粉煤灰-矿渣双掺对混凝土绝热温升、干缩及徐变影响研究

谭 珂

(佛山市建盈发展有限公司, 广东 佛山 528000)

0 引言

在众多降低混凝土胶材水化热的措施中，用掺合料替代部分水泥被视为最经济有效的方法。粉煤灰与矿渣是现今应用较为成熟的掺合料，诸多研究表明[2-6]:以粉煤灰替代水泥，可减少混凝土水化热，降低其开裂风险，但粉煤灰掺量过多则会降低混凝土力学性能；矿渣的掺入可显著提高混凝土的力学性能，但会加剧其早期收缩。此外，研究表明，粉煤灰与矿渣双掺可以相互补足、增益，对降低胶材水化热，减少温度裂缝、提升混凝土耐久性具有积极作用。

佛山市富龙西江特大桥索塔承台采用C40混凝土，形状设计成椭圆形(见图1)，平面尺寸为26.5 m(顺桥向)×68 m(横桥向)，厚6 m，混凝土浇筑方量约11 000 m3。

图1 富龙西江特大桥主墩承台平面图 (单位： cm)

依托本项目主桥超大体积承台施工，研究不同水胶比下，以粉煤灰和矿渣取代水泥，通过绝热温升与收缩试验，探讨其掺量对混凝土绝热温升及干燥收缩的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料及配比

试验水泥选用P·II 42.5水泥，符合国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)规定，其化学成分见表1。

试验选用II级粉煤灰与S95级矿渣，二者化学成分及物理性能见表2。粗集料选用5～20 mm连续级配碎石，细集料选用天然砂的Ⅱ区中砂，细度模数2.7。外加剂选用高性能缓凝型聚羧酸减水剂，其性能指标应符合《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)的规定，减水率为26%。具体试验方案见表3，其中砂率固定为38%，粗集料比m碎石1∶m碎石2=2∶8，单方用水量为152 kg/m3，mf∶ms∶mc为粉煤灰、矿渣、水泥的质量比。

表1 水泥化学成分化学成分含量/%成分含量/%SiO220.65C3S55.62Al2O3 4.79Fe2O33.30C2S20.41CaO5.79MgO63.45C3A6.31TiO20.46NaOeq0.64C4AF10.24f-CaO0.89

表2 粉煤灰和矿渣的化学成分及物理性能%种类SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaOSO3f-CaO细度II级粉煤灰56.9331.60.980.742.910.460.220.0S95级矿渣36.6314.323.307.8032.890.90—0.4需水量比流动度比烧失量含水量碱含量安定性放射性28 d强度活性指数100—4.830.10.65合格合格72—1030.520.10.45——97

表3 试验方案编号水胶比mf:ms:mc外加剂掺量/%W1-C1000∶0∶1W1-C70 0.360.25∶0.05∶0.71.10W1-C50 0.35∶0.15∶0.5W1-C30 0.45∶0.25∶0.3W2-C1000∶0∶1W2-C70 0.380.25∶0.05∶0.71.00W2-C50 0.35∶0.15∶0.5W2-C30 0.45∶0.25∶0.3W3-C1000∶0∶1W3-C70 0.400.25∶0.05∶0.70.90W3-C50 0.35∶0.15∶0.5W3-C30 0.45∶0.25∶0.3

1.2 试验方法

对混凝土绝热温升进行测试，测试方法与仪器参照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5450—2017)。绝热温升测定仪的绝热室要求达到绝热试验条件，即胶凝材料水化热产生的热量与外界不发生热交换。仪器由绝热养护箱和控制记录仪两部分组成，绝热室温度跟踪试样中心温度，相差不大于±0.1℃。试验温度为5 ℃～80 ℃，温度读数精度0.1℃。

对混凝土试件的收缩变形性能进行测试，测定方法与仪器参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)。本方法试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，试件两端应预埋测头或留有埋设测头的凹槽，采用卧式混凝土收缩仪测定，其测量标距应为540 mm，并应安装有精度为±0.001 mm的千分表或测微器。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰-矿渣双掺对混凝土绝热温升的影响

不同粉煤灰-矿渣双掺量下，水胶比0.36～0.40的混凝土28 d龄期内最大温升见图2。由图2可知，随粉煤灰-矿渣掺量提高，相同水胶比下混凝土最大温升均呈降低趋势。对比纯水泥试验组，粉煤灰-矿渣双掺量为30%、50%、70%时，水胶比为0.36的混凝土最大温升相应降低23.3%、26.4%、37.3%；水胶比为0.38的混凝土最大温升相应降低21.0%、24.1%、36.8%；水胶比为0.40的混凝土最大温升相应降低18.3%、24.3%、35.3%。粉煤灰-矿渣双掺量显著影响混凝土最大温升，即双掺量提高，混凝土最大温升降低，且随着混凝土水胶比增大其影响效果略微减弱。

图2 不同水胶比下粉煤灰-矿渣双掺混凝土28 d最大温升

首先，粉煤灰-矿渣双掺改变了混凝土胶凝材料组成，胶凝体系中水泥含量减少，水化热降低。其次，在粉煤灰占比较大的双掺体系下，粉煤灰与f-CaO、水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成C-H-S凝胶，包覆于未水化的水泥粒子表面，延缓水泥的水化作用，缓释水化热的产生。此外，水泥-矿渣-粉煤灰由于粒径不同，粉煤灰-矿渣可通过“微集料效应”使得体系结构更为致密，从空间位阻上减弱水泥水化成核作用，进一步减少水化热产生。而随水胶比增大，水泥粒子可充分与水接触，粉煤灰对水泥水化的影响更倾向于促进其水化程度，且粉煤灰相比水泥更具温度敏感性，在较低水胶比下其影响效果更为显著。

2.2 粉煤灰-矿渣双掺对混凝土干燥收缩的影响

不同粉煤灰-矿渣双掺量下，水胶比为0.36～0.40的混凝土7、14、28 d龄期内的收缩率见图3～5。对比纯水泥试验组，粉煤灰-矿渣双掺量30%、50%、70%下，混凝土各龄期的干燥收缩随双掺量提高逐步降低，在双掺量为70%时达到最低，该掺量下水胶比0.36、0.38及0.40的混凝土7 d收缩率分别为154×10-6、142×10-6与132×10-6，相应降低27.0%、14.0%与29.0%；14 d收缩率分别为372×10-6、352×10-6与327×10-6，相应降低13.1%、14.6%与14.8%；28 d收缩率分别为154×10-6、142×10-6与132×10-6，相应降低19.3%、14.0%与8.8%。

图3 不同水胶比下粉煤灰-矿渣双掺混凝土7 d干燥收缩率

图4 不同水胶比下粉煤灰-矿渣双掺混凝土14 d干燥收缩率

图5 不同水胶比下粉煤灰-矿渣双掺混凝土28 d干燥收缩率

由于CaO的存在，单掺矿渣极易引起混凝土体积稳定性不良，而双掺粉煤灰-矿渣可以有效抑制混凝土收缩。一方面，随粉煤灰-矿渣双掺量提高，混凝土胶凝材料水化热降低，降低了混凝土内外温差，从而有效减少了温度收缩。另一方面，具有火山灰活性的粉煤灰与矿渣可进一步促进C-H-S凝胶生成，水泥水化更为完全，两者所含活性SiO2、Al2O3与水化产物生成大量水硬性凝胶，体系内凝胶体更为紧密，可有效减少混凝土化学收缩。此外，粉煤灰-矿渣可填密混凝土孔隙，加之水泥-粉煤灰-矿渣体系的微集料效应，可使混凝土结构更为密实，进一步抑制收缩。

相同水胶比下不同双掺量的混凝土不同龄期内的收缩率见图6～8。随龄期增长，各掺量对干燥收缩抑制效果减弱。对比纯水泥试验组，粉煤灰-矿渣掺量为30%、50%、70%时，水胶比为0.36的混凝土0～7 d干缩降低率分别为7.8%/d、8.4%/d与8.9%/d，7～14 d干缩降低率分别为3.7%/d、4.0%/d与4.2%/d；水胶比为0.38的0～7 d干缩降低率分别为8.4%/d、9.0%/d与9.4%/d，7～14 d干缩降低率分别为3.8%/d、4.0%/d与4.3%/d；水胶比为0.40的混凝土0～7 d干缩降低率分别为8.2%/d、8.3%/d与8.7%/d，7～14 d干缩降低率分别为3.8%/d、3.9%/d与4.0%/d。

图6 不同粉煤灰-矿渣双掺量下混凝土各龄期干燥收缩率(水胶比0.36)

图7 不同粉煤灰-矿渣双掺量下混凝土各龄期干燥收缩率(水胶比0.38)

图8 不同粉煤灰-矿渣双掺量下混凝土各龄期干燥收缩率(水胶比0.40)

分析认为，早龄期下粉煤灰与矿渣降低了水泥水化总热量，抑制了混凝土温缩，且两者火山灰活性的发挥依赖于水泥水化产生的碱，当活性物质消耗至一定量时，水泥水化产生的热量将进一步引起混凝土收缩增大。

2.3 粉煤灰-矿渣双掺对混凝土徐变的影响

水胶比为0.40时，不同粉煤灰-矿渣双掺量对混凝土徐变的影响见图9，对比全水泥组试件，粉煤灰-矿渣双掺量达30%、50%的混凝土各龄期徐变度显著降低。14 d时相应降低34%、41%；90 d时相应降低28%、32%。粉煤灰-矿渣双掺下，粉煤灰与矿渣颗粒填充与水泥、集料之间的空隙，混凝土结构更为密实；又因粉煤灰、矿渣对水泥水化的促进作用，混凝土内水化产物结构发展更为紧密，从而抑制了混凝土徐变。而随龄期发展，30%、50%双掺量的混凝土徐变度曲线变为平缓，说明粉煤灰-矿渣对混凝土的徐变抑制作用减弱。

图9 不同粉煤灰-矿渣双掺量下水胶比为0.40的混凝土各龄期徐变度曲线

分析认为，这是由于粉煤灰活性不及矿渣，矿渣在早期水化中迅速消耗，凝胶结构形成较快，则混凝土强度增幅较快，对徐变抑制作用增强。而双掺量中矿渣占比明显小于粉煤灰，随着矿渣的消耗，混凝土中水泥水化作用放缓，相对早期其强度增幅不大，则徐变抑制效果减弱。此外，双掺量达70%的试验组徐变度明显高于纯水泥试验组，这是因为由于双掺比例较大，水泥水化产物明显减少，混凝土结构、强度发展缓慢，则混凝土对荷载的抵抗作用降低。

3 结论

1)粉煤灰-矿渣双掺量显著影响混凝土28 d最大温升，随双掺量提高混凝土最大温升降低，随水胶比增大其影响略微减小。当粉煤灰-矿渣掺量为70%时，混凝土的28 d最大绝热温升值最低。

2)不同水胶比下，混凝土各龄期的干燥收缩随双掺量提高逐步降低，在双掺量为70%达到最低，且随龄期增长，各掺量对混凝土干燥收缩抑制效果减弱。

3)粉煤灰-矿渣双掺可以抑制混凝土徐变，双掺量达30%、50%的混凝土徐变抑制效果最佳。