摘 要:目的研究掺超细粉煤灰(Ult ra - fine Fly Ash ,简称UFA) 的道路混凝土早期自收缩特征及UFA 对混凝土早期开裂敏感性的影响规律. 方法以UFA 等量取代水泥配制UFA 道路混凝土,采用自行改进设计的混凝土自收缩测试装置测试混凝土早龄期(72h 以内) 的自收缩变形,并利用平板式限制收缩开裂试验方法研究混凝土成型26h 内的表面开裂特征;在试验基础上,评价UFA 道路混凝土的早期开裂敏感性. 结果随着UFA 的掺入,混凝土的早期自收缩变形显著减小,在保持相同流动度条件下,明显低于基准混凝土,早期抗裂性能也优于基准混凝土,且随UFA 掺量的增加,早期抗裂性能随之增强. 结论掺入适量的UFA 可有效地减小道路混凝土的早期自收缩,从而降低早期开裂敏感性,延长路面结构的服役寿命,并为UFA 在实际工程中的应用提供了理论和技术支持.
关键词:超细粉煤灰;道路混凝土;早期;自收缩;开裂敏感性
中图分类号: TU528137 文献标识码:A
随着混凝土技术的不断发展,高强、高性能混凝土是现今混凝土发展的趋势[1 ] ,而降低水胶质量比、掺用活性矿物掺合料以及外加剂等正是配制高强高性能混凝土的主要技术途径. 但是低水胶质量比的混凝土能提供水泥水化的自由水分少,早期强度发展较快使自由水分的消耗也较快[2 ] ,因而在无外界供水的情况下更易产生自收缩尤其早期的自收缩加大[3 ] ,并导致开裂,继而影响混凝土的强度和耐久性. 因此,在高强高性能混凝土中,自收缩现象已是一个造成开裂破坏的主要原因[4 ] ,在总收缩中所占的比例已越来越大,必须引起足够的重视.
在公路混凝土工程中,为追求施工速度,有时为了尽早开放交通(如在路面修补工程中) ,往往强调早期强度的增长,通常采用低水胶质量比,并掺用超塑化剂以及活性掺合料等,导致混凝土早期自收缩加大,是造成路面混凝土过早开裂的一个重要因素. 在本文的研究中,通过掺入适量超细粉煤灰(Ult ra - fine Fly Ash ,简称UFA) 配制用于公路路面的道路混凝土,并通过试验研究UFA掺入对混凝土自收缩变形的影响规律,分析低水胶质量比条件下UFA 道路混凝土早期收缩变形作用效应及其开裂敏感性,为实际的路面混凝土工程提供一定的理论支持.
1 原材料及试验方法
1．1 原材料
①水泥:42. 5 # 普通硅酸盐水泥; ②超细粉煤灰(UFA) :化学成分及物理性质如表1 ; ③砂:河砂,细度模数为2. 75 , Ⅱ区级配合格; ④石:河卵石,符合5～40 mm 连续级配要求,压碎指标为6.2 %; ⑤外加剂: TQN 萘系高效减水剂.
1．2 试验方法
1．2．1 自收缩试验方法
关于混凝土自收缩的测试方法,并没有形成统一的试验标准. 本研究通过总结前人研究成果并加以改进,采用电感调频式微位移传感器[5 ]进行测试,是一种接触式的测试方法,即将混凝土微位移收缩量转化成电量信号的输出频率变化来反映. 其测量范围: 0～2 000 μm ,测量精度可达1μm ,其信号采集和温度测试一样可采用仪表数字显示,利用笔者研究设计的接触式位移传感器主要测量混凝土初凝后的自收缩变形(试验装置及密封处理如图1 所示) .
其具体试验步骤及方法:
(1) 试件成型于不锈钢试模内,试模的密封处理如图1 ,测试时为使试验简便,采取试件一端固定,另一端放松,与微位移传感器测头相接触.
(2) 混凝土试件分两次成型,首先成型试模深度的一半,振捣、密实,然后放入测温元件,再加入剩余混凝土,并振捣密实,抹平表面,然后马上密封试模.
(3) 到混凝土接近初凝(6 h) 时抽去两侧及测试端的聚四氟乙烯垫板,使试件与试模壁分离,并安装上微位移传感器,使其测头与测试端测头相接触,带模测定混凝土的自收缩,通过仪表显示记录初始读数,并换算成位移量.
(4) 测量的同时监控试件内部的温度变化,并对所测的自收缩值进行修正,试验主要测量混凝土早期72 h (3 d) 内的自收缩变形,测试期间要保证整个测试系统的稳定性,避免位移传感器或测头的碰撞,以免影响试验精度,测试环境条件为:温度25 ℃,相对湿度75 % ,在恒温恒湿室进行.
(5)数据处理方法:将频率变化转化成位移变化值,其线形变换标度公式可为Y = aX + b , Y 为位移量,单位为μm; X 为频率,单位为Hz ; a、b 为常数.
1．2．2 混凝土早期抗裂性能试验方法
本文试验采用的平板法模具参考Kraal[6 - 7 ]等人研制的仪器自行加工制造. 模具尺寸: 600mm ×600 mm ×80 mm. 测试混凝土成型后26 h内的表面开裂敏感性. 评定开裂等级的准则:1) 仅有非常细的裂纹;2) 平均开裂面积< 10 mm2 ;3)单位面积开裂数< 10 条/ m2 ;4) 单位面积总开裂面积< 100 mm2/ m2 ;开裂等级划分:按照上述4个准则将开裂程度划分为5 个等级: Ⅰ级———满足所有的4 个条件; Ⅱ级———满足3) 和4) ; Ⅲ级———满足2) 和4) ; Ⅳ级—满足1) 和4) ; Ⅴ级—一个也不满足.
1．2．3 其他试验方法
混凝土力学性能、耐磨性能试验均按《公路工程水泥混凝土试验规程》J TJ 053 - 94 进行.
2 试验结果及分析
2．1 UFA 道路混凝土的配制
以20 %～40 %的UFA 等量取代水泥配制混凝土,配合比如表2 所示.
212 早期自收缩试验及分析
在保持相似流动度条件下配制了基准混凝土及UFA 混凝土(配合比见表2) ,并测试了早期72h 的自收缩变形,结果如图2 所示.
试验表明,UFA 混凝土早期自收缩变形表现出以下几个特点.
(1) 随UFA 的掺入,混凝土自收缩变形得到较明显的改善,较基准混凝土都有不同程度的减小. 从成型6 h (初凝) 时算起,掺20 %～40 %UFA的混凝土1d 变形值分别为301 ×10 - 6 、284 ×10 - 6 、261 ×10 - 6 ,分别为基准混凝土的82. 5 %、77. 8 %、71. 5 % ,且随UFA 掺量的增大,自收缩变形降低.
(2) 由图可知,从成型后6h 算起,混凝土的自收缩变形在3～15h 之间增长较为迅速,从水化进程考虑,此时段应为混凝土成型后的水化放热高峰期,所以水化反应加速,内部水分消耗加快,因而自干燥程度加深,自收缩变形增大,所以在早期加强混凝土的保湿养护是至关重要的.
(3) 从混凝土的配合比来考虑,早期自收缩变形主要决定于混凝土的有效水灰质量比(W/ C ,即实际加水量与水泥量的比值) . 随UFA的掺入,因UFA 早期不参与水化,混凝土早期反应的有效水灰质量比是随UFA 取代水泥量的增加而增大的,这样混凝土自由水分增多,而在与外界环境无物质交换的条件下,自由水分的增多使混凝土自干燥现象减弱,自收缩变形降低.
另外,通过试验发现,采用本试验改进的混凝土自收缩测试装置进行测量,具有测试精度高,可连续测量等优点,尤其对于早期低水胶质量比混凝土自收缩具有较好的测量效果.
2．3 早期抗裂性能试验及分析
混凝土早期抗裂性能测试如图3 所示. 按照前述试验方法进行试验,记录其观测结果,如表3 所示,并对其抗裂性能等级进行划分,如表4 所示.
根据试验结果,基准混凝土在10 h 时出现裂缝;并且随着龄期的延长,裂缝数目及宽度、长度等都有不同程度的增长;到23 h 时,出现肉眼可见的裂缝3 条,其中一条裂缝最大宽度达到0. 5mm ,长度达85 mm. 而掺UFA 的混凝土表现出较好的抗裂性能,随着UFA 掺量的增加,混凝土抗裂性能呈现不断增强的趋势;连续吹风到23 h时,掺UFA20 %和30 %的混凝土出现裂缝条数分别只有两条和一条,其中最大裂缝宽度也仅有0.15 mm ;而UFA 掺量40 %的一组直到吹风结束(26 h) 没有肉眼可见裂缝,对UFA 道路混凝土抵抗早期收缩开裂的等级划分均为“I 级”. 这说明UFA 的掺入能有效的抑制混凝土的开裂,其开裂敏感性大大降低,提高了抵抗表面收缩开裂的能力.学术界对于矿物超细粉的掺入是否增大混凝土早期开裂的可能性存在较多的争议[8 - 9 ] ,本文研究发现UFA 的掺入可有效降低混凝土早期开裂敏感性,针对其作用机理可从以下方面展开分析.
(1) UFA 的掺入取代了一定的水泥量,水化早期有效水灰质量比增大,使得参与水泥水化的水分减少,自由水分增多,这部分自由水分也有利于缓解表面毛细管压力,进而减小塑性收缩应力引发的表面开裂作用.
(2) UFA 颗粒为品质较好的粉煤灰颗粒,其需水量较小,同时形成的微骨架能有效锁住水分,保持整个结构的水分不易被蒸发,降低表面水分的蒸发速率.
(3) 文献[ 10 ]认为水胶质量比在0. 36 以下时,粉煤灰掺入形成有利的中心质效应圈的说法也能作为一个理由. 由于UFA 的减水效应,使得UFA 混凝土水胶质量比要低于基准混凝土(均小于0. 36) ,水胶质量比越低,粒子间间距越小,这种效应圈作用越强[1 ] ,同时有利的中心质效应使界面过渡区得到加强,改善了拌合物中的薄弱环节,相应地就能抑制裂缝的发展,而且使UFA 混凝土拌合物的整体性和黏聚性得到加强,能够适应较大的早期收缩所产生的快速体积变化.因而,在低水胶质量比情况下,UFA 取代水泥掺入到混凝土中不仅不会导致早期收缩变形的增大,相反能有效的减小混凝土的表面塑性收缩,降低裂缝出现的可能性,这对于UFA 在公路路面等塑性收缩变形大,早期开裂敏感性较大的工程中大面积推广应用是具有重要意义的.
2．4 力学性能
表5 为力学性能试验结果.
在保持与基准混凝土坍落度接近的条件下,混凝土采用了更低的水胶质量比,尽管早期参与反应的胶凝材料量降低了,但因UFA 的减水增强效应,使得混凝土的强度发展并未受到较大的影响. 实测表明,1 、2 、3 号配比混凝土的7 d 抗折强度分别达到5. 32 、5. 39 、4. 77MPa (采用标准养护) , 均超过基准混凝土的7 d 抗折强度4. 68MPa ,达到7d 开放交通的要求.
2．5 耐磨性能
耐磨性能是影响道路混凝土性能的一项重要指标,因而必须对其测试. 试验同样采用上述混凝土配合比,并与基准混凝土进行对比. 结果表明,由于UFA 良好的减水增强效应,同时因其本身玻璃体微珠强度很高,故28d 单位面积磨耗值均比基准混凝土的低,相对磨耗率分别只有基准混凝土的41 %、48 %、60 %。这说明UFA 的掺入,混凝土的耐磨性得到了很大程度的改善,能够满足现代公路交通的要求.
3 结 论
(1) 随UFA 的掺入,UFA 混凝土早期自收缩变形得到较明显的改善,且随UFA 掺量的增大,自收缩变形随之减小. 混凝土早期自收缩变形主要决定于混凝土的有效水灰质量比( m ( w ) / m(c) ,即实际加水量与水泥量的比值) .
(2) 相比于基准混凝土,UFA 混凝土早期抗裂性能优良,开裂敏感性大大降低,且随着UFA掺量的增加,抗裂性能进一步改善.
(3) 力学性能、耐磨性能试验表明UFA 道路混凝土7d、28d 抗折强度、耐磨性能等表征路面性能的重要指标均优于基准混凝土.
参考文献:
[ 1 ] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.
[ 2 ] Gao Yingli , Zhou Shiqiong. Investigation of the Hy2dration Shrinkage of Cement Paste Containing Ultra- Fine Fly Ash[J ] . Journal of Central South Univer2sity of Technology ,2005 ,12 (5) :596 - 600.
[ 3 ] 安明哲,覃维祖,朱金铨. 高强混凝土的自收缩试验研究[J ] . 山东建材学院学报,1998 ,12 (1) :139 -143.
[ 4 ] Tazawa E , Miyazawa S. Experimental Study onMechanism of Autogenous Shrinkage of Concrete[J ] .Cement and Concrete Research ,1998 ,28 (8) : 1633- 1638.
[ 5 ] Shin - ichi Igarashi , Arnon Bentur , KonstabtinKovler. Autogenous Shrinkage and Induced Restrain2ing Stress in High - Strength Concretes [J ] . Cementand Concrete Research ,2000(30) :1701 - 1707.
[ 6 ] 李正刚,李朝志. 微位移传感器在热膨胀分析中的应用[J ] . 理化检验—物理分册,2000 ,36 (4) :164 -166.
[ 7 ] Paul P K. A Proposed Test to Determine the Crack2ing Potential Due to Drying Shrinkage of Concrete[J ] . Concrete Construction ,1985(9) :775 - 778.
[ 8 ] Parviz Soroushian , Faiz Mirza ,Abdulrahman Alhoza2imy. Plastic Shrinkage Cracking of PolypropyleneFiber Reinforced Concrete [ J ] . ACI Materials Jour2nal ,1995 ,92 (5) :553 - 560.
[ 9 ] Tazawa Ei - ichi ,Shingo Miyazawa. Influence of Ce2ment and Admixture on Autogenous Shrinkage of Ce2ment Paste [ J ] . Cement and Concrete Research ,1995 ,25 (2) :281 - 287.
[ 10 ] Paul J U. Plastic Shrinkage Cracking and EvaporationFormulas[J ] . ACI Materials Journal ,1998(7/ 8) :365- 375.
[11 ] 王川,杨长辉. 矿渣和粉煤灰对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J ] . 混凝土,2002 (11) :45 - 48.
