粉煤灰掺量及水胶比对混凝土早龄期性能影响试验研究

赵剑　庄金平　马永超　吴敏

(1.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室(福建工程学院)　福建福州　3501082. 福州大学　福建福州　350108)



粉煤灰掺量及水胶比对混凝土早龄期性能影响试验研究

赵剑1,2庄金平1马永超1,2吴敏1

(1.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室(福建工程学院)福建福州3501082. 福州大学福建福州350108)

采用正交试验方法，分析了粉煤灰掺量及水胶比对混凝土早龄期强度以及早期静力受压弹性模量的发展规律的影响。试验表明，混凝土早期弹模受粉煤灰掺量影响较大，且在0～4d，弹模有较快的增长，4d以后增长放缓。采用回归分析方法，给出粉煤灰掺量分别为15%、25%和35%的C45混凝土早龄期弹性模量预测公式。

混凝土；早龄期强度；早龄期弹模；试验

根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》[1]规定，在普通钢筋混凝土中，粉煤灰最大掺量不宜超过35%，本文通过试验，主要研究了粉煤灰掺量在15%～35%的C35、C40、C45的混凝土分别在2d、4d、7d、14d和90d的立方体抗压强度和静力受压弹性模量的发展规律，并通过统计和回归分析方法，得到预测其早期弹性模量的经验公式，以供工程应用及研究参考。

1　试验原材料

水泥：海螺425普通硅酸盐水泥。实测强度fce=46MPa。

砂：闽江清水河砂，表观密度2640kg/m3，细度模数2.6，属于细砂，级配符合要求。

石：碎石，表观密度2712kg/m3，骨料公称粒径5～16mm，连续级配。

粉煤灰：长乐江阴电厂二级粉煤灰。

2　实验方案

参考《普通混凝土配合比设计规程》[2]进行混凝土配合比设计。根据正交对比方法设计对比组，实验变量为水胶比和粉煤灰掺量，分组情况如表1所示。试验龄期分为2、4、7、12d和90d。每一龄期各组试块各准备6个，其中3个立方体试块(150×150×150mm)，用于测试立方体抗压强度，3个棱柱体试块(150×150×300mm)，用于测弹性模量。试块采用标准养护。测试仪器采用弹性模量测定仪，弹性模量测定仪的上下环标距150mm，上下环和棱柱体混凝土试块的上下断面距离75mm。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[3]规定，在测量弹性模量前先进行相应的立方体试块的抗压强度。弹性模量计算公式如式1所示。各龄期实测弹性模量及立方体抗压强度如表2所示。

(1)

其中，Ec为弹性模量，P2为40%的极限破坏荷载，P1为应力0.5MPa时的荷载，A为试件截面面积，L为上下环标距，ΔL为应力从0.5MPa增加到40%极限破坏应力时的试件变形。

表1　各组对比参数

表2　各龄期混凝土立方体抗压强度及弹性模量

3　试验结果与分析

3.1早龄期立方体抗压强度

从图1中可以看出，总体上混凝土早期强度发展受水胶比影响较大，对于越低的水胶比，其立方体抗压强度增长越快。而且从强度发展规律来看，对于粉煤灰掺量同为25%的组G1、G2和G3，其强度在0～4d内有一个较快的发展，且水灰比越小强度增长越快。对于4d之后各组强度增长均逐步趋于平缓，而且从图1中还可以看出，7～14d的强度增长速率G3>G2>G1，也即水灰比越大增长速率越快。

另外，图2中不同粉煤灰掺量组G3、G4和G5的对比可以发现，粉煤灰掺量对混凝土早期抗压强度的发展有一定影响。对于低粉煤灰掺量组G4，其前期强度发展比G3和G5发展得快。这是由于混凝土强度主要受到水化作用影响，在混凝土早期硬化阶段，主要发生的是水泥熟料矿物的水化反应。另外，从图2中可以发现，7d后，粉煤灰掺量较高的组强度增长速度相对会快一些，但总体上G3和G4的强度仍然略高于G5组。这是由于在这一阶段水泥熟料矿物的水化反应开始逐步减少，强度增长速率开始变缓。但是，从表2中水胶比相同的组G3、G4和G5的90天立方体抗压强度对比可以看出，由于后期粉煤灰发生二次水化反应使得粉煤灰掺量高的组有相对较强的后期强度增长，各组的后期强度基本比较接近。

图1水胶比对早期强度的影响

图2粉煤灰掺量对早期强度的影响

3.2早龄期弹性模量

弹性模量也是混凝土的重要参数。从图3中可以看出，在0～7d，水胶比对混凝土早期弹性模量有比较显著的影响，水胶比越大，弹性模量越小，增长速度也较小，对于7～14d则影响不大。而且从表2可以看到，对于最终的90d弹性模量，水胶比越大，弹性模量越小。

图3水胶比对早期弹模的影响

图4粉煤灰掺量对早期弹模的影响

a.粉煤灰掺量15%拟合 b.粉煤灰掺量25%拟合 c.粉煤灰掺量35%拟合图5　不同粉煤灰掺量下的公式拟合结果

另外，从图4中可以看到，混凝土早期弹模受粉煤灰掺量影响较大。总体上，在0～7d，粉煤灰掺量少的组其弹模增长速度较快，但7～14d，粉煤灰掺量不同的组G3、G4和G5的弹模增长速率趋同，而且从表2可以看到，同水胶比的组最终弹模比较接近。这主要是由于混凝土的弹模发展主要受到水化作用的影响，因此，和粉煤灰掺量对早期强度的影响情况类似，早期的硬化速率主要受到水泥的熟料矿物的水化反应程度的影响，粉煤灰掺量越高，其早期的水化反应速率越低，随着反应的进行，参与水化的材料逐渐减少，水化速率逐渐降低，因此弹模增长速率放缓，但是后期由于粉煤灰的二次水化反应，生成的C-S-H凝胶填充到各孔隙中，使结构变得更加致密，最终使得不同粉煤灰掺量的三个组的最终弹模基本相近。同时，对比图3和图4发现，粉煤灰掺量对早期弹模的影响要高于水胶比的影响。

基于上述观察，构造一个指数函数和线性增长函数的组合函数来对弹性模量的增长情况进行数据拟合。对于C45混凝土，通过回归分析方法分别给出了当粉煤灰掺量为15%、25%和35%时的早期弹模计算公式，分别如式2、式3和式4所示：

Ec=14.58×(1-e-0.666t)+0.208t

(2)

Ec=15.69×(1-e-0.866t)+0.173t

(3)

Ec=13.61×(1-e-0.559t)+0.23t

(4)

其中Ec为混凝土抗压弹性模量，t为龄期。公式拟合效果如图5所示。

上述回归公式均能较好地吻合早龄期混凝土弹模增长规律，且按照公式计算得到的90d弹模也均与实验数据吻合良好，偏差均不超过5%，可以作为相关研究以及工程应用参考。

4　结论

(1)粉煤灰掺量为15%～35%的C35、C40和C45混凝土在0～4d立方体抗压强度有较快的增长，4d以后增长较缓。

(2)粉煤灰掺量对混凝土早期立方体抗压强度的发展有一定影响，越高的粉煤灰掺量其早期强度增长越缓，但对最终的强度影响不大。

(3)在0～7d，水胶比对早期弹性模量有一定影响，但在7～14d则影响不大。

(4)混凝土早期弹模受粉煤灰掺量影响较大，且在0～4d，弹模有较快的增长，4d以后增长放缓。

(5)本文提出的当粉煤灰掺量为15%、25%和35%的C45混凝土早期弹模计算公式可以作为相关工程及研究参考借鉴。

[1]GB/T 50146-2014 粉煤灰混凝土应用技术规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[2]JGJ55-2011 普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]GB/T 50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

Experimental study on the effect of fly ash content and water cement ratio to the early age performance of concrete

ZHAO Jian1,2ZHUANG Jinping1MA Yongchao1,2WU Min1

(1. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering(Fujian University of Technology，Fuzhou 350108;2.Fuzhou University， Fuzhou 350108)

In this paper，the influence of fly ash content and water cement ratio on the early age strength and elastic modulus is studied by means of orthogonal testing method. The experiment result shows that，the fly ash content has great impact on the early age elastic modulus，and the elastic modulus develops rather fast at the beginning 4days，and after that grows slowly. And the predicting formulas of early elastic modulus of C45 concrete with fly ash content 15%，25% and 35% are given by the method of regression analysis，which can provide with some references for engineering application and research.

concrete；early age strength;early age elastic modulus；experiment

福建工程学院本科试验教学教改项目(SJ2013014)；大学生创新创业训练计划项目(201510388027)

赵剑(1988-)，男，助理实验师。

E-mail: zhaojian@fjut.edu.cn

2016-04-14

TU5

A

1004-6135(2016)05-0095-03