摘 要: 研究了粉煤灰( FA)掺量对不同胶水比的混凝土28 d强度的影响规律. 研究表明,粉煤灰预拌混凝土28 d强度与胶水比具有很好的线性相关性, Bolomy公式对粉煤灰预拌混凝土是适用的,但公式中的回归系数需要修正;粉煤灰掺量对不同胶水比的混凝土28 d强度的影响规律基本相同,提出了粉煤灰强度影响系数的概念和经验公式,并利用影响系数对Bolo2my公式进行了修正.
关键词: 粉煤灰; 预拌混凝土; 配合比; 强度公式
中图分类号: TU745 文献标识码: A
由于建筑工程对混凝土性能的要求越来越高,现代混凝土为实现其高性能化一般需要在胶凝材料中加入化学外加剂和矿物掺合料,因此,现代混凝土正由传统的四组分向多组分的方向发展,是典型的五组分或六组分混凝土. 化学外加剂(主要是减水剂和高效减水剂)由于能大幅度降低水灰比而保持浆体良好的工作度,已稳定地成为混凝土的第五组分,而矿物掺合料由于在混凝土的强度、耐久性、工作性以及水化热等方面有许多重要的积极作用,也正成为混凝土的第六组分. 化学外加剂对强度的影响是通过降低水灰比而间接作用的,对混凝土的固相本性没有改变,强度公式中水灰比包含了化学外加剂的影响. 掺合料具有火山灰活性,它与水泥水化后产生的Ca (OH) 2 发生火山灰化学反应,生成C - S - H凝胶,改变了水泥浆体的结构. 掺合料的强度效应根源在于掺合料对材料固相性质的改变[ 1 - 3 ] . 粉煤灰作为一种优良的活性掺合料, 能有效改善混凝土的和易性及耐久性, 且具有良好的经济和环境效益,是现代混凝土技术中应用最广泛的矿物掺合料[ 4 - 6 ] .
传统的普通混凝土的配合比强度公式中没有体现掺合料的影响,所以对于掺合料品种不同、掺量不同的混凝土,都必须试配出其对应的系数不同的强度方程,因而效率低下. 当前,掺加矿物掺合料已成为混凝土改性的重要措施之一,变换掺合料品种和掺量是商品混凝土搅拌站和预制厂常见的事情. 在这种情况下,普通混凝土强度公式对生产实践很难起到应有的指导作用. 因此,迫切需要发展出适合多组分混凝土配合比设计用的强度公式. 本研究在已有试验数据的基础上提出了粉煤灰预拌混凝土配合比设计用强度公式.
1 混凝土配合比强度的几个经验公式
1. 1 普通混凝土配合比设计用强度公式
普通混凝土配合比设计用强度公式由瑞士的Bolomy提出,是我国工程界最为熟悉的混凝土强度公式. 除我国在《普通混凝土配合比设计规程》中采用了该式配制混凝土外,俄罗斯、日本等国也采用该式配制混凝土. 公式为[ 7 ] :
式中: K1 , K2 均为与集料及工艺有关的系数; fce为水泥28 d标准胶砂强度; mc /mw 为灰水比.在式(1)中,当水泥的强度等级不变、集料和水泥的品种质量稳定时, K1 , K2 , fce均为常数,则公式可转化为:
式中: a, b均为与集料、工艺和水泥品种有关的系数.
式(2)表明强度与灰水比呈线性关系,可称之为灰水比强度公式. 此公式被广泛用于普通混凝土的配合比设计.
1. 2 含掺合料因素的混凝土强度公式
考虑掺合料影响的混凝土强度公式主要有[ 8 ] :
1) 用掺合料活性系数和指数修正的Bolomy公式,即
式中: K1 , K2 均为与集料和成型工艺有关的系数; fce为水泥28 d标准胶砂强度; k为掺合料的活性系数;
ma 为掺合料用量; q为掺合料的活性指数.
从式(3)的结构看,此式无法从目标强度推出试配参数mc /mw 或ma /mw ,因而只适合用于预测混凝土强度,无法用以计算混凝土的配比.
2) 用掺合料胶凝效率系数修正的公式,即
式(4)中引入了Smith IA提出的胶凝效率系数k的概念. 其定义是1 kg掺合料对混凝土强度的贡献与k kg水泥的贡献相当. 由k的定义,式( 4)中将描述胶结材料浆体的水灰比参数mc /mw 改为mw /(mc + kma ) . a, b则均为需通过试验回归确定的系数.
从式(4)的结构可知,此公式既可用于预测混凝土强度,也可用于配制混凝土的配比计算. 但掺合料的强度效应与掺量密切相关,有一个最佳掺量的问题,并非越多越好,也并非越少越好,但掺合料的最佳掺量目前没有定论.
3) 用掺合料强度效应函数修正的公式,即
式中: fce为水泥标准胶砂抗压强度; a, b均为回归系数;Ψ ( P)为掺合料强度效应函数; mb 为胶凝材料总量.
在式(5)中,Ψ ( P)是否合理有效是一个关键. 在实际应用中,Ψ ( P)是通过预先试验取得的己知函数,它与掺合料品种、质量、掺量及水泥品种均有关. 因此,使用式(5)需在配比前预先试验求得Ψ ( P) .通过分析可以认为,目前工程界还没有统一的含掺合料的混凝土强度公式,各混凝土生产商均采用实验室试配的方法,试配出其对应的系数不同的强度方程,因而效率低下.
2 粉煤灰对预拌混凝土强度的影响
预拌混凝土的掺合料主要是粉煤灰,由于矿渣价格较高,因此,在预拌混凝土生产中一般应用较少.高强混凝土一般还要掺硅粉及超细粉,本研究提出的强度公式主要针对掺粉煤灰的预拌混凝土.粉煤灰对混凝土强度的影响主要通过3个方面实现.
1) 粉煤灰改变了混凝土的实际水灰比. 由于掺合料的使用使水化反应的实际水灰比增大,水化反应也相应受到影响. 比如:在原水灰比mw /mc = 0. 45的混凝土中用等量法掺入20%的粉煤灰,混凝土的水胶比mw /mc + f仍然为0. 45,但实际水灰比变成0. 562 5,显然,混凝土实际水灰比发生了显著的变化.
2) 粉煤灰改变了混合物的空隙结构. 研究表明[ 9 ] ,粉煤灰的掺入显著改善了水泥浆体的孔隙结构,使得大孔减少而微孔增加. 粉煤灰对水泥浆体孔结构的改善是由于粉煤灰的密实效应作用的结果. 在早期,大量细小的粉煤灰颗粒填充在熟料矿物的水化产物孔隙中,将原来的大孔分割为很多细小且互不连通的小孔,使硬化浆体的密实度提高.
3) 粉煤灰的“活性效应”. 粉煤灰的活性效应是指混凝土中粉煤灰的活性成分所产生的化学效应,粉煤灰参与水泥的水化硬化过程是:首先将熟料矿物水化,然后把水化放出的Ca (OH) 2 再与粉煤灰的活性组分进行反应(火山灰反应的主要产物是Ⅰ型和Ⅱ型的C - S - H凝胶). 火山灰反应产物与水泥水化产物交叉连接,对促进强度增长起了重要作用.
3 本研究提出的粉煤灰预拌混凝土强度公式
由于粉煤灰对混凝土强度的影响,Bolomy公式是否适用于粉煤灰预拌混凝土配合比设计还有待于进一步研究. 本研究引用文献[ 10 ]中的一组实验数据来说明Bolomy公式对粉煤灰预拌混凝土的适用性(见图1). 从图1可以看出,各掺量粉煤灰预拌混凝土其28 d抗压强度与胶水比mc + f /mw 线性关系明显,其回归方程及相关性见表1.
表1结果说明,混凝土28 d抗压强度与胶水比线性相关,且相关系数R2 在0. 94以上,因此,可以认为鲍罗米对粉煤灰预拌混凝土是适用的,但公式中的回归系数需要作修正.图2为粉煤灰预拌混凝土28 d抗压强度与粉煤灰掺量之间的关系曲线,从图2中可以看出,在相同水胶比条件下,粉煤灰掺量增加,混凝土抗压强度下降,且28 d抗压强度与粉煤灰掺量存在很好的二次函数关系. 其回归曲线方程见表2. 利用表2的回归方程可以得到不同胶水比混凝土在不同粉煤灰掺量下的28 d抗压强度与不掺粉煤灰条件下混凝土28 d抗压强度的比值,见表3及图3.
注:表3中粉煤灰掺量取分别0, 10%, 20% , 30% ⋯时, x = 1,2, 3, 4⋯
从表3及图3可以看出,在不同胶水比条件下,不同粉煤灰掺量对混凝土的28 d抗压强度的影响规律相同.通过分析,本研究提出粉煤灰掺量对预拌混凝土抗压强度影响系数K的概念, K是粉煤灰掺量的二次函数. 通过对图3进行回归分析得出:
K = - 0. 012 0x2 - 0. 022 3x + 1. 034 2. (6)
式中: x 表示粉煤灰掺量, 粉煤灰掺量分别取0,
10% , 20% , ⋯时, x = 1, 2, 3, ⋯.因此,粉煤灰预拌混凝土配合比设计用抗压强度公式可以表示为:
式中: Rc 为水泥的实际强度,MPa; Rh 为混凝土的试配强度,MPa; mc + f /mw 为混凝土的胶水比; K为粉煤灰掺量影响系数; A, B 均为回归系数.
4 结 论
1) 在粉煤灰预拌混凝土配合比设计中, 28 d抗压强度与胶水比之间具有很好的线性相关性,即鲍罗米公式在粉煤灰预拌混凝土配合比设计中是适用的.
2) 粉煤灰预拌混凝土Bolomy公式Rh =ARc (mc + f /mw - B )中的回归系数A, B 值要作修正.
3) 本研究提出了粉煤灰对预拌混凝土抗压强度影响系数K的概念, K是粉煤灰掺量的二次函数,其方程为K = - 0. 012 0x2 - 0. 022 3x + 1. 034 2.
4) 本研究提出粉煤灰预拌混凝土配合比设计用抗压强度公式为Rh = KARc (mc + f /mw - B ).
参考文献:
[ 1 ] Lam L, Wong Y L, Poon C S. Degree of hydration and gel/ space ratio of high2volume fly ash / cement systems[ J ]. Ce2ment and Concrete Research, 2000, 30 (5) : 747 - 756.
[ 2 ] Zhang YaMei, SunWei, Yan Hang Dong. Hydration of high2volume fly ash cement pastes [ J ]. Cement and ConcreteComposites, 2000, 30 (6) : 445 - 452.
[ 3 ] 潘钢华,孙 伟. 活性混合材微集料效应的理论和实验研究[ J ]. 混凝土与水泥制品, 1997 (6) : 23 - 25.
[ 4 ] 颜东煌,刘小燕. 桥用高强混凝土的强度特性与本构关系研究[ J ]. 长沙交通学院学报, 2004, 20 (4) : 25 - 27.
[ 5 ] 周志军. 复合粉煤灰的工程力学性质试验研究[ J ]. 中外公路, 2007 (3) : 34 - 36.
[ 6 ] 欧阳东. 六组分混凝土配比设计用强度公式[ J ]. 混凝土, 1997 (3) : 38 - 44.
[ 7 ] JGJ55 - 2000,普通混凝土配合比设计规程[ S].
[ 8 ] 付 征. 混凝土配比设计方法的改进及其计算机化[D ]. 长沙:湖南大学, 2004.
[ 9 ] 施惠生,方泽锋. 粉煤灰对水泥浆体早期水化和孔结构的影响[ J ]. 硅酸盐学报, 2004, 32 (1) : 95 - 98.
[ 10 ] 张承志. 商品混凝土[M ]. 北京:化学工业出版社, 2005.
