不同养护方式对掺粉煤灰水工混凝土抗压强度的影响研究

2024-01-05龚祖

黑龙江水利科技 2023年12期

龚祖

（昌图县水利勘测设计有限公司，辽宁铁岭 112500）

近年来，随着混凝土技术的不断发展以及对生态环保的高度重视，粉煤灰在混凝土中的广泛应用使其逐渐成为实现可持续发展的重要途径途径[1]。在实际工程中使用的粉煤灰通常低于30%，而关于大掺量粉煤灰的应用及相关研究还不够深入。实践表明，掺入适量粉煤灰能够提升后期强度、耐久性能及和易性，减少自收缩引起的裂缝[2]。粉煤灰对混凝土早期强度发展可能会产生负面影响，并且增加粉煤灰对早期强度的降低程度也会增加，但对后期强度仍会表现出较快的增长速度[3-4]。抗压强度受水胶比的影响较大，水胶比越小说明使用的水量较少，胶凝材料的微观结构就更加致密，这使得整体混凝土的强度明显提高[5]。另外，混凝土微观孔隙结构及水泥硬化过程还与养护条件密切相关，一般标养条件下的测试结果是反映混凝土力学性能和划分强度等级的重要依据，实际上混凝土既受气候条件、环境温度的影响，还会受作业条件和施工技术的限制，实际运行环境十分复杂，以标养条件测定的性能通常难以客观反映实际情况[6-8]。

不同养护方式或环境条件下的掺粉煤灰与纯水泥混凝土的性能发展和水化进程必然存在明显差异。因此，文章利用抗压强度试验探讨了水胶比、养护方式和粉煤灰对抗压强度的影响作用，为保证水泥基复合材料抗裂性和水利工程长效运行提供科学依据。

1 试验方法

1.1 原材料

试验选用烽火牌P·MH42.5 中热水泥，标稠用水量24.6%，密度3.15g/cm3，比表面积355m2/kg；鞍山诚达F 类Ⅱ级粉煤灰，细度21.6%，28d 活性指数78%，需水量比为97%；骨料选用5～25mm石灰岩碎石和浑河中砂，砂、碎石的表观密度为2 600kg/m3和2 650kg/m3；外加剂选用鞍山鹏程外加剂厂生产的聚羧酸高效减水剂，调整拌合物坍落度(180±20)mm。

1.2 养护方式

根据线性规范试验确定0.3、0.4、0.5 水胶比和0、25%、50%粉煤灰掺量的配合比，如表1 所示。试验选择干燥D、密封S、标准W 三种养护方式，干燥养护是在浇筑成型24h 后拆模，采用铝箔膜对试块密封至干燥开始龄期(1d、3d、7d、28d、60d)，然后撕去铝箔膜完成后续干燥养护。标准和干燥养护下相对湿度为不低于95%及(60±5)%，各方式的养护温度均为(20±2)℃。为便于对比分析，对各组试块编号命名，如D1-A5 代表粉煤灰掺量50%、水胶比为0.3 的试块1d 开始干燥养护。

表1 试验配合比

1.3 测试方法

根据《水工混凝土试验规程》进行各组试块抗压强度的测试，测试龄期1d、3d、7d、28d、60d和90d，试块为边长100mm 的立方体。

2 结果与分析

2.1 养护方式对强度的影响

研究发现，在强度发展过程中养护方式对各配合比混凝土的影响规律相似，以50%粉煤灰的试块强度探讨养护方式的影响作用，如图1 所示。

图1 不同养护条件掺50%粉煤灰的抗压强度变化

1）对于干燥D、密封S和标准W三种养护方式，随龄期的延长掺50%粉煤灰试块强度均表现出上升趋势，且早期增速块而后期增速慢。在干燥养护条件下，D1A5 组、D3A5 组和D7A5 组28d 龄期的强度增长较小，最大增幅仅有2.5MPa；而相比之下，封闭和标准养护的后期强度快速增长，从28～90d 龄期WA5、SA5 组试块强度增加了11.9MPa 和13.7MPa，这是由于干燥养护情况下，混凝土内会有更多的水分散失，这导致水泥无法充分水化，因此强度发展相对较低，远远小于密封和标准养护的情况。

2）总体而言，干燥开始的越晚，试块后期强度越高，其受干燥养护的影响也较小。相比之下，对于干燥开始较早的1d 和3d 试块，其后期强度和发展速度相对较小，这是由于早期干燥会导致内部水分散失，从而影响水泥的水化和强度发展。D1A5、D3A5 组相比于SA5 组的90d 抗压强度降幅分别为42.20%和21.23%；对于7d 较晚的干燥开始龄期，试块后期强度与标准养护条件下相近，如90d 龄期时D7A5、D7B5、D7C5 组达到WA5、WB5、WC5 组标准养护同龄期试块强度的94.6%、96.8%、89.9%；对于28d、60d 更晚的干燥开始龄期，试块后期强度与标准养护条件下相当甚至可能超过，如60d 龄期时D28A5、D60A5 组达到标准同龄期试块强度的132.1%、123.5%，90d 龄期时D60A5组达到标准养护同龄期试块强度的134.3%。对于不同水胶比（0.3、0.4、0.5），从小到大各组试块的90d 强度排序均为D1 ＜D3 ＜D7 ＜D28 ＜D60，这与实际情况保持一致。

3）针对先密封后干燥养护的试块，初期干燥养护试块的强度增速较密封养护更快，而后期逐渐放缓。例如，初期干燥4d 时D3A5 组相比于SA5组试块的7d 强度增大14.9%，两组试块的28d 强度相近，其60d、90d 较强龄期相比于28d 时的强度也有所增加。有研究认为，开始干燥1d 时，试块内部的自由水开始逸散，这会阻碍水化反应，从而限制其强度的发展。当开始干燥龄期较晚时，试块内的水泥已经完成水化，此时自由水的逸散作用会使水化反应降低，最终影响强度的发展[9-10]。此外，在不同状态下的养护方式也会影响强度测试结果，通常干燥养护下的强度高于湿润养护。因此，开始干燥初期试块的强度增长速度较快，因后期缺少水分补充，其强度发展会逐渐停滞[11-12]。

2.2 粉煤灰掺量对强度的影响

随粉煤灰掺量的增大不同养护条件下试块90d强度变化特征如图2 所示，结果表明随粉煤灰掺量的增加各组试块90d 强度均呈下降趋势。水胶比相同时，随粉煤灰掺量增加试块90d 强度下降速率相近，随水胶比的增加其下降速率表现出衰减趋势。

图2 不同粉煤灰掺量的抗压强度变化

从0%逐渐增大粉煤灰掺量至50%，不同养护方式和水胶比条件下各组试块90d 强度降低量如图3 所示。

图3 掺50%粉煤灰的90d 强度降低量

依据图2、图3 可知，水胶比不同时干燥开始龄期越早试块后期强度受不同掺量的影响越显著，即试块抗压强度下降越明显。例如，D1 养护条件下的水胶比0.4 组试块，从0%增大粉煤灰掺量至50%时的90d 强度下降63.3%，而D3、D7、D28、D60 养护条件下分别下降61.8%、59.7%、54.8%、50.0%。另外，水胶比越大试块后期强度受不同掺量的影响越明显，即提高掺量会更加显著地减小混凝土强度。例如，D3 养护条件下水胶比0.3 组混凝土，从0%增大粉煤灰掺量至50%时的90d 强度下降60.8%，而水胶比为0.4、0.5 情况下的强度下降了61.8%和66.0%。

2.3 水胶比对强度的影响

对于干燥D、密封S 和标准W 三种养护方式，试块90d 抗压强度受水胶比的影响作用如图4所示。结果显示，随着水胶比的增大3 种养护条件下的试块90d 强度均呈减小趋势。研究发现，掺量从0%逐渐增大至25%过程中，各水胶比下试块强度降幅相近，例如，掺量为25%时，水胶比由0.3 增加到0.5，则在D28 和D60 龄期试块的90d 强度分别减少25.2、23.9MPa。此外，在不同养护条件下试块的强度降幅相近，在W、S、D1、D3 和D7 养护时的强度分别减少28.9、12.9、28.5、13.5 和26.8MPa，最高相差16MPa。当掺量为50%时，干燥开始越晚，后期强度随水胶比的增大其降幅也越明显，例如水胶比从0.3 增大到0.5 时，D28、D60 养护条件下试块的90d 强度减小20.9MPa 和29.2MPa，而D1、D3、D7 养护条件下减少10.4%、15.8%和17.3%。

图4 不同粉煤灰掺量的抗压强度变化

从0.3 逐渐增大水胶比至0.5，不同养护方式和粉煤灰掺量条件下各组试块的90d 强度降低量如图5 所示。

图5 水胶比从0.3 增大到0.5 的90d 强度降低量

依据图4、图5 可知，粉煤灰掺量不超过25%情况下，试块后期抗压强度受水胶比的影响随干燥开始龄期的延长而降低。例如，D1 养护条件下掺25%粉煤灰组试块，从0.3 增大水胶比至0.6 时的90d 强度下降58.8%，而D3、D7、D28、D60 养护条件下分别下降25.9%、45.8%、38.7%、34.1%。粉煤灰掺量达到50%情况下，无论干燥龄期早晚试块后期强度受水胶比的影响相近。例如，D1、D3 养护条件下粉煤灰掺量50%组试块，从0.3 增大水胶比至0.5 时的90d 强度下降46.0%和51.3%，而D7、D28、D60 养护下的强度下降了49.3%。48.6%和55.6%，最大相差7%。另外，增大粉煤灰掺量则试块后期抗压强度降幅随水胶比的提升而更加显著，如标养情况下不掺粉煤灰组，从0.3 增大水胶比至0.6 时的90d 强度下降40.8%，增大粉煤灰掺量至25%、50%时的下降量达到45.6%和49.4%。