粉煤灰和矿粉对再生混凝土徐变性能影响的研究

2017-04-24黄海生郑建岚

福州大学学报（自然科学版） 2017年2期

黄海生，郑建岚

(1.福州大学土木工程学院，福建福州 350116；2.莆田学院土木工程学院，福建莆田 351100；3.福建江夏学院，福建福州 350108; 4.福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心,福建福州 350108)

黄海生1,2，郑建岚1,3,4

设计不同掺量的粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺(比例按1∶1)两种系列共10组试件，研究其对再生混凝土徐变性能的影响.试验结果表明：适量的粉煤灰单掺能有效地抑制再生混凝土徐变的发展，当掺量分别为40%和30%时，对再生混凝土的总徐变和基本徐变抑制效果最优；粉煤灰加矿粉复掺与粉煤灰单掺相比具有相似的规律，且对再生混凝土徐变的抑制效果更佳.以ACI209R徐变预测模型为基础，考虑再生粗骨料、粉煤灰单掺和粉煤灰与矿粉复掺掺量的影响，提出再生混凝土的徐变预测修正模型.

再生混凝土；粉煤灰；矿粉；徐变

0 引言

再生混凝土技术是发展绿色混凝土及实现建筑、资源、环境可持续发展的主要措施之一，该技术正日益引起各国政府、研究界及工程界的高度重视.目前针对再生混凝土的研究都集中在混凝土的结构和构件的受力性能上[1-4]，而对再生混凝土的体积稳定性，特别是再生混凝土长期徐变性能的研究，由于受限于研究实验条件、周期及费用的影响，国内外相关的研究相对较少[5-6].混凝土的徐变性能对于高层建筑、大跨度桥梁、预应力结构和大体积混凝土显得特别重要，世界上曾发生多起由于混凝土徐变造成结构、桥梁倒塌的案例.

国内外一些学者[7-14]进行再生混凝土徐变性能的研究，发现再生混凝土的徐变普遍大于普通混凝土，与基准普通混凝土相比大约增大20%～80%，显然过大的徐变性质影响了再生混凝土体积的稳定性.目前，许多学者研究表明,粉煤灰和矿粉作为混凝土主要的矿物外掺料对混凝土的徐变性能有着重要的影响[15-21]，大部分研究局限于对普通混凝土徐变的影响，而关于采用这两种外掺料来改善再生混凝土徐变性能的研究还鲜有报道，所以有必要研究清楚粉煤灰和矿粉对再生混凝土徐变的影响规律和作用机理.为推动再生粗骨料的使用，在不严重降低混凝土性能的基础上，本文选用再生粗骨料取代率高的再生混凝土，研究粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺对其徐变性能的影响规律，找出有助于改善再生混凝土徐变的最优配合比.

1 材料和方法

1.1 试验原材料

试验原材料主要有：(1)普通混凝土硅酸盐水泥，强度等级为42.5；(2)二级粉煤灰，其材料性质如表1；(3)粒化高炉矿粉微粉，产品等级为S95级，其材料性质如表1；(4)TW-JS聚羧酸高效减水剂；(5)普通自来水；(6)天然细骨料，细度模数为2.26，表观密度为2 630 kg·m-3；(7)普通天然粗骨料，来自破碎的花岗岩碎石，粒径范围在5～20 mm之间，其主要性能见表2；(8)再生粗骨料，源自福建省三明尤溪段省级干线公路拆除后破碎的废旧混凝土，该道路于1992～1993年建成，2011年7月拆除，其所用混凝土为旧标号200号，相当于现在的混凝土强度等级C18，再生粗骨料粒径控制在5～20 mm，其主要性能见表2.

表1 粉煤灰、矿粉化学成分组成Tab.1 Chemical composition of fly ash and blast furnace

表2 粗骨料的主要性能指标Tab.2 Important performance indexes of coarse aggregate

1.2 配合比

考虑到制作再生粗骨料的废旧混凝土强度较低，本试验的目标是配制出强度达到C30、坍落度达到180 mm以上的再生混凝土.经过试验试配与调整，最终确定10组混凝土配合比，编号分别为：NC、RAC、RAC-F30、RAC-F40、RAC-F50、RAC-F60、RAC-F15-S15、RAC-F20-S20、RAC-F25-S25和RAC-F30-S30(其中NC为基准组即普通混凝土；RAC表示再生粗骨料取代率70%的再生混凝土；F代表粉煤灰，S代表矿粉，如RAC-F30表示粉煤灰取代30%水泥的再生混凝土，RAC-F15-S15表示粉煤灰、矿粉各取代15%水泥的再生混凝土，其余以此类推).各组混凝土配合比具体参数及实测的坍落度如文献[22]所示.

1.3 搅拌工艺

试验采用净浆裹石搅拌工艺，先将1/2水、减水剂、全部胶凝材料投入搅拌机内搅拌60 s，再投入粗骨料继续搅拌90 s，最后再投入细骨料与剩余水搅拌60 s，出料后制成混凝土试件.

1.4 试件设计

本次试验共配制了10组共计40个100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，每组试件包含4个棱柱体(2个密封，2个未密封)，分别用于混凝土的徐变加载试验和收缩对比试验.每组再生混凝土还同期配制了12个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件、15个150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，分别用于测试不同龄期的再生混凝土的力学性能.力学试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2002)》[23]进行，力学试验结果见文献[22].

1.5 试验方案

图1 混凝土压缩徐变试验装置Fig.1 Compressive creep test apparatus

为了使试验具有可比性，再生混凝土徐变试验按照国标《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法(GB/T 50082-2009)》[24]进行设计，试件拆模后对于自生收缩试件与基本徐变试件立即进行密封处理，先采用热熔的石蜡对试件进行密封，后为确保密封效果在石蜡密封完成之后立即用两层塑料薄膜包裹于试件表面.

再生混凝土试件养护28 d完成后移入温度为(20±2)℃、相对湿度(60±5)%的恒温恒湿室内进行混凝土徐变试验.采用四杆徐变仪(如图1)加载，徐变试验加载应力比为0.4，通过机械千分表对试件双面进行测量，持荷时间为360 d，试件通过扣除对比混凝土的自生收缩和干燥收缩得到再生混凝土的总徐变和基本徐变[25].试验过程中应根据试验进度即时检查持荷情况以防止压应力松弛对试验的影响，当发现荷载变化超过±2%时及时补足.

2 试验结果及其分析

2.1 粉煤灰单掺对再生混凝土徐变性能的影响

粉煤灰单掺对再生混凝土总徐变的影响如图2所示.从图2可以看出：RAC组的总徐变度明显大于NC组，当持荷时间为360 d时，RAC组的总徐变度是NC组的1.449倍，这是由于再生粗骨料表面附着有较多的老旧砂浆，老旧砂浆弹性模量低，吸水率大，导致再生混凝土的总徐变度明显比普通混凝土大；持荷时间为360 d时，RAC-F30组、RAC-F40组和RAC-F50组的总徐变度相比RAC组，分别下降了10.8%、15.6%和3.8%，显然粉煤灰掺量40%的RAC-F40组对再生混凝土的总徐变度的抑制效果最佳，值得注意的是RAC-F60组的总徐变度反而比RAC相的总徐变度增加了6.2%.可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，再生混凝土的总徐变度先减小后增大.

再生混凝土的基本徐变度随持荷时间的变化如图3所示，可以看出：持荷时间为360 d时，RAC组的基本徐变度是NC组的1.445倍，与总徐变度的增幅基本相当，RAC-F30组和RAC-F40组相比RAC组的基本徐变度分别下降了21.1%和16.3%，而当粉煤灰掺量继续增大时，RAC-F50组和RAC-F60组反而分别比RAC组增加了0.1%和8.9%.可见随着粉煤灰掺量的增加，再生混凝土的基本徐变度逐渐增大.

从上面分析可知，适量的粉煤灰可以明显改善再生混凝土的总徐变度和基本徐变度，这是由于粉煤灰具有火山灰效应，生成的水化产物能够有效填充再生混凝土中的孔隙，从而减小混凝土的徐变，但当粉煤灰掺量过大时，引起混凝土强度的下降，从而导致混凝土徐变的增加.

图2 粉煤灰掺量对再生混凝土总徐变度的影响Fig.2 Influence of fly ash replacement rates on specific total creep of RAC

图3 粉煤灰掺量对再生混凝土基本徐变度的影响Fig.3 Influence of fly ash replacement rates on specific basic creep of RAC

2.2 粉煤灰加矿粉复掺对再生混凝土徐变性能的影响

不同粉煤灰加矿粉复掺掺量对混凝土总徐变度的影响如图4所示，持荷时间为360 d时，RAC-F15-S15组、RAC-F20-S20组和RAC-F25-S25组的总徐变度分别比RAC组减少了13.8%、23.8%和15.0%，外掺料掺量为40%的RAC-F20-S20组对再生混凝土总徐变的抑制效果最佳，而RAC-F30-S30的总徐变度比RAC组增加了2.2%.可见随着粉煤灰加矿粉复掺掺量的增加，再生混凝土总徐变度先减小后增大.

粉煤灰加矿粉复掺掺量对再生混凝土基本徐变度的影响如图5所示，持荷时间为360 d时，RAC-F15-S15组、RAC-F20-S20组和RAC-F25-S25组分别比RAC组减少了22.6%、20.1%和10.7%，而RAC-F30-S30组比RAC组增加了1.4%.可见随着粉煤灰加矿粉复掺掺量的增加，再生混凝土基本徐变度逐渐增大.

图4 粉煤灰加矿粉复掺掺量对再生混凝土总徐变度的影响Fig.4 Influence of fly ash-slag replacement rates on specific total creep of RAC

图5 粉煤灰加矿粉复掺掺量对再生混凝土基本徐变度的影响Fig.5 Influence of fly ash-slag replacement rates on specific basic creep of RAC

综上分析，可以看出与单掺粉煤灰相似，粉煤灰加矿粉复掺也能够有效抑制再生混凝土徐变的发展，但当掺量过大时，反而引起再生混凝土徐变的增加.

2.3 粉煤灰单掺与粉煤灰加矿粉复掺对再生混凝土徐变性能的影响对比

为了更好地对比粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺对再生混凝土徐变性能的影响效果，两种掺法对再生混凝土总徐变度和基本徐变度影响的对比如图6所示.可以看出：360 d持荷时间，外掺料取代率为30%、40%、50%和60%时，粉煤灰加矿粉复掺比粉煤灰单掺总徐变度分别减少了3.4%、9.7%、11.6%和3.8%，基本徐变度分别减少了3.1%、4.5%、10.9%和6.8%.可见粉煤灰加矿粉复掺相比粉煤灰单掺对减小再生混凝土的徐变度具有更好的效果，其中当掺量50%时，粉煤灰加矿粉复掺对减少再生混凝土的徐变效果较为明显.这是由于矿粉加粉煤灰复掺而使复合材料具有“超叠效应”，对于再生混凝土徐变性能的改善具有双掺优势.

图6 不同单掺和复掺掺量下的再生混凝土360 d徐变度Fig.6 Specific creep of RAC with two different series of concrete mixtures methods,test age is 60 d

3 再生混凝土受压徐变预测模型

图7 NC组徐变试验值与各预测模型计算值对比Fig.7 Comparison between calculating results and experimental data with NC

建立混凝土徐变的预测模型需要大量的试验数据，目前在国际上影响较大且使用较为普遍的预测模型有ACI209R模型、MC90模型、GL2000模型、B3模型等[16]，各种计算模型所考虑的影响因素不尽相同，适用范围也有所区别，但只适用在普通混凝土中.本试验由于在混凝土中掺入了再生粗骨料和矿物掺和料，显然上述模型已不适用，需进行修订.NC组混凝土徐变试验值与各预测模型计算值对比见图7，可以看出NC组混凝土试验值与ACI209R模型的计算结果较接近，故选取该模型作为参考模型.

在ACI209R模型的基础上引入2个新的参数，分别表示再生粗骨料与矿物掺和料掺量的影响系数，经多元非线性拟合后见下式.

式中：φ(t,t0)为t0时刻加载的混凝土在t时刻的徐变系数；γla为加载时养护龄期校正系数；γRH为环境相对湿度修正系数；γh为混凝土尺寸影响系数；γs为混凝土坍落度校正系数；γφ为粗细骨料比例的校正系数；γa为混凝土含气量影响系数；A为再生混凝土模型基本修正系数，取值0.772；γr为再生粗骨料取代率影响系数，取值1.198；γw为矿物掺和料修正系数，如下式.

式中：α为粉煤灰的掺量(%)；β为粉煤灰加矿粉1∶1复掺掺量(%).

对于本试验，经过修正后的模型的决定系数R2均达到0.93以上，其预测值与试验值的残差百分比在12.4%以内，即修正后的徐变预测模型可较好地描述粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺掺量对再生混凝土徐变的影响规律.

4 结语

1)70%的再生骨料取代率增大了再生混凝土的徐变，持荷时间为360 d时，再生混凝土的总徐变度相对于普通混凝土，增加了44.9%.

2)适量的粉煤灰单掺或粉煤灰加矿粉复掺可以有效减小再生混凝土的总徐变和基本徐变.对于再生混凝土的总徐变，粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺的最优掺量均为40%.对于再生混凝土的基本徐变，粉煤灰单掺和粉煤灰加矿粉复掺的最优掺量均为30%.

3)粉煤灰加矿粉复掺对减小再生混凝土徐变的效果优于粉煤灰单掺，相对于同等掺量的粉煤灰单掺，粉煤灰加矿粉复掺掺量50%对减少再生混凝土总徐变度和基本徐变度效果最为明显，分别降低了11.6%和10.9%.

4)修订后的ACI209R模型计算结果与试验数据吻合较好，为粉煤灰和矿粉作为再生混凝土外掺料提供有效的技术支持.

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(责任编辑：蒋培玉)

Study on the impact of blast furnace slag and fly ash on creep character of recycled aggregate concrete

HUANG Haisheng1,2,ZHENG Jianlan1,3,4

(1.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116,China; 2.College of Civil Engineering,Putian University,Putian,Fujian 351100,China; 3.Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108,China;4.Coordinative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete of Fujian Province,Fuzhou,Fujian 350108,China)

Two series of recycled aggregate concrete (RAC)mixtures were prepared with fly ash and fly ash-slag (ratio by 1∶1)on the effect of the creep properties,and a total of 10 groups of specimens were produced.The results show that using the right amount of fly ash as a substitute for cement decreases the creep of RAC.In addition,fly ash exhibits the best inhibitory effect on the growth of total creep and basic creep when the replacement rates are 40% and 30%.Compared with fly ash,fly ash-slag has similar law,and had better inhibitory effect on the creep of RAC.Based on the ACI209R creep prediction model,the influence of recycled coarse aggregate and the replacement rates of fly ash and fly ash-slag are considered by the prediction model of RAC.

recycled aggregate concrete; fly ash; slag; creep

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0206

1000-2243(2017)02-0206-06

2016-6-30

郑建岚(1962-)，教授，主要从事高性能混凝土材料和结构研究,jianlan@fzu.edu.cn

国家自然科学基金面上项目(51578153，51378126)，福建省发改委重点项目(TM2012-14)，福建省中青年教师教育科研项目(JA14275)

TU528