張豫川,王茂杰,王亞軍,辛明靜,高志遠

(蘭州大學a.西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室;b.土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000)

泵送粉煤灰混凝土回彈測強曲線特性

張豫川a,b,王茂杰a,b,王亞軍a,b,辛明靜a,b,高志遠a,b

(蘭州大學a.西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室;b.土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000)

通過對不同強度等級、不同粉煤灰摻量的泵送混凝土標準立方體試塊進行抗壓、回彈、碳化試驗,研究各測試數(shù)據隨齡期的變化規(guī)律,根據常用曲線形式進行測強曲線擬合并分析其與普通混凝土統(tǒng)一測強曲線的區(qū)別.試驗表明:混凝土各測試數(shù)據的發(fā)展受粉煤灰影響不同而呈現(xiàn)不同規(guī)律,摻量高的低強混凝土抗壓強度發(fā)展慢,回彈發(fā)展快,碳化深度大;而摻量低的高強混凝土抗壓強度發(fā)展快,回彈發(fā)展慢,碳化深度低.該現(xiàn)象的內在原因為摻量低時粉煤灰微集料效應為主,抗壓強度提高明顯;摻量高時粉煤灰低活性限制抗壓強度增長,而回彈值提高明顯.各測試數(shù)據的發(fā)展規(guī)律不同造成曲線擬合誤差大,分析建議將膠凝材料含量＞400 kg/m3、粉煤灰摻量≤20%的高強混凝土的回彈值適當增大后擬合,可得到滿足地區(qū)曲線的精度要求的統(tǒng)一曲線.

泵送混凝土;粉煤灰;測強曲線;抗壓強度;微集料效應;低活性

隨著大流動性泵送商品混凝土在大中城市的廣泛應用[1],國家《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》JGJ/T 23—2011在普通混凝土回彈測強曲線基礎上給出了統(tǒng)一的泵送混凝土回彈測強曲線,但我國幅員遼闊,各地區(qū)材料性質不同,使用全國基準曲線誤差較大,因此急需建立地方專用測強曲線.近年來,浙江省和河北保定地區(qū)[23]等省市已建立了適合當?shù)氐谋盟突炷翜y強曲線,而在西北特殊的干旱、半干旱環(huán)境中,仍未建立適應當?shù)厍闆r的混凝土技術規(guī)程.

在西北特殊的氣候條件下,由于地區(qū)泵送混凝土中大量摻用粉煤灰,部分現(xiàn)場反映國家推薦的泵送混凝土測強曲線與實際情況存在較大差異.已有關于泵送混凝土中摻入粉煤灰的研究表明,由于粉煤灰的低活性破壞了混凝土的堿性環(huán)境,使其早期碳化速度較快[4],產生的膠結物減少,粉煤灰微集料效應、環(huán)境干濕循環(huán)[5]等均會影響混凝土抗壓強度和回彈值,這些都將影響混凝土測強曲線的形式[67].本文通過對不同粉煤灰摻量、不同強度等級混凝土標準試塊進行抗壓、回彈、碳化測試,進行數(shù)據統(tǒng)計分析、測強曲線擬合及其特性研究,為地區(qū)混凝土技術規(guī)程提供可靠依據.

1 試驗及數(shù)據處理

1.1 試驗原材料

水泥為P.O 42.5,各性能指標均滿足要求;細骨料為中砂(洗砂),細度模數(shù)為3.0～2.3,平均粒徑為0.5～0.25 mm;粗骨料為卵石或碎石,粒徑范圍5～31.5 mm;粉煤灰采用市售二級粉煤灰,技術指標滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005要求;減水劑為高效萘系減水劑.

1.2 試件制作及測試

試件由4家商用混凝土公司制作,設計強度C20、C25、C30、C40、C50、C60,單摻粉煤灰量10%～35%,粗骨料分為卵石、碎石,各強度等級均制作了14、28、60、90、180、360 d共6個齡期,各齡期制作至少6個標準試件,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試件配合比為當?shù)爻Ｒ娕浜媳?見表1),混凝土滿足泵送混凝土塌落度要求,每一強度等級所有試塊采用同日、同盤、同環(huán)境澆筑而成,試件成型24小時脫模并采用自然養(yǎng)護.

表1 粉煤灰混凝土配合比Table 1 Mixture proportions of fly ash concrete

試驗采用沖擊能量2.207 J的混凝土回彈儀對混凝土干燥、平整側面進行回彈測試,并按要求計算試件平均回彈值R,計算結果精確至0.1 MPa.回彈測試完畢后將混凝土回彈測試面放置在壓力機上進行抗壓強度(F)試驗,計算結果精確至0.1 MPa.試件抗壓試驗破壞后,隨即在試塊斷裂面邊緣滴入2%酚酞酒精溶液,用碳化深度測定儀測量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離,即碳化深度d,每個回彈面至少測試2個并取平均碳化深度值,計算精確至0.5 mm.

1.3 有效數(shù)據統(tǒng)計

試驗混凝土共1704塊(粗骨料為卵石的648 塊,碎石的1 056塊),根據格拉布斯準則,取危險率α=0.05,對同一組混凝土回彈值和抗壓值進

2 測試數(shù)據規(guī)律

2.1 抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律

普通混凝土抗壓強度主要受粗骨料和水泥影響,適當?shù)呐浜媳燃纯墒蛊浍@得較高的抗壓強度,一般在28 d達到設計強度,而添加粉煤灰后,膠結材料總體活性下降,使得混凝土早期強度發(fā)展變緩.由圖1可知,摻有粉煤灰的混凝土其抗壓強度發(fā)展時間均延長,其中粉煤灰摻量較大的低強度混凝土抗壓強度需要約180 d;而粉煤灰摻量較少的高強混凝土抗壓強度也需要60～90 d(如C50,60 d形成強度約50/55=90%).分析認為,粉煤灰對膠凝材料具有稀釋作用,粉煤灰摻量越大稀釋作用越強,同時粉煤灰活化反應較遲且較慢,導致混凝土達到設計抗壓強度所需時間較長,尤其粉煤灰摻量較大時混凝土強度發(fā)展更緩慢[

910],相比之下可認為,高強度混凝土抗壓強度發(fā)展快而低強度混凝土抗壓強度發(fā)展慢.圖1中高強度混凝土的抗壓強度在360 d略有下降,分析原因為與當?shù)刈匀火B(yǎng)護環(huán)境的早晚溫差、濕度差大(最大日溫差可達15℃,濕度變化達10%,類似干濕循環(huán)現(xiàn)象)造成混凝土劣化損傷有關[5].

圖1 實測抗壓強度平均值隨齡期發(fā)展情況Fig.1 The development of measured average compressive strength with age

2.2 回彈值隨齡期發(fā)展規(guī)律

普通混凝土回彈值的發(fā)展與混凝土抗壓強度的發(fā)展較為同步,而摻有粉煤灰的混凝土回彈值發(fā)展期延長且出現(xiàn)不同情況:C20、C25、C30混凝土回彈值發(fā)展快,在90 d時接近峰值;而C40、C50、C60混凝土回彈值要至180 d才接近峰值且早期回彈較小,見圖2.分析其原因為低強度混凝土粉煤灰摻量大,其形態(tài)效應、微集料效應可減少混凝土內部孔隙[1112],提高早期混凝土密實度和回彈值,同時高摻量粉煤灰導致混凝土表面碳化較早,促成其回彈值在90 d內達到峰值.高強混凝土膠凝總量多而粉煤灰摻量小,活性反應生成膠結物多可提高混凝土抗壓強度,但其配合比中用水量略多,導致早期(90 d內)混凝土反應時內部微孔隙多、回彈值較小,其回彈值發(fā)展更多依靠后期膠結物逐漸充填孔隙而變得密實,因此回彈發(fā)展時間延長.

圖2 實測回彈值平均值隨齡期發(fā)展情況Fig.2 The development of measured average rebound value with age

上述分析可得,混凝土強度不同時回彈值和抗壓強度發(fā)展規(guī)律不一致,低強度混凝土抗壓強度發(fā)展較慢、回彈值發(fā)展較快;而高強度混凝土的抗壓強度發(fā)展較快、回彈值發(fā)展較慢.參數(shù)發(fā)展規(guī)律不同將引起曲線擬合誤差增大.

2.3 碳化深度隨齡期發(fā)展規(guī)律

由于粉煤灰混凝土中堿儲備較低,且在早期未凝結前滲透性較大[1113],所以碳化速度快,早期碳化值較普通混凝土偏大,粉煤灰摻量較高時更加明顯,這與碳化深度隨齡期的發(fā)展規(guī)律相符:低強度混凝土(C40以下)碳化比高強度混凝土發(fā)生的早且數(shù)值更大,見圖3.數(shù)據分析還發(fā)現(xiàn),不同粗骨料對混凝土碳化的規(guī)律影響基本相同,僅在180～360 d期間,粗骨料為碎石的混凝土碳化略快于粗骨料為卵石的混凝土.

圖3 實測碳化深度平均值隨齡期發(fā)展情況Fig.3 The development of measured average carbonation depth with age

3 回彈測強曲線特性研究

3.1 測強曲線主要形式

根據目前測強曲線擬合所用函數(shù),本文采用具有代表性的兩種測強曲線,形式為[14]:

式中,fcu為混凝土的抗壓強度值,MPa;R為回彈平均值,MPa;d為碳化深度,mm;A、B、C為待定系數(shù).

回歸方程的待定系數(shù)由最小二乘法計算,強度平均相對誤差δ和強度相對標準差er可以由下式計算[15]:

3.2 數(shù)據擬合及特性研究

已有研究表明,水泥品種、細骨料、成型方法等對普通混凝土回彈測強無明顯影響,用碳化深度即可修正回彈值和混凝土抗壓強度值之間的關系,即通過曲線(1)可得出滿足精度的測強曲線,但泵送混凝土僅進行碳化修正后,擬合曲線的平均相對誤差和相對標準差仍未達到規(guī)范要求,見表2.按齡期區(qū)分時曲線誤差也較大,文獻[ 6 7]中將數(shù)據按碳化深度不同擬合成多條曲線,但應用較不方便.

表2 回彈法測強曲線及誤差計算(F=17.1～65 MPa) Table 2 The strength-measuring curve of rebound method and error calculation(F=17.1～65 MPa)

本試驗數(shù)據按強度段進行曲線擬合,只有F =35 MPa附近混凝土試件不能滿足誤差要求,這是由于此段的數(shù)據包括了低強度高齡期和高強度低齡期兩部分試件.“數(shù)據規(guī)律”已分析,混凝土抗壓強度和回彈值發(fā)展規(guī)律在高強度和低強度混凝土不一致.如果按高強度和低強度對數(shù)據進行分段擬合,結果就非常理想,見表3.此結果從試驗數(shù)據在matlab三維圖中擬合成的曲面中也能看出,數(shù)據分布呈分段性:抗壓強度＜35 MPa,數(shù)據沿著B曲面波動;強度≥35 MPa,數(shù)據沿著A曲面波動,兩曲面都較普通混凝土的國家統(tǒng)一曲線平緩,但平緩程度類似,形如圖4.

Ramezanianpour和Atis[1617]研究認為,泵送混凝土中拌合物漿體富余、石子粒徑偏小及混凝土的砂漿包裹層偏厚等特點會導致混凝土表面強度較低,若使用普通混凝土測強曲線,會使混凝土抗壓強度小于實際值.徐國孝、崔士起[2,18]等人也分別研究了泵送混凝土和塑性混凝土的抗壓強度和回彈值關系,認為泵送混凝土使用了泵送劑、粉煤灰等摻合料,使混凝土立方體抗壓強度提高,而回彈值趨緩.同時膠凝材料比例增加、砂率增加等都使泵送混凝土回彈值偏低.但本試驗所得測強曲線出現(xiàn)分段,見圖4,即文獻[1,1315]中回彈偏小的現(xiàn)象僅發(fā)生在高強混凝土中.曲面A代表的高強混凝土試驗數(shù)據,其配合比中膠凝材料含量均＞400 kg/m3,水泥量均≥350 kg/m3,粉煤灰摻量絕大多≤20%;而曲面B代表的低強度混凝土試驗數(shù)據,其配合比中膠凝材料含量均＜400 kg/m3,水泥量均＜350 kg/m3,粉煤灰摻量絕大多＞20%.試驗中混凝土砂率變化不大,所以膠凝材料不同(尤其是粉煤灰)應是泵送混凝土測強曲線分段的主要影響因素.

表3 曲面A、B的形式及誤差Table 3 The form and error of surface A and B

圖4 試驗數(shù)據與普通混凝土國家統(tǒng)一曲線的比較Fig.4 Comparison of test data and ordinary concrete national unity curve

3.3 膠凝材料對曲線的影響分析

試驗用的摻粉煤灰的泵送混凝土與普通塑性混凝土相比(圖4),其砂率大但變化幅度小,而膠凝材料變化幅度大.對于低強度混凝土,其膠凝材料總量小且粉煤灰摻量較大,粉煤灰導致混凝土表面碳化明顯,造成回彈值的提高幅度大于抗壓強度,因此其波動曲面B較平緩;強度高的混凝土因膠凝材料總量大且粉煤灰摻量小,粉煤灰的微集料效應起主要作用并可提高混凝土密實性,與普通混凝土相同回彈值情況下可大幅提高抗壓強度,同時膠凝材料總量提升、混凝土微孔隙多等原因使混凝土回彈值未繼續(xù)增大,因此導致圖4所示的試驗數(shù)據分段.從表3的分段擬合中發(fā)現(xiàn),曲線待定系數(shù)和曲率大都相近,僅起點不一樣,為了得到統(tǒng)一測強曲線,可對高強混凝土回彈值進行適當增大并擬合.

3.4 增大回彈值法擬合曲線

為獲得泵送粉煤灰混凝土的統(tǒng)一回彈測強曲線,現(xiàn)根據高強混凝土回彈值滯后情況進行回彈補償或回彈值增大處理,本文將膠凝材料含量＞400 kg/m3、粉煤灰摻量≤20%的高強混凝土的回彈值數(shù)據乘以適當增大系數(shù),以將曲面A向右平移到曲面B上方,其中回彈增大系數(shù)取1.1、1.15、1.2、1.25,具體結果見表4.

表4 增大回彈值法擬合結果(F=17.1～65 MPa)Table 4 The fitting results of increasing rebound value method

由表4的擬合結果可知,當高強混凝土的回彈值進行適當增大后,曲線誤差降低且滿足規(guī)范對地方規(guī)程要求,建議用下列曲線表示混凝土抗壓強度和回彈值間的關系(增大系數(shù)取1.2):

3.5 現(xiàn)場試驗驗證

試驗后期制備了建筑現(xiàn)場的同條件養(yǎng)護混凝土試件,共計103塊,養(yǎng)護齡期14～180 d后進行抗壓強度、回彈值和碳化深度的試驗,根據本文所得關系曲線進行誤差計算得:平均相對誤差δ= ±11.92%,相對標準差er=15.88%.說明本文所得關系曲線能較好地反映抗壓和回彈值、碳化深度之間的關系.

4 結 語

通過對摻入粉煤灰的泵送混凝土(粉煤灰摻量在10%～35%)標準試塊進行抗壓強度、回彈值、碳化深度隨齡期發(fā)展規(guī)律的研究,得出如下結論:

(1)3個數(shù)據隨齡期發(fā)展均受粉煤灰摻量影響,摻量高的低強混凝土抗壓強度發(fā)展慢,回彈發(fā)展快,碳化深度大;而摻量低的高強混凝土抗壓強度發(fā)展快,回彈發(fā)展慢,碳化深度低.數(shù)據的發(fā)展不同步造成曲線擬合時試驗數(shù)據沿著兩個錯開的面波動.

(2)比較配合比后判斷高強度混凝土中粉煤灰微集料效應明顯,相同回彈值下可顯著提高混凝土抗壓強度,低強度混凝土中粉煤灰的低活性和微集料效應抵消,使回彈值和抗壓強度未明顯變化.

(3)最后將配合比中膠凝材料＞400 kg/m3、粉煤灰摻量≤20%的混凝土回彈值增大后可建立統(tǒng)一的單摻粉煤灰混凝土回彈測強曲線,誤差滿足《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》JGJ/T 23—2011的要求.

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【責任編輯:祝 穎】

Characteristics of Rebound Strength Detection Curve of Pumping Fly Ash Concrete

Zhang Yuchuana,b,Wang Maojiea,b,Wang Yajuna,b,Xin Mingjinga,b, Gao Zhiyuan a,b
(a.Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment,Ministry of Education;b.College of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

The standard cubes of pumping concrete with different strength classes and contents of fly ash are cast for the test of compression,rebound and carbonation for research on the development of different test data,fitting the rebound strength detection curve by curve form commonly used,and analyzing difference between our curve and unified detection curve of ordinary concrete.Test shows a different influence of fly ash on data to have a asynchronous development,high content in lowstrength concrete make compressive strength develop slowly,rebound value develop rapidly and carbonation depth great,low content in high-strength concrete have a opposite effect on test data. The underlying reason is micro-aggregate effect of fly ash takes dominant role in low-content concrete and increase compressive strength significantly,while low-activity effect of fly ash in high-content concrete limit the increase of compressive strength whose rebound value still increase because of micro-aggregate effect.The different development law makes fitting error large,suggestion is made to increase rebound value of concrete appropriately whose content of cementing materials is larger than 400 kg/m3and fly ash is less than or equal to 20%to get one measuring curve whose error meet the requirements of technical specification.

pumping concrete;fly-ash;detection curve;compressive strength;micro-aggregate effect;low-activity

2095-5456(2014)01-0070-06

TU 755

A

2013 08 23

張豫川(1963),女,甘肅白銀人,蘭州大學副教授,碩士生導師.