粉煤灰细骨料混凝土早期变形与开裂敏感性研究.pdf
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1、第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023粉煤灰细骨料混凝土早期变形与开裂敏感性研究石旅铭,毛明杰*,景严谊(宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川750021)摘 要:为探究粉煤灰不同替代率、不同替代方式对混凝土的早期变形与开裂敏感性的影响,采用级粉煤灰等体积替代细骨料(替代率为 0%,15%,25%,35%,45%)和等体积替代水泥(替代率为 25%)的方法,拌制了 6 种设计强度为 C30 的混凝土。结果表明:粉煤灰等体积替代细骨料的方式可以不同程度提高混凝土早期抗
2、压、劈裂抗拉强度,降低混凝土早期开裂敏感性,最佳替代率为 35%,其 28 d 抗压强度与劈裂抗拉强度分别比普通混凝土高10.21 MPa 和 0.9 MPa;粉煤灰细骨料混凝土还可以抑制混凝土的自生收缩率,最佳替代率为 15%,较普通混凝土收缩率降低 9.2%。在粉煤灰细骨料混凝土中,35%的替代率对混凝土早期变形与开裂敏感性改善最大。关键词:粉煤灰细骨料混凝土;自生收缩;早期变形;开裂敏感性中图分类号:TU528 文献标志码:A混凝土优异的性能与低廉的价格使其成为当今世界最为广泛应用的建筑材料之一。其中胶凝材料的水化会释放出大量的水化热,随着龄期的延长,水化热会导致混凝土温度升高,一方面温
3、度升高可以促进混凝土强度快速增长,较快满足设计强度要求;另一方面因混凝土表面温度散失要快于其内部,这可能导致混凝土内外温差过大,此时混凝土很容易产生温差裂缝1。此外,混凝土内部水分迁移引起的收缩变形也是导致混凝土早期开裂的主要原因之一。在混凝土结构的建设与使用中常出现不同程度、不同形式的变形与开裂,从而引起渗漏,减少了结构使用寿命,对结构的强度、耐久性造成较大的影响。为增强混凝土的工作性能,减少不必要的经济损失,有必要寻找提高混凝土抗裂性能的方法。粉煤灰是由火力发电厂通过燃煤发电所产生的工业废料,呈玻璃晶体形态,预计在 2024 年我国的粉煤灰排放量将超过 9 亿 t2。同时,河砂的过度开采既
4、引起了河岸塌陷等地质灾害,又对水资源环境造成破坏3。针对粉煤灰大量堆存占除空间并威胁人类健康,河砂资源短缺且不可再生的问题,K.Ishimaru 等4、毛明杰等5提出了用粉煤灰部分代替细骨料的方法,提高了粉煤灰在混凝土中的使用率,缓解了河砂资源短缺的问题,同时在一定程度上提高了混凝土的力学性能等。研究发现,矿物掺合料的水化速度较慢,产生的水化热相对较少,将其掺入混凝土中能够减少混凝土水化热,降低其早期开裂敏感性和变形6。S.Utsi 等7认为混凝土早期开裂风险的评估,需要综合考虑水化过程中放热和性能的发展,并建立了风险开裂评估模型,研究表明,大掺量粉煤灰显著降低了混凝土早期开裂风险。郭远臣等8
5、研究表明,粉煤灰能通过改善再生骨料混凝土界面孔结构,降低材料与水的润湿性,以此减小再生混凝土水分扩散速率,从而在一定程度上抑制了干燥变形。肖建庄等9发现粉煤灰通过微集料效应,可以有效改善再生混凝土界面过渡区的孔结构,并在一定程度上抑制再生混凝土的收缩,从而显著减小再生混凝土的开裂面积。目前,粉煤灰等质量替代部分胶凝材料的粉煤灰混凝土早期变形与开裂敏感性的研究较多,而对粉煤灰细骨料混凝土早期变形与开裂敏感性的研究较少。因此,本文制备粉煤灰细骨料混凝土与普通混凝土及粉煤灰混凝土进行对比,分析粉煤灰在不同替代率、不同替代方式下对混凝土早期抗压强度、劈裂抗拉强度和自生收缩的影响,对粉煤灰细骨料混凝土的
6、早期变形与开裂敏感性进行评价研究。文章编号:1671-7244(2023)02-0153-05收稿日期:2022-03-02基金项目:宁夏回族自治区重点计划项目(2021BEG02014)作者简介:石旅铭(1997),男,硕士研究生,主要从事混凝土材料的研究()。*通信作者:毛明杰(1972),男,教授,博士,主要从事土木工程结构、新型建筑材料的研究()。宁 夏 工 程 技 术第 22 卷1材料与方法1.1原材料(1)水泥为宁夏赛马牌 P.O 42.5 水泥,其初凝和终凝时间分别为 185 min 和 240 min,3 d 和 28 d 的抗压强度为 22.5 MPa 和 47.2 MPa。
7、(2)砂子为宁夏银川市天然河砂,级配良好,细度模数 2.75,密度为 2 710 kg/m3。(3)粗骨料为洁净无杂质 520 mm 连续级配天然碎石,由 510 mm 单级配碎石,1020 mm 单级配碎石以 24 50 的比例(质量比)掺配组成。(4)粉煤灰为银川市当地火电厂产级粉煤灰,密度为 2 058 kg/m3,其出厂检验的各项技术指标均合格,其物理指标及化学成分如表 1 所示。(5)外加剂为宁夏宏联外加剂有限公司生产的HL-B1 聚羧酸高效减水剂,减水效果为 25%30%。1.2试验方案本文依据 普通混凝土配合比设计规程(JGJ 552011)进行配合比设计,混凝土设计强度为 C3
8、0,水胶比为 0.5,砂率为 42%,再以等体积替代法将粉煤灰作为细骨料替代河砂,并加入适量减水剂控制混凝土的坍落度范围在 160190 mm,以满足混凝土泵送施工要求。公式(1)为粉煤灰等体积替代细骨料(替代率 25%)的计算式,具体配合比如表 2 所示。MFA=MS 25%FAS,(1)式中:S,FA分别为细骨料和粉煤灰的密度,kg/m3;MS,MFA分别为细骨料和粉煤灰的单位用量,kg/m3。1.3混凝土试件制作试验共设计 1 个基准组(FRSC30-0)、4 个粉煤灰替代细骨料对照组(FRSC30-15,FRSC30-25,FRSC30-35,FRSC30-45)以及 1 个粉煤灰替代
9、水泥对照组(FRCC30-25)。混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验依据 普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812002)进行,共制备了 3,7,14,28,56 d 5 个龄期 100 mm100 mm100 mm 立方体试件,总计 180 块;混凝土自生收缩试验依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 500822009)进行,制备 100 mm100 mm515 mm长方体试块,总计 18 块。2结果与分析2.1抗压强度分析各组试件不同龄期抗压强度如图 1 所示。由图 1可知:除 FRCC30-25 外,其他配比混凝土 28 d 强度都满足 C30 设计强度要
10、求;各配比混凝土的强度随养护龄期的增加而增大,发展趋势几乎一致。各配比混凝土 3 d 强度都达到 28 d 强度的 65%以上;在37 d 时各配比混凝土强度增长幅度都比较大,其中 FRSC30-15,FRSC30-25 的 7 d 强度分别达到了28 d 强度的 84.6%和 80.4%;在 14 d 时,各配比混凝土强度接近 28 d 强度,达到了 28 d 强度的 85.3%96%,其中 FRSC30-25,FRSC30-35,FRSC30-45 的14 d 强度已达到 C30 设计强度;在 2856 d 时各配比混凝土强度发展缓慢,其中 FRSC30-35 增长率最低,为 2.4%,F
11、RCC30-25 增长率最高,为 12.1%;除FRSC30-15 的 3 d 强度外,粉煤灰细骨料混凝土的抗压强度均高于普通混凝土,等体积替代水泥的粉煤灰混凝土 FRCC30-25 强度最低,其中 FRSC30-35 的 28 d 强度最高,为 48.92 MPa;对比同替代率不同替代方式的 FRSC30-25 与 FRCC30-25,FRSC30-25 的强度要明显大于 FRCC30-25 的强度。粉煤灰混凝土 FRCC30-25 是通过粉煤灰等体积替代 25%的水泥制成,水泥的减少增加了混凝土表1粉煤灰物理指标及化学成分类别级细度34.3烧失量/%5.74需水量/%97.00质量分数w/
12、%SO32.37Al2O325.30SiO247.80SrO0.572K2O2.43Fe2O310.40CaO7.86TiO21.51表2混凝土的配合比及坍落度编号FRSC30-0FRSC30-15FRSC30-25FRSC30-35FRSC30-45FRCC30-25单位体积配合比/(kgm-3)水165165165165165165水泥330330330330330247.5砂子813.30691.30610.00528.67447.33813.30小石子394.3394.3394.3394.3394.3394.3大石子733.3733.3733.3733.3733.3733.3粉煤灰09
13、2.67154.33216.33278.00382.67减水剂2.003.335.337.339.671.33坍落度/cm182173178170168182注:FRS,FRC分别代表粉煤灰细骨料混凝土和粉煤灰混凝土,编号中C30代表混凝土设计强度,设计强度后的数字为粉煤灰替代率大小,如C30-25即代表设计强度为30 MPa、等体积替代率为25%的混凝土。154第 2 期石旅铭等:粉煤灰细骨料混凝土早期变形与开裂敏感性研究的水灰比,减弱了水泥水化反应,而粉煤灰的“三大效应”给抗压强度带来的增益小于水泥水化反应减少带来的减损,故粉煤灰替代 25%的水泥影响混凝土抗压强度的增长。在 FRSC30
14、-0FRSC30-45 中,水胶比不变的条件下粉煤灰替代部分砂子后,每个龄期强度较普通混凝土都有不同程度的强度优势,粉煤灰除发挥部分胶凝作用,还发挥了细集料效应,填充了混凝土内部胶凝材料与砂子之间的空隙,使混凝土内部颗粒更加均匀,提高了混凝土的密实性,从而提高了混凝土的强度10。粉煤灰的水化速度小于水泥熟料,从而导致粉煤灰过量掺入时会降低混凝土的抗压强度。粉煤灰在同等替代率下,粉煤灰细骨料混凝土的强度要优于粉煤灰混凝土,替代部分砂子的方法可以有效弥补粉煤灰替代水泥时早期强度不高的缺点。粉煤灰替代细骨料时并不是替代率越高越好,过高的替代率可能对强度起到反作用,本研究表明,级粉煤灰替代细骨料的合理
15、替代率在 35%左右,其各龄期的强度表现优于其他配比,与文献11中级粉煤灰最优替代率 25%不同。混凝土的抗压强度是保证其他工作性能的基础,而本次研究中粉煤灰细骨料混凝土的抗压性能强于其他混凝土,一定程度上反映出粉煤灰替代细骨料方式能够增强混凝土的工作性能。2.2劈裂抗拉强度分析各组试件在不同龄期的劈裂抗拉强度如图 2 所示。由图 2 可知:各配比混凝土不同龄期的劈裂抗拉强度变化与其抗压强度类似,其中 FRSC30-35 劈裂抗拉强度表现最好;与抗压强度不同,在 37 d 时各配比混凝土劈裂抗拉强度得到快速发展,其中FRSC30-0,FRSC30-15,FRSC30-25 的 7 d 劈裂抗拉
16、强度已达到 28 d 劈裂抗拉强度的 86%以上,而较高掺量的 FRSC30-35,FRSC30-45 的劈裂抗拉强度在后期发展较快,在 2856 d 时其劈裂抗拉强度增长率分别达到 11.25%和 16.84%;同等替代率下,FRSC30-25 与 FRCC30-25 相比,粉煤灰细骨料混凝土仍表现出较大的优势。由图 3 可知,采用线性分析建立的混凝土抗压强度 fcu(MPa)与劈裂抗拉强度 fsp(MPa)关系式为fsp=0.067 25fcu1.0004,R2=0.837 9。混凝土的劈裂抗拉强度决定混凝土的开裂敏感性,当拉应力超过抗拉强度时,混凝土就会开裂。混凝土早期抗拉强度是混凝土早
17、期开裂抗力的主要参数。但在实际测试中,混凝土的轴心抗拉强度受测试设备、混凝土均匀性等外界因素影响,测试结果离散性较大12,现有研究中的劈裂抗拉强度 sp(MPa)和单轴抗拉强度 ut(MPa)的关系式为 ut=1.6sp0.7。该公式适用于本研究中边长 100 mm 的立方体试件。因采用单轴抗拉强度与劈裂抗拉强度关系式为增函数,故单轴抗拉强度的增长趋势与劈裂抗拉强度完全一致。早期粉煤灰对混凝土劈裂抗拉强度的影响与对抗压强度的影响基本一致。一方面,早期粉煤灰的加入提高了混凝土的密实性,同时也起到了部分胶凝作用,促进混凝土强度的增加;另一方面,粉煤灰的大量掺入减少了水与胶凝材料的接触面积,从而抑制
18、了早期水泥的水化反应,使高替代率UdMPa5045403530252037142856FRSC30-0FRSC30-25FRSC30-45FRSC30-15FRSC30-35FRCC30-25图1各组试件不同龄期抗压强度UdMPa4.03.53.02.52.01.537142856FRSC30-0FRSC30-25FRSC30-45FRSC30-15FRSC30-35FRCC30-250图2各组试件在不同龄期的劈裂抗拉强度MPaMPa5045403530254.03.53.02.52.01.5fsp=0.067 25fcuR2=0.837 91.004图3混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度线性关系1
19、55宁 夏 工 程 技 术第 22 卷的混凝土早期抗拉强度低于其他配比。通过分析可知,粉煤灰等体积替代细骨料的方法能够有效地增加混凝土的早期抗拉强度,即降低混凝土早期开裂敏感性。FRSC30-35 较其他配比混凝土有较强的抗开裂性能,故 35%左右等体积替代率时,混凝土抗开裂性能和耐久性较好,而大于35%的替代率可能对混凝土的相关性能无益,且会造成材料的浪费。2.3自生收缩分析各组试件不同龄期的自生收缩率如图4 所示。由图 4 可知,所有配比混凝土的自生收缩均随着龄期的增加而增加。其中,FRSC30-0 的早期收缩率较大,其 3 d 收缩率就已达到 60 d 收缩率的 82%,但随龄期的增加其
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