差大(最大日温差可达15℃,湿度变化达10%,类似干湿循环现象)造成混凝土劣化损伤有关[5].

图1 实测抗压强度平均值随龄期发展情况Fig.1 The development of measured average compressive strength with age

2.2 回弹值随龄期发展规律

普通混凝土回弹值的发展与混凝土抗压强度的发展较为同步,而掺有粉煤灰的混凝土回弹值发展期延长且出现不同情况:C20、C25、C30混凝土回弹值发展快,在90 d时接近峰值;而C40、C50、C60混凝土回弹值要至180 d才接近峰值且早期回弹较小,见图2.分析其原因为低强度混凝土粉煤灰掺量大,其形态效应、微集料效应可减少混凝土内部孔隙[1112],提高早期混凝土密实度和回弹值,同时高掺量粉煤灰导致混凝土表面碳化较早,促成其回弹值在90 d内达到峰值.高强混凝土胶凝总量多而粉煤灰掺量小,活性反应生成胶结物多可提高混凝土抗压强度,但其配合比中用水量略多,导致早期(90 d内)混凝土反应时内部微孔隙多、回弹值较小,其回弹值发展更多依靠后期胶结物逐渐充填孔隙而变得密实,因此回弹发展时间延长.

图2 实测回弹值平均值随龄期发展情况Fig.2 The development of measured average rebound value with age

上述分析可得,混凝土强度不同时回弹值和抗压强度发展规律不一致,低强度混凝土抗压强度发展较慢、回弹值发展较快;而高强度混凝土的抗压强度发展较快、回弹值发展较慢.参数发展规律不同将引起曲线拟合误差增大.

2.3 碳化深度随龄期发展规律

由于粉煤灰混凝土中碱储备较低,且在早期未凝结前渗透性较大[1113],所以碳化速度快,早期碳化值较普通混凝土偏大,粉煤灰掺量较高时更加明显,这与碳化深度随龄期的发展规律相符:低强度混凝土(C40以下)碳化比高强度混凝土发生的早且数值更大,见图3.数据分析还发现,不同粗骨料对混凝土碳化的规律影响基本相同,仅在180～360 d期间,粗骨料为碎石的混凝土碳化略快于粗骨料为卵石的混凝土.

图3 实测碳化深度平均值随龄期发展情况Fig.3 The development of measured average carbonation depth with age

3 回弹测强曲线特性研究

3.1 测强曲线主要形式

根据目前测强曲线拟合所用函数,本文采用具有代表性的两种测强曲线,形式为[14]:

式中,fcu为混凝土的抗压强度值,MPa;R为回弹平均值,MPa;d为碳化深度,mm;A、B、C为待定系数.

回归方程的待定系数由最小二乘法计算,强度平均相对误差δ和强度相对标准差er可以由下式计算[15]:

3.2 数据拟合及特性研究

已有研究表明,水泥品种、细骨料、成型方法等对普通混凝土回弹测强无明显影响,用碳化深度即可修正回弹值和混凝土抗压强度值之间的关系,即通过曲线(1)可得出满足精度的测强曲线,但泵送混凝土仅进行碳化修正后,拟合曲线的平均相对误差和相对标准差仍未达到规范要求,见表2.按龄期区分时曲线误差也较大,文献[ 6 7]中将数据按碳化深度不同拟合成多条曲线,但应用较不方便.

表2 回弹法测强曲线及误差计算(F=17.1～65 MPa) Table 2 The strength-measuring curve of rebound method and error calculation(F=17.1～65 MPa)

本试验数据按强度段进行曲线拟合,只有F =35 MPa附近混凝土试件不能满足误差要求,这是由于此段的数据包括了低强度高龄期和高强度低龄期两部分试件.“数据规律”已分析,混凝土抗压强度和回弹值发展规律在高强度和低强度混凝土不一致.如果按高强度和低强度对数据进行分段拟合,结果就非常理想,见表3.此结果从试验数据在matlab三维图中拟合成的曲面中也能看出,数据分布呈分段性:抗压强度＜35 MPa,数据沿着B曲面波动;强度≥35 MPa,数据沿着A曲面波动,两曲面都较普通混凝土的国家统一曲线平缓,但平缓程度类似,形如图4.

Ramezanianpour和Atis[1617]研究认为,泵送混凝土中拌合物浆体富余、石子粒径偏小及混凝土的砂浆包裹层偏厚等特点会导致混凝土表面强度较低,若使用普通混凝土测强曲线,会使混凝土抗压强度小于实际值.徐国孝、崔士起[2,18]等人也分别研究了泵送混凝土和塑性混凝土的抗压强度和回弹值关系,认为泵送混凝土使用了泵送剂、粉煤灰等掺合料,使混凝土立方体抗压强度提高,而回弹值趋缓.同时胶凝材料比例增加、砂率增加等都使泵送混凝土回弹值偏低.但本试验所得测强曲线出现分段,见图4,即文献[1,1315]中回弹偏小的现象仅发生在高强混凝土中.曲面A代表的高强混凝土试验数据,其配合比中胶凝材料含量均＞400 kg/m3,水泥量均≥350 kg/m3,粉煤灰掺量绝大多≤20%;而曲面B代表的低强度混凝土试验数据,其配合比中胶凝材料含量均＜400 kg/m3,水泥量均＜350 kg/m3,粉煤灰掺量绝大多＞20%.试验中混凝土砂率变化不大,所以胶凝材料不同(尤其是粉煤灰)应是泵送混凝土测强曲线分段的主要影响因素.

表3 曲面A、B的形式及误差Table 3 The form and error of surface A and B

图4 试验数据与普通混凝土国家统一曲线的比较Fig.4 Comparison of test data and ordinary concrete national unity curve

3.3 胶凝材料对曲线的影响分析

试验用的掺粉煤灰的泵送混凝土与普通塑性混凝土相比(图4),其砂率大但变化幅度小,而胶凝材料变化幅度大.对于低强度混凝土,其胶凝材料总量小且粉煤灰掺量较大,粉煤灰导致混凝土表面碳化明显,造成回弹值的提高幅度大于抗压强度,因此其波动曲面B较平缓;强度高的混凝土因胶凝材料总量大且粉煤灰掺量小,粉煤灰的微集料效应起主要作用并可提高混凝土密实性,与普通混凝土相同回弹值情况下可大幅提高抗压强度,同时胶凝材料总量提升、混凝土微孔隙多等原因使混凝土回弹值未继续增大,因此导致图4所示的试验数据分段.从表3的分段拟合中发现,曲线待定系数和曲率大都相近,仅起点不一样,为了得到统一测强曲线,可对高强混凝土回弹值进行适当增大并拟合.

3.4 增大回弹值法拟合曲线

为获得泵送粉煤灰混凝土的统一回弹测强曲线,现根据高强混凝土回弹值滞后情况进行回弹补偿或回弹值增大处理,本文将胶凝材料含量＞400 kg/m3、粉煤灰掺量≤20%的高强混凝土的回弹值数据乘以适当增大系数,以将曲面A向右平移到曲面B上方,其中回弹增大系数取1.1、1.15、1.2、1.25,具体结果见表4.

表4 增大回弹值法拟合结果(F=17.1～65 MPa)Table 4 The fitting results of increasing rebound value method

由表4的拟合结果可知,当高强混凝土的回弹值进行适当增大后,曲线误差降低且满足规范对地方规程要求,建议用下列曲线表示混凝土抗压强度和回弹值间的关系(增大系数取1.2):

3.5 现场试验验证

试验后期制备了建筑现场的同条件养护混凝土试件,共计103块,养护龄期14～180 d后进行抗压强度、回弹值和碳化深度的试验,根据本文所得关系曲线进行误差计算得:平均相对误差δ= ±11.92%,相对标准差er=15.88%.说明本文所得关系曲线能较好地反映抗压和回弹值、碳化深度之间的关系.

4 结 语

通过对掺入粉煤灰的泵送混凝土(粉煤灰掺量在10%～35%)标准试块进行抗压强度、回弹值、碳化深度随龄期发展规律的研究,得出如下结论:

(1)3个数据随龄期发展均受粉煤灰掺量影响,掺量高的低强混凝土抗压强度发展慢,回弹发展快,碳化深度大;而掺量低的高强混凝土抗压强度发展快,回弹发展慢,碳化深度低.数据的发展不同步造成曲线拟合时试验数据沿着两个错开的面波动.

(2)比较配合比后判断高强度混凝土中粉煤灰微集料效应明显,相同回弹值下可显著提高混凝土抗压强度,低强度混凝土中粉煤灰的低活性和微集料效应抵消,使回弹值和抗压强度未明显变化.

(3)最后将配合比中胶凝材料＞400 kg/m3、粉煤灰掺量≤20%的混凝土回弹值增大后可建立统一的单掺粉煤灰混凝土回弹测强曲线,误差满足《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T 23—2011的要求.

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【责任编辑:祝 颖】

Characteristics of Rebound Strength Detection Curve of Pumping Fly Ash Concrete

Zhang Yuchuana,b,Wang Maojiea,b,Wang Yajuna,b,Xin Mingjinga,b, Gao Zhiyuan a,b
(a.Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment,Ministry of Education;b.College of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

The standard cubes of pumping concrete with different strength classes and contents of fly ash are cast for the test of compression,rebound and carbonation for research on the development of different test data,fitting the rebound strength detection curve by curve form commonly used,and analyzing difference between our curve and unified detection curve of ordinary concrete.Test shows a different influence of fly ash on data to have a asynchronous development,high content in lowstrength concrete make compressive strength develop slowly,rebound value develop rapidly and carbonation depth great,low content in high-strength concrete have a opposite effect on test data. The underlying reason is micro-aggregate effect of fly ash takes dominant role in low-content concrete and increase compressive strength significantly,while low-activity effect of fly ash in high-content concrete limit the increase of compressive strength whose rebound value still increase because of micro-aggregate effect.The different development law makes fitting error large,suggestion is made to increase rebound value of concrete appropriately whose content of cementing materials is larger than 400 kg/m3and fly ash is less than or equal to 20%to get one measuring curve whose error meet the requirements of technical specification.

pumping concrete;fly-ash;detection curve;compressive strength;micro-aggregate effect;low-activity

2095-5456(2014)01-0070-06

TU 755

A

2013 08 23

张豫川(1963),女,甘肃白银人,兰州大学副教授,硕士生导师.