不同掺量粉煤灰对混凝土变形性能影响

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摘 要： 针对掺入优质粉煤灰材料对混凝土的工作性能和耐久性能的影响，设计了粉煤灰掺量0%、20%、30%、40%的4种混凝土，研究了最大压应力分别为40% fcy和80% fcy，加载速度为5kN/s，重复5次时的重复压应力作用下，混凝土轴向变形性能，探讨了掺加粉煤灰对混凝土变形性能的影响。

关键词： 粉煤灰； 混凝土； 变形性能

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0046-02

混凝土是水泥、砂、石和水的混合材料，是土木工程结构设计中应用最为广泛的复合材料。为了适应现代施工技术及建筑结构的要求，混凝土必然要向高性能高强度方向发展，即易浇注、易密实成型而不离析，长期力学性能与体积稳定性好，高强、高韧性，在严酷环境中使用寿命长等等。随着人们对混凝土材料的深入研究发现，一个最有效的方法是利用双掺技术，选用合适的外加剂，掺入适量的粉煤灰来生产高性能混凝土。可以说，目前粉煤灰已经成为商品混凝土行业不可缺少的一大原材料之一[1]。在混凝土中掺入粉煤灰，有两个方面的作用：一方面粉煤灰作为活性的胶凝材料的组成部分，另一方面粉煤灰也可以作为惰性的掺和料。而粉煤灰作为矿物掺合料，具有明显的优点：工业废料，量大，价廉，不需（或稍进行）加工即可满足混凝土矿物掺合料的要求[2]。对粉煤灰的利用一方面减少了粉煤灰直接对环境的污染；另一方面由于用粉煤灰取代了部分水泥后，减少了对水泥的消耗，从而减少了生产水泥带来的环境污染及对农田、绿色山野的开掘破坏。还可以减少再生资源浪费与能源消耗，这对于维持生态平衡及促进国民经济可持续发展都具有深远的意义。近几年来，大量的粉煤灰被应用于混凝土工程中，特别是正在建设中的三峡工程，几乎没有不掺粉煤灰的大坝混凝土，三峡工程三期围堰工程中粉煤灰的掺量在50%以上[3]。本文针对掺入优质粉煤灰材料对混凝土的工作性能和耐久性能产生的影响，研究了在重复压应力作用下，不同粉煤灰掺量的混凝土的变形性能，为粉煤灰混凝土的应用提供技术支持。

1试验过程

1.1 原材料。水泥使用的P.O 42.5型硅酸盐水泥。粉煤灰（FA）为电厂I级粉煤灰，密度为2.43g/cm3，比表面积为655M2/kg。其它原料包括：天然江砂，细度模数为2.65，属中砂，颗粒级配良好；辉绿岩碎石，粒径5～20mm，连续级配，压碎指标为5.3%；减水剂采用上海花王化学有限公司的Mighty 100萘系高效减水剂；引气剂采用上海麦斯特公司生产的MICRO-AIR202混凝土引气剂；缓凝剂采用葡萄糖酸钠缓凝剂。

1.2 混凝土配合比。本试验中，设计了粉煤灰掺量0%、20%、30%、40%的4种混凝土FA1、FA2、FA3、FA4，及其对应的基准混凝土D1配合比如表1所示。所有混凝土都采用强制型搅拌机搅拌，机械振动，钢模成型。新拌混凝土都具有较好的和易性，混凝土的塌落度控制在70～120mm左右。振动密实以后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h以后脱模，标准养护。

1.3试验方法。利用WHY系列全自动应力试验机，分别研究粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%时，最大压应力分别为40% fcy和80% fcy，加载速度为5kN/s，重复5次时的重复压应力作用下混凝土轴向变形性能。

2试验结果与讨论

2.1 抗压强度和弹性模量。粉煤灰的加入使混凝土的早期强度显著降低。随着粉煤灰掺量从10%增加至40%，混凝土的抗压强度从43.8MPa降低到26.3MPa，降低了40%；而混凝土的弹性模量也从41.9GPa降低到32.2GPa，降低了23.2%。这是由于在粉煤灰混凝土硬化的过程中，水泥熟料矿物的水化反应在先，火山灰反应的二次水化在后，而这样两类水化反应交替进行，而且相辅相成，互相制约。水泥熟料的水化反应为粉煤灰的二次水化反应提供Ca（OH）2，而粉煤灰则为水泥熟料矿物水化反应提供较多的水化产物沉淀场合，从而起到促进水泥熟料矿物的水化等作用[4]。但部分水泥用量被粉煤灰取代后，早期的混凝土中水化产物数量减少，这势必影响其强度的发展及应力作用下的变形性能。

2.2 应力-应变变化。混凝土承受应力的作用或环境条件的变化时将发生相应的变形。从混凝土的组成和构造特点分析，总变形实际上由三部分组成：粗细骨料的弹性变形、水泥凝胶体的粘性流动和微裂纹的形成和扩展对于不同材料和组成的混凝土，在不同的应力阶段，这三部分变形所占的比例有很大变化。一般情况下，当应力水平较低时，骨料的弹性变形占主要成分；随着应力的加大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐增大；接近混凝土极限强度值时，裂纹变形才有明显作用，但其变形值大，超过其它两部分的变形，在峰值强度后的下降段，裂纹的形成和扩展成为变形的主体。

在卸载过程中，骨料的弹性变形可全部恢复，而水泥凝胶体的粘性流动变形出现应变恢复滞后现象。全部卸载后的混凝土残余变形，则由裂纹变形和水泥凝胶的粘性流动变形组成。此外，当混凝土刚开始承受应力时，骨料和水泥砂浆分担应力和变形。如果维持应力不变，由于粘性流动变形随时间延续而增大，混凝土的总变形将随之增加，同时，骨料和水泥砂浆间应力将会有相应的重分布。在加载过程中混凝土的最大变形分别为357×10-6和509×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为29×10-6和67×10-6。混凝土的最大变形和残余变形取决于第1次加卸载，即应力水平；第2～5次加卸载重复过程中混凝土的变形与第1次加卸载过程中混凝土的变形相比未有明显增加。与基准混凝土相比，粉煤灰掺量1加载过程中混凝土的最大变形分别为378×10-6和709×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为36×10-6和130×10-6。最大压应力为40%fcy时混凝土的最大变形和残余变形仍取决于应力水平。最大压应力为80%fcy时，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的最大变形和残余变形与第1次加卸载过程中混凝土的变形相比

过程中混凝土的最大变形分别为410×10-6和1000×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为38×10-6和216×10-6。最大压应力为40%fcy时混凝土的最大变形和残余变形仍取决于应力水平。最大压应力为80%fcy时，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的最大变形和残余变形与第1次加卸载过程中混凝。可知加载过程中混凝土的最大变形分别为452×10-6和1067×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为64×10-6和272×10-6。最大压应力为40% fcy时混凝土的最大变形和残余变形仍取决于应力水平。最大压应力为80% fcy时，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的最大变形和残余变形与第1次加卸载过程中混凝土的变形相比均有明显增加。

2.3 讨论。从试验数据来看，粉煤灰等量取代水泥后对混凝土28d的力学性能影响显著。粉煤灰掺量越大，混凝土抗压强度越低，抵抗变形的能力越差。这是因为对于粉煤灰混凝土而言，火山灰反应在28d内几乎没有进行，Ca（OH）2和未水化的粉煤灰颗粒镶嵌在水泥石中，还没有起到填充作用。然而，粉煤灰对混凝土的工作性及后期耐久性能有很好的改善作用。在新拌混凝土阶段，和易性、用水量、泌水性受粉煤灰形态效应的支配，直接影响混凝土结构的形成。在此阶段，粉煤灰效应完全可以发挥有利于改善耐久性的作用。在混凝土硬化阶段，有效地减少混凝土内部温升，减少硬化初期的收缩等都有利于耐久性的混凝上材料结构的形成。至于硬化阶段粉煤灰混凝土中粉煤灰的活性效应和微集料效应，可以明显降低界面区域的Ca（OH）2和钙矾石生成量，同时使化学性质不稳定的Ca（OH）2形成水硬性的凝胶物质，降低界面区域Ca（OH）2的取向程度[6]。Ca（OH）2在界面的取向程度可以用取向指数lch。来表示，即下式：

lch=I（001）/（0.74・I（101））

式中：I（001）―Ca（OH）2（001）面的X射线强度；

I（101）―Ca（OH）2（101）面的X射线衍射强度。

当lch等于1时表示Ca（OH）2在界面无取向，当lch大于1时表示Ca（OH）2的取向平行于集料界面，而lch小于1时表示Ca（OH）2的取向垂直于集料界面。这样既能细化孔隙和堵塞毛细孔通道，又能提高抗拉应变能力，使粉煤灰的综合效应更加显著。充分发挥粉煤灰效应以后，混凝土强度和耐久性将会在后期有所提高。现行规范中结构混凝土，包括粉煤灰混凝土，结构设计按28d强度计算，但这对耐久性是不符合实际情况的，应该充分利用粉煤灰对混凝土长期的强度和耐久性的效应。

3 结论

综上所述，可以得出以下结论：

（1）粉煤灰的加入使混凝土的早期强度显著降低，这是因为对于粉煤灰混凝土而言，火山灰反应在28d内几乎没有进行，Ca （OH）2和未水化的粉煤灰颗粒镶嵌在水泥石中，还没有起到填充作用。

（2）相同应力水平作用下，混凝土的变形随粉煤灰掺量的增大而增大，且均大于基准混凝土的变形。最大压应力为40% fcy时，粉煤灰混凝土的变形取决于应力水平。最大压应力为80% fcy时，粉煤灰掺量10%的混凝土的变形仍取决于应力水平，粉煤灰掺量分别为20%， 30%和40%的混凝土的变形除取决于应力水平外，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的变形均显著增加。

（3）在新拌混凝土阶段，粉煤灰效应完全可以发挥有利于改善耐久性的作用。现行规范中结构混凝土，包括粉煤灰混凝土，结构设计按28d强度计算，但这对耐久性是不符合实际情况的，应该充分利用粉煤灰对混凝土长期的强度和耐久性的效应。

参考文献：

[1]孙家瑛，黄成华.活性掺和料超代技术对混凝土耐久性能影响研究[J].混凝土，2004，（3）：19～21.

[2]田宪忠，游华菊.粉煤灰对混凝土性能的影响[J].葛洲坝集团科技，2003，（4）：57～58.

[3]陶春石.论粉煤灰应用技术的发展[J].粉煤灰综合利用，2003，（5）：41～42.

[4]张玫，巴恒静.高性能路面混凝土抗氯离子渗透性研究[J].低温建筑技术，2007，（1）：14～16.

[5]张晓丹，杨晓光，何锦云.大掺量粉煤灰混凝土早后期强度的试验研究[J].煤炭工程，2007，（5）：96～99.

[6]钱觉时.粉煤灰特性和粉煤灰混凝土[M].北京：科学出版社， 2002：134～136.