粉煤灰掺量对混凝土收缩性能影响的试验研究

王新杰，徐 巍，封金财，吴明明

(常州大学土木工程系，江苏常州213164)

收缩是混凝土本身固有的一种重要特性［1］，它主要是由于混凝土内的化学反应和温度降低以及水分发生变化等因素引起的。收缩不仅能发生在混凝土表面，而且在混凝土内部也会发生，大量研究表明超过80%的混凝土非荷载裂缝是由收缩引起的，而混凝土裂缝会直接影响到建筑物的美观甚至有些还会影响到建筑物的安全使用。随着现代混凝土向高强、高性能方向发展，单位体积的混凝土中水泥的含量越来越多，非荷载裂缝在混凝土结构中的所占的比例也逐渐增加。为了减小混凝土的收缩，大量的预拌混凝土中已经掺入粉煤灰等掺合料，现在粉煤灰已经成为现代混凝土的第四组成成分。

目前，关于粉煤灰的掺量对混凝土力学性能研究的较多，对混凝土收缩性能研究的较少，有些研究还出现截然相反的结论，因此，很有必要研究粉煤灰的掺量对混凝土收缩性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料与配比

粉煤灰:常州火力发电厂的Ⅱ级粉煤灰，其主要化学成分和物理性能见表1和表2。水泥:南京龙潭中国水泥厂生产的P.O 42.5级海螺水泥;减水剂:由常州建科院提供;石:石子粒径范围5mm～20mm，其物理性能参数如表3;砂:采用细度模数为2.3的普通河沙，物理性能如表4。

表1 粉煤灰的化学组成 /%

表2 粉煤灰的物理性能 /%

表3 碎石的物理性能

表4 砂的物理性能

本次试验保持混凝土的骨料含量、砂率、胶凝材料的总量不变，通过改变粉煤灰掺量研究粉煤灰对混凝土在28d龄期内的收缩影响。试验取0、10%、20%、30%、50%五种不同粉煤灰掺量。具体的配合比见表5。

表5 不同粉煤灰掺量混凝土的配合比

1.2 试验方法

试验方法和收缩值的测定均参照GB/T 5008-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的接触性方法进行。

2 结果与分析

2.1 不同粉煤灰掺量混凝土的收缩

粉煤灰作为矿物掺合料取代水泥，节约成本的同时对混凝土的耐久性能也能起到一定的改善作用，不同粉煤灰掺量混凝土在早期28d内的自收缩和总收缩如图1和图2。由图1、2可看出不同粉煤灰掺量的混凝土在龄期3d内自收缩和总收缩都发展较快，之后趋势逐渐趋于平缓;此外混凝土的自收缩和总收缩都随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小。可以发现粉煤灰无论是对混凝土的自收缩还是总收缩都可以起到一定的抑制作用。

图1 不同粉煤灰掺量混凝土的自收缩

图2 不同粉煤灰掺量混凝土的总收缩

不同粉煤灰掺量对混凝土自收缩占总收缩比例的影响如图3，由图3可看出粉煤灰含量的增加，自收缩占总收缩的比例也越来越大，粉煤灰掺量为0、10%、20%、30%、50%的混凝土在龄期3d时自收缩占总收缩的比例分别为46.63%、46.89%、52.2%、56.02%、63.35%。同时还可以看出龄期对不同粉煤灰混凝土自收缩占总收缩比例的影响不大。

图3 粉煤灰掺量对自收缩占总收缩比例的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的干燥收缩如图4，由图4可看出随着龄期的增加，混凝土的干燥收缩随粉煤灰掺量的增大而逐渐减小。粉煤灰掺量为0、10%、20%、30%、50%的混凝土在龄期7d时的干燥收缩分别为235×10-6mm、186×10-6mm、152×10-6mm、93×10-6mm、63×10-6mm，可以发现在同龄期掺粉煤灰的混凝土与不掺的相比收缩性能得到改善。

图4 不同粉煤灰掺量混凝土的干燥收缩

2.2 机理分析

混凝土发生自收缩主要是因为在绝湿状态下，胶凝材料水化吸收混凝土毛细管中的水分，毛细管在失水后处于真空状态，继而管壁周围的混凝土受到拉应力，最终产生收缩变形。粉煤灰是具有一定微集料效应的活性较低的矿物掺合料，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰，硬化初期未水化的粉煤灰起到了微集料填充作用并且增大了混凝土中的实际水灰比可以有效的降低水泥矿物引起的自收缩［2、3］。干燥收缩主要是由混凝土中的自由水、毛细孔水和凝胶水蒸发引起的，掺入粉煤灰的混凝土和基准混凝土相比其水化产物大大减少，并且活性较低的粉煤灰细化了混凝土中水泥水化产生的孔隙，甚至其有些微细颗粒还能对水分流动形成障碍，减少水分蒸发［4、5］。

粉煤灰的火山灰效应对抑制混凝土的收缩也能起到一定的作用，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，其与水泥反应会生成Ca(OH)2，之后Ca(OH)2与粉煤灰颗粒发生火山灰效应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙能阻塞水泥石中的孔道，细化孔径，降低孔隙率，在混凝土增强强度的同时也增强了混凝土对收缩变形的抵抗能力［6、7］。

3 结论

在混凝土中掺入一定量的粉煤灰能有效的改善混凝土的耐久性，对混凝土的自收缩、总收缩和干燥收缩都有一定的抑制作用，粉煤灰的火山灰效应在增强混凝土强度的同时也能增加混凝土抵抗收缩变形的能力。但掺入过多的粉煤灰会降低混凝土的早期强度，同时还会加大混凝土早期自收缩占总收缩的比例，所以对粉煤灰的利用要选取一个合适的取代量。

［1］ 黄国兴，惠荣炎，王秀君.混凝土的徐变与收缩［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［2］ 张小伟，肖瑞敏等.粉煤灰掺量对混凝土收缩的影响及作用机理分析［J］.混凝土与水泥制品，2005，144(4):14-17.

［3］ 汪潇，王宇斌，杨留栓，朱新锋.高性能大掺量粉煤灰混凝土研究［J］.硅酸盐通报，2013，32(3):523-527，532.

［4］ Zheng J J，Du X L，Yan W M，et al.Experiment Study on Capillary Absorption of Fly Ash Concrete at Different Curing Ages［J］.Advances in Materials Research，2012，450-451:78-81.

［5］ Atis C D.High-volume fly ash concrete with high strength and low drying shrinkage ［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15(2):153-156.

［6］ 鲁丽华，潘桂生，陈四利，张月.不同掺量粉煤灰混凝土的强度试验［J］.沈阳工业大学学报，2009，31(1):107-111.

［7］ 王能，吴恺.粉煤灰的掺量对混凝土耐久性能的影响［J］.中国水运，2013，13(12):340-342.