摘要: 设计收缩、小圆环约束开裂、水化热、极限拉伸率以及抗氯离子渗透性等5 种试验方法来考核粉煤灰对高性能混凝土收缩开裂性能的影响。研究结果表明: 粉煤灰能够改善高性能混凝土的工作性、降低早期弹性模量和水化热、7 d 后强度能够快速增长并逼近基准混凝土, 能够有效地提高混凝土的抗裂性能。
关键词: 粉煤灰; 收缩开裂; 水化热; 小圆环法
中图分类号: TU528 文献标识码: B 文章编号: 1002- 4972( 2007) 01- 0025- 05
粉煤灰处于热力学介稳状态, 是玻璃相组成,具有很好的活性; 由于其具有表面形貌和颗粒效应、稀释效应、水化效应和耐久效应等功能, 能够相应地改善混凝土的新拌工作性、水化历程( 改善界面CH 的定向排列问题和降低总生成量) 、降低水化热、提高中长期强度、增强耐腐蚀性能等而被作为辅助胶凝材料广泛用来配制混凝土。混凝土工程结构裂缝控制第一关键要素是提高混凝土体积稳定性, 而提高混凝土体积稳定性的关键取决于胶凝材料组分自身的低热低变形性能。本文设计了5 种试验方法, 较为全面地考核了粉煤灰对高性能混凝土收缩开裂性能的影响。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
水泥: 广州粤秀牌PⅡ42.5R 级; 粉煤灰为黄埔粤和实业有限公司生产的Ⅱ级灰; 粗骨料: 广州番禺石岗采石场花岗岩碎石, 粒径5～25 mm, 连续级配; 细骨料: 广东南海市中砂, 细度模数2.77( Ⅱ区) , 含泥量0.4%, 表观密度2 564 kg/m3; 减水剂: 江苏镇江特密斯混凝土外加剂厂生产的水溶性氨基磺酸盐高效减水剂, 固含量33%, 减水率25.5%; 拌合用水符合《混凝土拌合用水》( JGJ 63- 89) 中的有关规定。
1.2 试验方法
1.2.1 极限拉伸试验、干燥收缩、物理力学性能试验按照JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规
程》进行。
1.2.2 水泥浆体小圆环约束开裂试验
如图1 所示, 该试验装置由试件试模、电阻应变仪、连接电缆、应变片、平板光滑玻璃板, 密封材料、电脑等几部分组成。试件的模具包括内环、外环和底座。用其制备的试件尺寸为: 内环半径41.3 mm, 外环半径66.7 mm, 高度25.4 mm。试验净浆选用的水灰比( 水胶比) 宜取0.26; 成型后迅速将试件移入养护室。养护温度20±2℃,湿度>95%。试件成型24±1h 后, 将试件连同模具的内环一起取出, 在试件顶面和底面涂抹隔离剂进行密封处理并将试件连同模具内环平放在玻璃平板上, 试件的外侧面粘贴应变片, 通过计算机采集应变数据并绘图观测曲线是否有突变点。试件出现开裂后, 记录外侧面的开裂模式并计算开裂时间(从加水搅拌后24 h 并取出放入干燥室开始计时)。开裂时间为应变计显示减小上百个微应变或者增加数百个微应变的时刻。如果未观察到试件的应变值出现突变点, 而试件表面也没有发现可见裂纹, 则为“未开裂”, 记录试验结束的龄期。整个试验观测时间一般不超过7 d。
1.2.3 快速氯离子渗透试验按照ASTMC1202—97 进行。
1.2.4 自收缩试验
采用自行设计的自收缩设备进行, 成型后带模具测试, 为排除塑性变形的影响, 以各个组分终凝时间作为测基长的初始时间。该装置主要由温度巡检、位移应变测试、恒重无湿度交换无约束模具3 部分组成, 如图2 所示。
2 试验方案
试验配合比混凝土单方用量比m ( 胶材) : m( 砂) ∶m ( 石) ∶m ( 水) =450∶716∶1074∶157.5 (W/B=0.35) ; 胶凝材料组成分别为W1: 空白100%C;W2: 25%FA+75%C; W3: 35%FA+65%C; W4:45%FA+55%C ( FA 表示粉煤灰, C 表示水泥) 。
首先对所有配合比进行试拌, 确定减水剂用量,按照规定龄期进行强度测试。小圆环试验直接为胶凝材料组分:水=1∶0.26 (W/B=0.26) , 减水剂用量根据水泥浆体流动度大于200 mm 确定。
3 试验结果及分析
3.1 粉煤灰对混凝土物理力学性能的影响试验结果见表1。
从表1 可以看出, 随着粉煤灰掺量的增加, 3 d抗压、抗弯及劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量逐渐降低。达到56 d 龄期时候, 除抗弯性能变化比较离散外, 对其他物理力学性能的影响不是十分明显。这充分反应了粉煤灰混凝土后期强度随时间迅速增长的变化特点, 大掺量粉煤灰混凝土以56 d 或60 d 龄期作为强度设计考核指标是确实可行的。掺加粉煤灰使得早期混凝土的抗拉强度有所降低, 但早期弹性模量的降低幅度更大, 并考虑到早期因为抗压强度低、徐变作用下的应力松弛能力较高, 这为抵抗早期各种收缩变形、抑制裂缝生成创造了物理力学条件。
3.2 粉煤灰对水泥浆体约束开裂性能的影响粉煤灰对水泥浆体约束开裂性能的影响如图3所示。一般来说, 在无特种措施条件下, 不同胶凝材料体系出现开裂的时间均在有效龄期72 h 之
前发生[1], 可见小圆环开裂试验初始时间参数与试件早期的物理力学性能密切相关。从图3 可以看出随着粉煤灰掺量的增加, 小圆环初始开裂的时间被明显延长。这说明高强但不早强、早期弹性模量较低的粉煤灰体系混凝土抵抗约束开裂性能要远高于空白组分。开裂后应变变化速度能够反映出裂缝的扩展程度, 应变变化值越大说明裂缝扩展的程度越严重。从图3 可以看出, 初始裂缝出现后, 粉煤灰掺量的增加, 有效地降低了出现裂缝后期约束应变速率。为了证明其相关性, 实验结束后采用光学显微镜测量粉煤灰体系的裂缝宽度, 随着粉煤灰掺量的增加, 裂缝宽度从0.35 mm减少到0.15 mm, 而基准裂缝宽度在0.6 mm 左右。
3.3 粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响抗渗漏性能和裂缝性状是评价防水混凝土工程质量的2 个重要参数[2]。由于二者的经时变化规律不同, 并且二者之间存在相互依赖关系, 所以抑制裂缝生成和提高混凝土材料的密实性是提高防水工程质量的有效技术途径。按照水灰比法则,认为水灰比越小, 混凝土强度越高, 混凝土结构孔隙率越低, 结构越致密, 抗渗透性能越强。但高强混凝土由于存在早期自收缩大、热应力集中、应力松弛能力小、高弹性模量、低韧高脆性等特点, 出现工程裂缝的几率大大增加。一旦裂缝出现、混凝土抗渗透性能就会严重恶化; 所以降低水胶比, 配制高强混凝土的技术路线由于没有考虑到抗开裂性能, 不是提高防水工程质量的有效措施。从图4 可以看出, 随着粉煤灰掺量的增加,同一龄期抗渗透性能逐渐提高, 56 d 龄期时, 抗渗透性能进一步增强, 这表明粉煤灰的“火山灰效应”使得混凝土结构更加致密, 是制备防水混凝土有效辅助材料之一。
3.4 粉煤灰对混凝土极限拉伸率的影响从混凝土开裂的物理力学条件来看: 影响混凝土收缩开裂的主要物理力学性能是混凝土抗拉强度( 抗拉弹性模量) 和极限拉应变。从热效应及变形两个方面降低在约束条件下产生的拉应力,使其在各个龄期保证约束变形不大于混凝土材料的极限拉伸率、拉应力不大于极限抗拉强度。图5比较了掺35%粉煤灰混凝土W3 与基准W1, 可以看出, 随着时间变化粉煤灰后期轴心抗拉强度增长十分明显, 达到28 d 龄期时, 基本接近空白组分W1。空白组分的极限拉伸率随龄期变化有不同程度的降低, 最后稳定在60 μξ左右, 而掺加粉煤灰组分随龄期变化混凝土的极限拉伸率逐渐增加, 28 d 时达到85 μξ, 这表明掺加粉煤灰后,提高了高强高性能混凝土早期的韧性, 脆性得到了改善, 对早期裂缝的生成具有很强的阻裂效果。
3.5 粉煤灰对混凝土水化热及历程的影响胶凝材料水化热是导致工程热裂缝或冷裂缝的主要根源。降低水化热总量及延缓放热速率是大体积、大面积混凝土工程温度控制的主要出发点。研究资料表明[3- 4], 水泥熟料中3 d 水化龄期放热量(C3S+ C3A) /( β- C2S+ C4AF) ≈4, C3S、C3A、β- C2S、C4AF 3 d 的水化程度分别为36%、83%、1%、70%; 并且在水泥熟料中( C3S+ C3A) 占60%~70%, 可见C3S、C3A 是影响水化热的主要因素, 降低单方混凝土水泥用量是最有效的技术途径。
从图6 可以看出, 随着粉煤灰掺量的增加, 最高放热峰对应的时间没有明显变化, 但放热最高峰值逐渐降低, 放热总量显著降低。但在水化6 h 之前及初凝前, 随着粉煤灰掺量的增加, 放热速率是逐渐增加的。分析认为, 由于粉煤灰颗粒表面效应、分散效应使得水泥中C3A 组分获得充分水化, 粉煤灰颗粒表面受到硫酸盐、碱激发作用,颗粒水化活性得到了增强。同时根据水化动力学原理以及浓度扩散理论, 早期粉煤灰掺量大, 二次水化反应会提前开始, 这对C3S、C3A 的水化具有促进作用。但随着水化的不断进行, 粉煤灰颗粒被分散包容在C- S- H 凝胶中, 形成固熔体结构。由于粉煤灰的火山灰效应只有在硫酸盐、碱环境下才能充分发挥。粉煤灰用量越大, 水化产物CH 越少, 逐渐成为制约二次水化反应的主导因素, 二次水化反应速率显著降低, 表现为宏观物理力学强度的降低。
3.6 粉煤灰对混凝土收缩性能的影响图7 为干缩湿涨曲线图, 图中1 条垂直虚线,把混凝土干缩湿涨变形分为2 个区域, 干燥龄期为90 d, 之后放入20℃淡水中养护10 d, 20 d,30 d 分别测量其变形, 湿涨龄期总计为60 d。从图2 可以清楚看出, 随着龄期变化, 添加35%粉煤灰和空白组分干燥收缩变形逐渐增大, 达到90 d时, 空白收缩达到400 μξ以上, 添加粉煤灰后, 各个龄期混凝土的干燥收缩变形都有不同程度的降低。从图7 右边的纵坐标可以看出, 粉煤灰对混凝土减少干燥收缩率基本稳定在20%左右; 进入湿养护阶段后, 减少收缩率值迅速降低, 在水中养护60 d 后减少收缩率降低为负值, 这表明空白混凝土的湿涨变形速率远远大于掺粉煤灰混凝土的湿涨变形速度。可见在干湿交替的环境下, 掺加粉煤灰的混凝土体积稳定性要明显好于空白组分W1。
高强高性能混凝土由于低水胶比, 较高的胶凝材料用量, 因而早期水化快, 容易造成混凝土结构内部“缺水”孔液面饱和蒸汽压降低, 相对湿度降低, 发生自收缩变形大, 而这一部分变化通过普通混凝土的干燥收缩试验往往无法反映出。
笔者采用自行设计的自收缩测试装置, 对掺35%粉煤灰组分W3 与空白组分W1 进行了自收缩对比试验。从图8 可以看出掺粉煤灰后无论从自收缩总量及自收缩变化速率上都明显优越于空白混凝土组分W1。7 d 左右基本达到了稳定阶段。从本次试验来看, 掺加粉煤灰对提高混凝土自身体积稳定性效果十分显著。
4 结论
1) 添加粉煤灰降低混凝土早期的弹性模量和抗压强度, 提高早期的抗拉强度是改善混凝土早期抗裂性能的主要途径。
2) 小圆环约束开裂试验、收缩试验、极限拉伸率试验表明粉煤灰能够有效提高水泥基材料的体积稳定性, 粉煤灰能够显著降低早期水化热放热速率, 降低放热总量; 粉煤灰能够密实混凝土内部结构, 是制备阻裂防渗漏防水混凝土的有效辅助胶凝材料之一。
3) 小圆环试验可以比较直观地反映出不同胶凝材料组成约束开裂性能, 通过早期开裂前变形量可以考核其体积稳定性能, 通过裂缝发生的初始时间可以评价其抗裂能力; 通过出现裂缝后应变变化可以判断裂缝的扩展情况。
参考文献:
[1] 王迎飞. 高性能混凝土控裂技术研究报告[R]. 广州: 广州四航工程技术研究院, 2005.
[2] PhilipNixon, etc. Concrete- constructionmaterial for the nextmillennium. Concrete[J]. 2000(1):
[3] [英]悉泥·明德斯, [美]弗郎西斯·杨. 混凝土[M]. 方清秋等, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 1989.
[4] 袁润章. 胶凝材料学[M]. 第2 版. 武汉: 武汉工业大学
