粉煤灰掺量对补偿收缩混凝土的影响

武 强，安亚强



粉煤灰掺量对补偿收缩混凝土的影响

武 强，安亚强

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

为了探究粉煤灰掺量对补偿收缩混凝土的强度和限制膨胀率的影响规律，通过对掺有不同粉煤灰掺量的补偿收缩混凝土与基准混凝土进行对比试验研究，得出了能使补偿收缩混凝土达到最大膨胀率的粉煤灰的最优掺量为30%，并得到粉煤灰掺量与补偿收缩混凝土的强度和限制膨胀率的基本规律并对此作了一定的理论分析。

粉煤灰; 补偿收缩混凝土; 限制膨胀率; 强度

近年来，随着对混凝土的研究和施工技术的进步，渠道、涵洞、池塘以及围堰等蓄水和泄水建筑物的建设，尤其是水工建筑物建设的不断涌现，其对混凝土的耐久性及混凝土在有水环境下的工作性能提出了更高要求。利用复合膨胀剂配置成的补偿收缩混凝土具有较好的耐久性和在有水环境下的工作性能。

补偿收缩混凝土是混凝土学的一个重要分支，其工程应用已经超过50年［1］，作为一种特殊混凝土，其具有较好的自防水效果，而且还可以缩短工期、节约成本。但是混凝土的裂渗问题还是不可避免，针对裂渗问题发生的特种原因，本文通过将不同剂量的粉煤灰参入混凝土中形成补偿收缩混凝土，改善其力学性能，降低水化热，提高混凝土的耐久性，达到减缓裂渗问题的目的。

1 作用机理

粉煤灰作为一种矿物掺和料具有良好的活性并能起到减水作用。由于粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征［2］，在混凝土的搅拌过程中起到“滚珠轴承”作用，改善了混凝土的和易性，减少了用水量；其潜在的化学活性只有在较长的龄期才能提高混凝土的强度，还可降低水化热，抑制碱-骨料反应、提高抗渗、抗化学腐蚀等耐久性能；粉煤灰还可与水泥水化产物或其他化学反应产物Ca(OH)2发生化学反应产生具有凝胶作用的硅酸钙凝胶（C-S-H水化产物），进一步提高混凝土强度。粉煤灰的水化反应很慢［3］，而且会较长时间以固体颗粒的心态存在于混凝土内部，能起到一定的骨料填充作用和混功能图的密实度［4］，因而显著提高了混凝土的强度和抗化学侵蚀能力。

钙矾石（AFt）是水化反应生成的一种晶体膨胀相，具有高温稳定性，在80 ℃的湿热环境中才可能脱水分解成单硫型硫铝酸钙（AFm），对于大体积补偿收缩混凝土浇诸后2～3 d内部水化温度达到60～80 ℃时，可能部分分解但维持时间极短并在降温后马上恢复AFt，而分解生成的AFm则在CaSO4和H2O同时存在条件下会再生成延迟钙矾石。对于大体积的补偿收缩混凝土不存在长期保持在80℃温度和CaSO4迁移释放的水环境，因此不可能存在延迟钙矾石生成的可能性。钙矾石的溶解度还会随着温度的升高而升高，随着CaO浓度的提高而降低。当有可溶性碳酸盐或镁盐时，AFt不稳定会分解，不能抵抗碳化。对于本文研究的补偿收缩混凝土，碱度高，水化过程中生成大量的C-S-H凝胶能够包裹住钙矾石免受碳化和分解，其膨胀量和强度稳定并继续发展［5］。

本文研究的掺有粉煤灰的补偿收缩混凝土先发生水泥的水化反应，同时伴有膨胀剂的水化反应，产生钙矾石、石膏、C-S-H凝胶和Ca(OH)2，最后粉煤灰与前期的水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，有利于提高混凝土的强度。如果粉煤灰掺量较小，无法消耗完前期产生的Ca(OH)2，则Ca(OH)2以晶体析出，体积膨胀，如若不断增加粉煤灰掺量，随着Ca(OH)2的消耗殆尽，膨胀量增长缓慢（主要是钙矾石吸水肿胀），硅酸钙凝胶（C-S-H胶体）增多，混凝土后期强度有所增长。

2 实验部分

2.1 材料

UEA-S：咸阳市建筑材料有限公司五代UEA-S，性能指标见表1；

表1 UEA-S的技术指标

粉煤灰：咸阳市渭河电厂生产的二级粉煤灰，其具体的技术指标见表2；

表2 粉煤灰的技术指标

减水剂：咸阳市建筑材料有限公司生产的GJ-1高效减水剂，减水率为12%～25%；

水 泥：陕西陕西秦岭水泥股份有限公司生产的PC32.5水泥，各项技术指标见表3；

表3 水泥的技术指标

骨 料：粗骨料采用卵石，细骨料采用中砂，骨料的各项技术指标见表4；

拌合水：采用陕西省咸阳地区自来水［6］。

表4 骨料的技术指标

2.2 试验方法

本试验采用的补偿收缩混凝土是掺加了10%的UEA-S膨胀剂的混凝土，此外，根据有关研究并试拌，还掺加了0.3%的减水剂以改善混凝土的工作性，单位用水量为145 kg，砂率为30%，粉煤灰掺量分别取20%、25%、30%、35%、40%的胶凝材料，采用假定表观密度法得到初步配合比，再经过试拌调整得到试验配合比如下表5。

表5 试验配合比

根据上表的试验配合比，共分为6组进行试验，每组试样均测定其限制膨胀率、抗压强度（28 d）、劈拉强度（28 d）。

结果见表6，本试验中的补偿收缩混凝土的养护采用前14 d水中养护［7］，14 d水养后转为自然养护至28 d。

表6 试验配合比

试验所用仪器和过程见图1、图2。

图1 混凝土收缩膨胀测定仪

Fig.1 The concrete contraction and expansion tester

图2 纵向限制器

Fig.2 The longitudinal limiter

3 试验结果及分析

3.1 补偿收缩混凝土强度力学性能

根据实测结果见表7，得到图3、图4的关系曲线。

本试验混凝土土设计强度等级为C20，由上述试验结果可得，随粉煤灰掺量增加补偿收缩混凝土的28 d抗压强度减小，当掺量为40%时28 d抗压强度有所回升；当粉煤灰掺量不超过30%时，28 d的补偿收缩混凝土抗压强度基本均达到设计强度，超过30%时，补偿收缩混凝土的抗压强度至少能达到设计强度的87.5%；粉煤灰对补偿收缩混凝土的劈拉强度影响不大，当粉煤灰掺量在20%～35%之间时，劈拉强度有所降低。

表7 养护28天强度结果

图3 不同粉煤灰掺量下的混凝土抗压强度曲线

Fig.3 The concrete compressive strength curve of different fly ash content

图4 不同粉煤灰掺量下的混凝土劈拉强度曲线

Fig.4 The concrete splitting tensile strength curve of different fly ash content

本试验补偿收缩混凝土抗压强度随粉煤灰掺量增加而降低的原因主要在于，28 d混凝土内部水化及其他反应基本稳定下来，此时各因素对强度的影响也不会有较大的增长或减小基本趋于稳定，当粉煤灰掺量较小时，水泥用量减少造成的强度降低值大于粉煤灰促进水泥水化作用造成的强度增加值和膨胀剂水化反应造成的强度的增加值之和，从而强度降低；当粉煤灰掺量增加到一定值时，大掺量粉煤灰能够继续吸收部分水泥水化产物Ca(OH)2生成大量硅酸钙凝胶，Ca(OH)2的消耗势必也促进了水泥的水化作用［6］，从而强度稍微有所增加，也有可能水泥用量减少造成的强度降低值小于或等于粉煤灰促进水泥水化作用造成的强度增加值和膨胀剂水化反应造成的强度的增加值之和。

本试验中掺有粉煤灰的补偿收缩混凝土的强度比空白组的强度要低，主要原因在于水泥用量的减少导致水灰比的增大，从而降低了混凝土的强度，符合混凝强度影响的规律。虽然本试验中加入了一定的粉煤灰和减水剂，但是水灰比降低混凝土后期强度比较大，最终导致掺有粉煤灰的补偿收缩混凝土的强度有所降低。

3.2 补偿收缩混凝土限制膨胀性能

根据图5，可以看出：掺有30%粉煤灰的补偿收缩混凝土的补偿收缩效果最好；随着粉煤灰掺量由20%到40%依次增大，补偿收缩混凝土的限制膨胀率先增大再减小最后有所回升，粉煤灰在35%掺量时补偿收缩混凝土的收缩量最大；与对照组相比发现，水养的补偿收缩混凝土出现不同程度的膨胀，转为自然养护时，补偿收缩混凝土出现了不同程度的收缩［6］，随着龄期的延长收缩趋于稳定。

水养膨胀干养收缩的原因在于水养环境为UEA-S水化形成钙矾石提供充足的水环境，干养环境由于缺水钙矾石不会吸水膨胀而且其晶体容易失水分解导致膨胀率下降甚至成为负值；随着干养龄期延长，水的供给不足及缺乏，水泥、膨胀剂和粉煤灰的化学反应趋于停止，混凝土的膨胀率不再出现较大变化。

图5 不同粉煤灰掺量下的补偿收缩混凝土限制膨胀率曲线

Fig.5 The limit expansion curve of shrinkage-compensating concrete in different fly ash contents

此外，在养护60 d后，从限制膨胀试体中取出的限制器中的钢筋与其裸露在外的端板相比均无明显的锈蚀现象，这也表明粉煤灰的掺入大大减少了补偿收缩混凝土内钢筋的锈蚀，在一定程度上验证了粉煤灰的抗化学侵蚀能力。

4 结论

通过以上试验分析，可以得到如下结论：

（1）随着粉煤灰掺量增加，28 d补偿收缩混凝土强度先减小后有所回升，满足抗压强度要求的粉煤灰掺量为不大于30%，在水胶比一定条件下粉煤灰过多必然导致水泥用量减少，混凝土强度久降不升或者回升达不到要求；

（2）随粉煤灰掺量增加，补偿收缩混凝土的限制膨胀率先增大后减小最后有所回升，在掺量为30%时，补偿效果最好，膨胀量最大，此粉煤灰掺量的补偿收缩混凝土可用于渠道伸缩缝的填充［7］；

（3）试验过程还发现掺有粉煤灰的补偿收缩混凝土内部的钢筋基本没有受到腐蚀生锈，说明粉煤灰能使补偿收缩混凝土具有良好的耐久性；

（4）粉煤灰作为工业废料，用在混凝土中既可以减小水泥用量又可以增加混凝土的后期强度和耐久性，在工程领域的应用日益广泛。

但是，不同的粉煤灰参量，不同的养护方式、不同的应用环境对这种特殊混凝土的应用性能都会产生不同的影响，在具体工程中应用时，应根据工程需求做进一步的探索研究。

［1］张巨松.混凝土学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011-01.

［2］宓永宁，娄宗科.建筑材料[M].北京：中国农业出版社，2006-08.

［3］马清洁.混凝土外加剂及建筑防水材料应用指南[M].北京：中国建材工业出版社，1998.

［4］李鹏，苗苗，苗芳，姜洪伟，马晓杰.补偿收缩混凝土变形性能的研究进展[J].硅酸盐通报， 2016(1):193-198.

［5］朱显鸽，安亚强，娄宗科.聚丙烯纤维对补偿收缩混凝土力学性能的影响[J].人民黄河，2015(2): 130~135.

［6］ 朱长华，李享涛，王保江，谢永江.内养护补偿收缩混凝土的抗裂性能[J].建筑材料学报，2015(3):1034-1038.

［7］宋春香. 补偿收缩混凝土在渠道防渗工程中的应用研究[D].西北农林科技大学,2007.

The Impact of Fly Ash Dosage to the Shrinkage-Compensating Concrete

,

(College of Civil Engineering Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi Xianyang 712000，China)

In order to explore the influence rule of the dosage of flyash on the strength and restrictive expansion rate of the shrinkage-compensating concrete, the shrinkage compensating concrete which was mixed with different dosages of fly ash was compared with the normal concrete. The test results show that, the optimal dosage of fly ash is 30% which is aimed to maximize the expansion and contraction rate of shrinkage-compensating concrete. Besides , the basic laws between the dosage of fly ash and the strength, the restrictive expansion rate of shrinkage compensating concrete are summarized, and some theoretical analyses were carried out.

Fly ash;Shrinkage-compensating concrete;Restrictive expansion rate;Strength

TQ 178

A

1671-0460（2017）08-1571-04

2016-12-20

武强（1982-），男，陕西省宝鸡市人，讲师，硕士，2010年毕业于西安建筑科技大学材料学专业，研究方向：从事建筑材料、建筑结构技术工作。E-mail：wqang08@163.com。