魏江濤，謝幫華，李秋香，趙江倩，宋廣春，章 攀

(南昌工程學(xué)院 1.土木與建筑工程學(xué)院；2.瑤湖學(xué)院，江西 南昌 330099)

自密實混凝土具有良好的流動性和自密實性，粉煤灰的摻入可以改善混凝土的和易性，降低水化熱，直接影響混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟指標(biāo)。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，粉煤灰在自密實混凝土中的應(yīng)用尤為重要。

韓宏偉[1]等人研究低水膠比的自密實混凝土發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以有效減少混凝土由于塑性收縮而產(chǎn)生的裂縫改善強度。周玲珠[2]等人研究粉煤灰對自密實混凝土性能影響發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土早期抗壓強度增長緩慢，而隨著齡期增加，由于粉煤灰化學(xué)反應(yīng)緩慢，提高了混凝土后期強度。膠凝材料硬化產(chǎn)生的水化熱會使混凝土內(nèi)外溫差增大，粉煤灰的摻入可以有效降低混凝土水化熱，在14d齡期，混凝土水化熱較純水泥混凝土減少30%左右，28d齡期時減少10%左右[3]。黃維蓉[4]等人在研究粉煤灰對C30自密實混凝土的影響時發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的摻入可以提高自密實混凝土的流動性，同時粉煤灰可以提高自密實混凝土強度，而普通混凝土中摻入粉煤灰則會使強度降低。蔡升宇[5]等研究30%～60%摻量的粉煤灰發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰的微集料效應(yīng)，隨著粉煤灰摻入量的增加，混凝土總開裂面積有效降低。焦庭林[6]等發(fā)現(xiàn)在自密實混凝土中摻入20kg，40kg，60kg(33%)粉煤灰時，混凝土的抗壓強度依然隨養(yǎng)護齡期增加逐漸增強。李十泉[7]等通過電鏡掃描解釋了隨著粉煤灰摻入量的增加混凝土抗壓強度下降的主要原因，即大量摻入粉煤灰會削弱MKP晶體之間的聯(lián)系。史星祥[8]等通過摻入10%～50%粉煤灰，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量小于40%時，混凝土流動性隨著粉煤灰摻量的增加而增加，當(dāng)粉煤灰會摻量超過40%時，混凝土黏聚性增加。李國榮[9]等研究表明粉煤灰摻量在25%以上時，混凝土抗壓強度降低，混凝土的抗凍性能也隨粉煤灰的摻量發(fā)生改變，實際工程應(yīng)用時要求合理控制粉煤灰的摻入量。曹健[10-11]等研究了高摻粉煤灰時混凝土的抗壓強度隨齡期的變化情況，強度增長趨于平緩，彈性模量的變化也較平緩，摻入0%，15%，30%的粉煤灰時，混凝土徐變隨著粉煤灰摻量的增加而減小。

采用粉煤灰改善混凝土強度的研究還有很多，而自密實混凝土方面的報道較少，特別是粉煤灰摻量較高時，研究較少。本文在控制C45混凝土強度基礎(chǔ)上，研究粉煤灰摻入量在0%～40%時，C45自密實混凝土的抗壓強度，從而得出C45自密實混凝土抗壓強度指標(biāo)最優(yōu)的粉煤灰摻量。

1 試驗材料及方法

1.1 實驗材料

水泥采用江西南昌海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用江西新余Ⅱ級粉煤灰；粗骨料采用江西南昌本地碎石，細石粒徑在4.75～9.5mm之間，級配合格；砂為江西南昌本地河砂，經(jīng)測試細度模數(shù)為2.1；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率26%；試驗用水為自來水。

1.2 試驗方法

C45自密實混凝土的配合比按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行配置，水灰比為0.35，聚羧酸減水劑用量為1%，如表1所示。自密實混凝土強度測定采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，共制備9組試樣。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，評判混凝土強度等級時應(yīng)以邊長為150 mm的立方體試件的強度為依據(jù)，故在進行強度計算時，自密實混凝土實測抗壓強度需乘以系數(shù)0.95。依據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用萬能試驗機對混凝土進行抗壓試驗，如圖1所示。分別測定自密實混凝土齡期為3d，7d，14d，28d，60d時的抗壓強度，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

圖1 混凝土抗壓破壞試驗設(shè)備及試驗實況

表1 自密實混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

粉煤灰具備球狀顆粒特性，表面光滑，在普通混凝土中應(yīng)用廣泛。自密實混凝土中摻入粉煤灰，可以有效地提高混凝土的流動性。實驗表明，自密實混凝土的流動性隨著粉煤灰摻入量的增加，流動性增大。普通C45混凝土28d抗壓強度為45MPa，養(yǎng)護齡期3d，7d，14d時的抗壓強度分別為14.8MPa，26.3MPa和35.6MPa。摻粉煤灰C45自密實混凝土3d，7d，14d的抗壓強度最大值分別達到38.7MPa，44.7MPa和44.9MPa，相較于普通混凝土分別增長161.5%，70%和22.1%。按照150mm×150mm×150mm標(biāo)注試塊折算，C45自密實混凝土抗壓強度，如表2所示。

表2 C45自密實混凝土抗壓強度 MPa

2.1 不同齡期，粉煤灰摻量對自密實混凝土抗壓強度的影響

眾所周知，混凝土的孔隙率直接影響到混凝土的強度，粉煤灰摻入自密實混凝土，可以降低自密實混凝土的孔隙率，使水泥基體更密實。如圖2所示，粉煤灰對自密實混凝土各齡期的強度影響比較明顯，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實混凝土強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，摻入20%的粉煤灰時，自密實混凝土7d強度達到44.7MPa，達到了C45混凝土28d強度的99.3%；60d強度高達60MPa。

圖2 不同齡期混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化

圖2(a)中表明養(yǎng)護3 d時，自密實混凝土強度隨粉煤灰摻量的增加而降低，主要因為自密實混凝土3 d的水化產(chǎn)物數(shù)量隨著粉煤灰取代水泥的量不斷增加而減少，二次水化作用不明顯。自密實混凝土養(yǎng)護齡期為7 d和14 d時，如圖2(b)～(c)，粉煤灰摻量小于20%時，自密實混凝土強度的影響較??；粉煤灰摻量大于20%時混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量增加而呈下降趨勢。自密實混凝土養(yǎng)護28 d時，摻入20%粉煤灰自密實混凝土的抗壓強度最大，相較于不摻粉煤灰，其抗壓強度增加14.8%，且粉煤灰摻量α=10%～30%時，其抗壓強度相較于不摻入粉煤灰時混凝土抗壓強度分別增長2.5%，10.1%，13.8%和7.3%，均達到45MPa。粉煤灰摻入為35%，40%時，混凝土的抗壓強度分別降低1.8%，11.3%。主要因為大量摻入粉煤灰，降低了水泥含量，膠凝材料減少較大，且粉煤灰活性較低，水化反應(yīng)較緩慢。如圖2(d)所示，粉煤灰摻量為20%～25%時，C45自密實混凝土28d抗壓強度較大，粉煤灰摻量最優(yōu)。隨著粉煤灰充分發(fā)生二次水化反應(yīng)，自密實混凝土60d強度，摻入量α=5%～35%時，相比未摻粉煤灰自密實混凝土抗壓強度分別增長15.7%，23.6%，28%，31%，32.7%，31.1%，22.0%，如圖2(e)；在粉煤灰摻入為40%時，自密實混凝土抗壓強度達到45.5MPa，其抗壓強度基本和未摻粉煤灰時的試塊強度一致?？紤]自密實混凝土的強度和經(jīng)濟指標(biāo)，C45自密實混凝土粉煤灰的摻入可以選擇40%。

2.2 不同粉煤灰摻量，自密實混凝土抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系

如圖3所示，自密實混凝土養(yǎng)護3d～7d之間強度增長最快，28d～60d之間強度增長較小。隨著養(yǎng)護時間增加，粉煤灰的微集料效應(yīng)以及粉煤灰與水泥、水等進行反應(yīng)，混凝土試塊的抗壓強度增加，在粉煤灰摻量為25%時，其60d強度達到最佳；隨著養(yǎng)護時間的增加，自密實混凝土抗壓強度在14d到60d時增長較明顯，因為混凝土中氫氧根離子隨著水泥水化逐漸增加，粉煤灰得到充分反應(yīng)，同時粉煤灰顆粒在混凝土內(nèi)進行填充，進而在化學(xué)和物理性能上增強了混凝土后期強度。

圖3 不同粉煤灰摻量，混凝土抗壓強度—齡期變化折線圖 圖4 摻粉煤灰C45自密實混凝土齡期強度模型

眾所周知，混凝土的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而不斷升高，且普通混凝土強度與養(yǎng)護齡期呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[12]：

(1)

其中n為養(yǎng)護齡期；fcc，n為普通混凝土養(yǎng)護nd時混凝土抗壓強度；fcc，28為混凝土養(yǎng)護28 d時抗壓強度；lgn，lg 28分別表示以10為底的對數(shù)。

如圖4所示，摻粉煤灰的C45自密實混凝土隨養(yǎng)護齡期的增加，其強度整體呈增長趨勢，且增長明顯。對試驗結(jié)果進行擬合分析，擬合度為0.99，摻入粉煤灰C45自密實混凝土的強度模型可表示為

(2)

其中n為養(yǎng)護齡期fcc，n為混凝土養(yǎng)護nd時混凝土抗壓強度；fcc，3為混凝土養(yǎng)護3d時混凝土抗壓強度；lgn，lg 28分別表示以10為底的對數(shù)。由式(2)可知，測定摻粉煤灰C45自密實混凝土3 d的強度值，可以有效地預(yù)測其它齡期的強度值。

從混凝土齡期與抗壓強度關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著齡期增加，混凝土抗壓強度整體呈增長趨勢。當(dāng)自密實混凝土未摻入粉煤灰時，隨著齡期增加，抗壓強度增長速度緩慢，主要由于水泥作為膠凝材料提供混凝土抗壓強度，隨著養(yǎng)護時間的增加，抗壓強度增長不明顯；如圖3，當(dāng)粉煤灰摻入5%～40%時，混凝土的抗壓強度隨齡期增加而逐漸增加；在摻入25%粉煤灰時，養(yǎng)護3 d，混凝土抗壓強度相較于不摻入粉煤灰的混凝土強度增長-13.3%，隨著齡期繼續(xù)增加，在7d，14d，28d，60d時，相較于不摻入粉煤灰時混凝土的抗壓強度增長-2.3%，2.2%，13.8%和32.7%，主要由于粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)產(chǎn)生強度較強的C-S-H凝膠，同時粉煤灰粒徑小，含有大量玻璃微珠，可以減少混凝土的用水量，提高混凝土的致密性，并且粉煤灰的摻入可以有效提高自密實混凝土的自密實性，改善混凝土的結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土后期強度，則摻入粉煤灰時，隨著混凝土養(yǎng)護齡期增加，自密實混凝土抗壓強度呈增長趨勢。

3 結(jié)論

當(dāng)水膠比為0.35時，粉煤灰能較好地改善自密實混凝土強度，各齡期強度變化明顯，且能有效地降低自密實混凝土的經(jīng)濟指標(biāo)。C45自密實混凝土抗壓強度的研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)摻入20%的粉煤灰，C45自密實混凝土7 d強度達到44.7 MPa，60 d強度高達60 MPa；摻入量為25%時，60 d抗壓強度最高，為61.8 MPa。

(2)粉煤灰摻量為25%時，粉煤灰取代水泥的效果最佳；結(jié)合自密實混凝土的力學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)時，粉煤灰經(jīng)濟摻入量為40%。

(3)摻入粉煤灰時，C45自密實混凝土的強度模型可用式(2)表示。