早期高温养护对粉煤灰基自密实混凝土性能的影响

2020-10-17赵行立董鹏程罗远彬吴敏玲周玲珠吕佳美邝梦芳

硅酸盐通报 2020年9期

赵行立，董鹏程，罗远彬，黄婷，吴敏玲，周玲珠，吕佳美，邝梦芳，郑愚

(1.深圳百勤建设工程有限公司，深圳 518057；2.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，东莞 523808； 3.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510090)

0 引言

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)的概念由1986年东京大学土木系的冈村甫教授在日本水泥协会主办的混凝土讲习会上提出，1987年冯乃谦教授也提出液态混凝土的想法，自此揭开了SCC在我国土木工程领域的研究[1]。SCC是一种依靠自身重力流动填充整个模板空间的低能耗建筑材料[2]。为了满足现代建筑的需求，通过添加掺合料(粉煤灰、矿渣、硅灰、石灰石粉等)或化学外加剂可提高新拌SCC的工作性能和部分力学性能[3]。为保证SCC的力学性能，我国规范中建议粉煤灰掺量不大于30%[4]。随着绿色建材的发展和可持续建造需求的增大，提高SCC中工业副产品(粉煤灰)的掺量，降低高能耗水泥的用量来制备SCC十分必要。已有研究表明大比例的粉煤灰掺入SCC中能显著影响其早期力学性能，限制其在实际工程中的应用[5]。而养护温度是影响胶凝材料水化速率的重要因素，不同温度养护下混凝土微观形貌，微集料效应程度，以及力学性能呈现出显著差异[6]。已有研究表明，高温养护能加速普通混凝土早期水化速率，提高早强性能[7]。但由于高温养护下水化产物快速无序地聚集和搭接，造成颗粒之间的空隙无法被填充，这将大大降低混凝土的后期强度和耐久性，进而可能造成重大的安全事故及损失[8]。然而，谭克锋等[9]发现掺入硅灰、粉煤灰、矿渣可以缓解高温养护后混凝土后期强度的降低，其中以硅灰的作用最为显著，粉煤灰次之，矿渣也有一定作用。为了进一步探究粉煤灰基SCC早期在高温覆膜养护下的力学性能及水化机理，本研究通过改变粉煤灰掺量及早期养护温度进行试验，探讨不同养护温度及粉煤灰掺量对SCC工作性能和力学性能的影响。通过SEM及EDS测试分析不同龄期下粉煤灰基SCC的微观形貌特征，并解释相应的宏观工作性能及力学性能。随着装配式混凝土结构的推行及实际工程的需求，粉煤灰基SCC既能解决预制构件振捣不易问题，又能在预制构件厂进行高温养护提高其早期力学性能，适用于预制构件厂生产预制构件。

1 实验

1.1 原材料

水泥为东莞华润水泥厂提供的P·C 32.5R水泥，其技术指标如表1所示。粉煤灰为东莞永佳混凝土厂提供的一级粉煤灰，粉煤灰和石灰石粉的主要化学成分如表2所示。实验中采用淡黄色粉末状改性聚羧酸醚高效减水剂(HRWR)作为外加剂以改善混凝土的和易性。

表1 水泥技术指标Table 1 Technical index of cement

表2 粉煤灰和石灰石粉主要化学成分Table 2 Main chemical composition of fly ash and limestone powder /%

细骨料采用细度模数为2.39的河砂，其满足二区中砂要求。河砂堆积密度和表观密度分别为1 571.67 kg/m3和2 666.76 kg/m3，筛分试验曲线如图1所示。粗骨料采用最大粒径不超过16 mm的碎石，碎石的堆积密度和表观密度分别为1 352.67 kg/m3和2 597.26 kg/m3，碎石筛分试验曲线如图2所示。

图1 砂筛分曲线Fig.1 Curve of sand sieve

图2 石筛分曲线Fig.2 Curve of stone sieve

1.2 配合比设计

参考JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[4]中的SCC配合比设计方法，由于所用粉煤灰类型和减水剂类型的差异，故需相应调整各种原材料的比例关系，得到试验配合比如表3所示。其中FXX是指粉煤灰质量占胶体总质量的百分比。

表3 粉煤灰基SCC配合比Table 3 Mix proportions of fly ash based SCC

1.3 试验过程

采用自密实混凝土双卧轴搅拌机配制粉煤灰基SCC。粉煤灰基SCC搅拌完成后，对其进行坍落扩展度测试和J环测试，获取坍落扩展度及J环扩展度数据，并观察粉煤灰基SCC拌合物的黏聚性、泌水性及是否离析。工作性能测试完毕后，将粉煤灰基SCC拌合物装入150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm的模具中，2 d后拆模。拆模后一些试件放入标准养护箱中养护24 h，另一些试件被耐高温膜包裹后放入蒸养机中以60 ℃和90 ℃的温度养护24 h。之后将所有试件取出，放入水池中养护至相应的时间进行抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量试验，试验如图3～图5所示。并取部分试件样品进行SEM和EDS测试，得到其3 d、7 d、28 d、56 d的微观结构和能谱结果。

图3 抗压强度试验Fig.3 Compressive strength test

图4 劈裂抗拉强度试验Fig.4 Splitting tensile strength test

图5 弹性模量试验Fig.5 Elastic modulus test

2 结果与讨论

2.1 工作性能

配制粉煤灰掺量为50%的SCC，其坍落扩展度如图6所示，SCC工作性能试验数据及其分析分别如表4和图7所示。由表4可知，当粉煤灰掺量达到65%时，粉煤灰基SCC拌合物的黏聚性下降且发生明显的离析现象，而其它组的工作性能都满足规范的要求，具有良好的工作性能。为了保证粉煤灰含量为65%的SCC的工作性能，可适量减小聚羧酸类减水剂的用量或者水的用量。由图7可知，随着粉煤灰掺量的增加，SCC坍落扩展度和J环扩展度呈先增加后减少再增加的趋势。当粉煤灰掺量为50%时，SCC坍落扩展度和J环扩展度有所下降，这可能是由于浇筑时温湿度环境的变化造成的，也可能如文献[5]所述，当粉煤灰掺量达到一定时，存在水泥产生的高碱环境刚好能够完全激发粉煤灰的早期反应的情况，而该状态下需要消耗更多的水，使得扩展度相对降低。粉煤灰基SCC的坍落扩展度和J环扩展度基本相差不大，说明该些配合比下的粉煤灰基SCC具有良好的间缝通过性。

表4 不同粉煤灰掺量下SCC的工作性能Table 4 Workability of SCC with different content of fly ash

图6 粉煤灰掺量为50%的SCC的坍落扩展度Fig.6 Slump-flow of SCC with 50% content of fly ash

图7 不同粉煤灰掺量下SCC的工作性能Fig.7 Workability of SCC with different content of fly ash

2.2 力学性能

2.2.1 立方体抗压强度

不同早期养护条件下粉煤灰基SCC的立方体抗压强度如图8所示。在标准养护状态下，随着养护龄期的增加，粉煤灰基SCC的立方体抗压强度逐渐增大。随着粉煤灰掺量的增加，3 d、7 d、28 d、56 d立方体抗压强度明显下降。这是由于粉煤灰掺量的增加导致未参与火山灰反应的惰性成分增加，因而降低其立方体抗压强度。粉煤灰基SCC的早期(3 d、7 d)立方体抗压强度随着粉煤灰掺量的增加基本呈线性降低趋势。当粉煤灰掺量小于50%时，其后期(28 d、56 d)立方体抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，降低幅值较小，而当粉煤灰掺量为65%时，其56 d立方体抗压强度只有21.5 MPa。说明粉煤灰掺量大于50%后，水泥含量较少，其提供的水化产物Ca(OH)2不足以提供粉煤灰火山灰反应所需要的Ca(OH)2，因此SCC立方体抗压强度显著降低。为满足混凝土力学性能要求，建议粉煤灰基SCC混凝土中粉煤灰掺量不宜超过50%。

图8 三种不同温度下粉煤灰基SCC的立方体抗压强度随粉煤灰掺量的变化Fig.8 Relationship between content and cubic compressive strength of fly ash based SCC at three different temperatures

由图8可知，60 ℃和90 ℃早期高温养护显著提高SCC早期(3 d、7 d)立方体抗压强度。早期高温60 ℃养护下，SCC-F30、SCC-F40、SCC-F50和SCC-F65的3 d立方体抗压强度分别提高113.0%、92.6%、150.4%和260.0%，7 d立方体抗压强度分别提高48.1%、46.4%、88.0%和108.2%。早期高温90 ℃养护下，SCC-F40、SCC-F50和SCC-F65的3 d立方体抗压强度分别提高122.9%、201.5%和485.5%，7 d立方体抗压强度分别提高70.2%、114.3%和224.5%。且90 ℃养护的SCC的3 d立方体抗压强度基本接近28 d标准养护下的立方体抗压强度。这是由于较高的养护温度使得粉煤灰中活性成分较早的参与火山灰反应，提高早期水化产物的生成速率，从而提高SCC立方体抗压强度[10-11]。当粉煤灰掺量小于50%时，早期高温养护对后期(28 d、56 d)立方体抗压强度的作用不显著，而粉煤灰掺量为65%时，早期高温养护能够提高SCC的后期立方体抗压强度，且早期养护温度越高，后期立方体抗压强度提高越显著。这是由于高温激活了部分粉煤灰中Al2O3、SiO2的活性，同时进一步加深了水泥的水化反应程度，提供了更多的Ca(OH)2产物，促进了粉煤灰的火山灰反应。早期养护温度为60 ℃时，粉煤灰掺量为30%和50%的SCC的56 d立方体抗压强度较同条件下标准养护试件的低，而粉煤灰掺量为40%的SCC的56 d立方体抗压强度较同条件下标准养护试件的高。这可能由高温养护条件下，大量水化产物短时间内无序、紊乱沉淀与搭接，使得水化产物及硬化孔隙分布不均匀而造成的[7]。

2.2.2 劈裂抗拉强度和轴心抗压强度

不同粉煤灰掺量下SCC的劈裂抗拉强度和轴心抗压强度如图9和图10所示。标准养护下，粉煤灰掺量超过40%后，SCC劈裂抗拉强度和轴心抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低。当粉煤灰掺量为65%时，SCC的56 d劈裂抗拉强度和轴心抗压强度显著降低，这与图8中标准养护下粉煤灰掺量为65%的SCC具有较低的抗压强度是一致的。其主要原因是水泥水化提供的碱性环境不足以激发粉煤灰火山灰反应。随着龄期的增加，SCC劈裂抗拉强度和轴心抗压强度增加。对比两种不同养护条件下的混凝土，早期60 ℃高温养护显著提高了SCC早期(7 d、28 d)劈裂抗拉强度和轴心抗压强度。早期60 ℃高温养护对SCC的56 d劈裂抗拉强度和轴心抗压强度影响较小，但当粉煤灰掺量为65%时，56 d劈裂抗拉强度在早期60 ℃高温养护下提高了约44.0%。这由于早期高温养护促进了粉煤灰的火山灰反应，提高了SCC内部的密实性。

图9 不同粉煤灰掺量下SCC的劈裂抗拉强度Fig.9 Splitting tensile strength of SCC with different fly ash content

图10 不同粉煤灰掺量下SCC的轴心抗压强度Fig.10 Axial compressive strength of SCC with different fly ash content

2.2.3 弹性模量

不同粉煤灰掺量下SCC的弹性模量如图11所示，当粉煤灰掺量小于50%时，SCC弹性模量随着粉煤灰掺量的增加变化幅度较小。当粉煤灰掺量大于50%时，无论早期是标准养护还是60 ℃高温养护，SCC的弹性模量随着粉煤灰掺量的增加显著降低。在标准养护条件下，随着龄期的增加SCC弹性模量逐渐增大。早期60 ℃高温养护下，SCC-F30、SCC-F40、SCC-F50和SCC-F65的7 d弹性模量分别提高17.4%、22.7%、19.7%和40.6%，但其对后期(28 d、56 d)弹性模量影响较小。

图11 不同粉煤灰掺量下SCC的弹性模量Fig.11 Elastic modulus of SCC with different fly ash content

2.2.4 力学性能关系

ACI规范中普通混凝土轴心抗压强度(f′c)与立方体抗压强度(fcu)，劈裂抗拉强度(fct)与轴心抗压强度(f′c)及弹性模量(Ec)与轴心抗压强度(f′c)的关系模型如式(1)～(3)所示[12]。

f′c=0.79fcu

(1)

(2)

(3)

根据ACI规范中普通混凝土力学性能关系模型，通过最小二乘法修正相应的系数，获得粉煤灰基SCC的力学性能关系模型(见式(4)～(6))。粉煤灰基SCC轴心抗压强度预测模型与ACI规范中普通混凝土较为接近。而粉煤灰基-SCC的劈裂抗拉强度约为轴心抗压强度的0.11倍。修正后的粉煤灰基SCC弹性模量预测模型系数高于ACI规范中普通混凝土。粉煤灰基SCC力学性能关系试验结果与预测模型如图12所示。

图12 粉煤灰基SCC的力学性能关系Fig.12 Relationship of mechanical properties of fly ash based SCC

f′c=0.76fcu

(4)

fct=0.11f′c

(5)

(6)

2.3 微观结构

标准养护下各龄期的30%、40%、50%和65%粉煤灰掺量的SCC断面的SEM照片如图13所示。由图可知，粉煤灰掺量为50%和65%的微观结构图中出现较多的玻璃状球珠。由于粉煤灰具有优良的颗粒形状，其主要是由玻璃球状的Al2O3和SiO2组成，随着粉煤灰取代水泥掺量的提高，SCC微观结构中玻璃状球珠越多。从图13(c)和(d)中可知，粉煤灰掺量为50%和65%的SCC微观结构中存在较多的孔隙，密实性较差，这导致SCC早期抗压强度较低。而从图13(g)和(h)中可知，玻璃球珠表面附着较多的针状水化产物，且水化产物填充部分孔隙。这说明粉煤灰的火山灰反应可以提高混凝土的密实性，增加混凝土后期抗压强度。但粉煤灰掺量过高(见图13(h))时，粉煤灰的火山灰反应不充分，水化产物远不足以填充孔隙，这导致SCC后期抗压强度显著降低。

图13 标准养护下不同粉煤灰掺量SCC的SEM照片Fig.13 SEM images of SCC with different fly ash content under standard curing

图14(a)～(d)分别为标准养护下粉煤灰掺量为50%的SCC各龄期的SEM照片，在3 d时发现玻璃体大部分表面已被大量以C-S-H为主的水泥水化产物所包裹，玻璃体周边孔隙较大。随着龄期的增长，活性玻璃体与C-S-H发生二次水化反应生成针状C-A-H，填充原有的孔隙，增强混凝土的密实度。在60 ℃高温养护下(见图14(e)～(h))，3 d时就发现大量的水化产物,玻璃体颗粒表面不再光滑，且有一些分布不均的块状水化产物附着在玻璃球珠表面。孔隙之间有疏松纤维状或网络状C-S-H连接，形成紧密的结构。高温养护加速了水泥的水化，产生大量的Ca(OH)2和C-S-H，为粉煤灰发生火山灰反应提供条件，因此高温养护能够提高粉煤灰基SCC的早期力学性能。

图14 粉煤灰掺量为50%的SCC的SEM照片Fig.14 SEM images of SCC with fly ash content of 50%

图15为粉煤灰掺量50%的SCC各龄期的EDS图。从图15中能够更清晰地看出不同龄期不同养护条件下SCC的微观结构差异。标准养护下，7 d玻璃球珠表面附着少量针状水化产物，孔隙之间通过少量的针状水化产物搭接。而56 d玻璃球珠表面附着的针状水化产物变多变大，大部分孔隙也被针状水化产物填充。60 ℃高温养护下，3 d时观察到大量的块状水化产物生成，孔隙较小。随着龄期的增长，块状水化产物积累变大，结构更加紧密。EDS分析发现玻璃球珠的主要成分是硅、铝，故生成的块状晶体水化产物的主要成分是硅、铝化合物。

图15 粉煤灰掺量50%的SCC的EDS分析Fig.15 EDS analysis of SCC with fly ash content of 50%

3 工程建议及展望

随着装配式混凝土结构的推行，实际工程中对预制构件的需求量显著增加。而目前预制构件厂存在两个较大的问题：其一是预制构件生产过程中振捣困难问题，预制构件的批量化生产导致没有足够的时间对其进行振捣；其二是预制构件养护场地问题，预制构件厂一般采用早期高温养护提高混凝土早期力学性能从而减少养护时间，避免预制构件长期占用场地。预制构件厂对普通混凝土预制构件振捣不匀或者振捣时间不够容易影响构件的力学性能，而早期高温养护对普通混凝土的后期力学性能和耐久性具有负作用[8]。因此，这将影响预制构件在实际工程中的正常使用。而本研究表明早期高温养护对粉煤灰基SCC后期力学性能没有显著影响，同时粉煤灰基SCC也可避免预制构件的振捣困难问题。此外，早期高温养护能够显著提高粉煤灰基SCC的早期力学性能。故粉煤灰基SCC运用于预制构件的生产具有可行性。

粉煤灰基SCC采用大量的粉煤灰取代高能耗水泥实现绿色可持续建造，然而大比例粉煤灰掺入SCC显著降低其早期力学性能并制约其在实际工程中的应用。而早期高温养护可以显著提高粉煤灰基SCC的早期力学性能，但目前关于早期高温养护对粉煤灰基SCC长期性能的研究甚少，本课题组将继续完善早期高温养护对粉煤灰基SCC长期性能的影响研究，为其在预制构件厂的运用提供参考依据。