譚 珂

(佛山市建盈發(fā)展有限公司, 廣東 佛山 528000)

0 引言

在眾多降低混凝土膠材水化熱的措施中，用摻合料替代部分水泥被視為最經(jīng)濟(jì)有效的方法。粉煤灰與礦渣是現(xiàn)今應(yīng)用較為成熟的摻合料，諸多研究表明[2-6]:以粉煤灰替代水泥，可減少混凝土水化熱，降低其開裂風(fēng)險(xiǎn)，但粉煤灰摻量過多則會(huì)降低混凝土力學(xué)性能；礦渣的摻入可顯著提高混凝土的力學(xué)性能，但會(huì)加劇其早期收縮。此外，研究表明，粉煤灰與礦渣雙摻可以相互補(bǔ)足、增益，對(duì)降低膠材水化熱，減少溫度裂縫、提升混凝土耐久性具有積極作用。

佛山市富龍西江特大橋索塔承臺(tái)采用C40混凝土，形狀設(shè)計(jì)成橢圓形(見圖1)，平面尺寸為26.5 m(順橋向)×68 m(橫橋向)，厚6 m，混凝土澆筑方量約11 000 m3。

圖1 富龍西江特大橋主墩承臺(tái)平面圖 (單位： cm)

依托本項(xiàng)目主橋超大體積承臺(tái)施工，研究不同水膠比下，以粉煤灰和礦渣取代水泥，通過絕熱溫升與收縮試驗(yàn)，探討其摻量對(duì)混凝土絕熱溫升及干燥收縮的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配比

試驗(yàn)水泥選用P·II 42.5水泥，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)定，其化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)選用II級(jí)粉煤灰與S95級(jí)礦渣，二者化學(xué)成分及物理性能見表2。粗集料選用5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料選用天然砂的Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7。外加劑選用高性能緩凝型聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)應(yīng)符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)的規(guī)定，減水率為26%。具體試驗(yàn)方案見表3，其中砂率固定為38%，粗集料比m碎石1∶m碎石2=2∶8，單方用水量為152 kg/m3，mf∶ms∶mc為粉煤灰、礦渣、水泥的質(zhì)量比。

表1 水泥化學(xué)成分化學(xué)成分含量/%成分含量/%SiO220.65C3S55.62Al2O3 4.79Fe2O33.30C2S20.41CaO5.79MgO63.45C3A6.31TiO20.46NaOeq0.64C4AF10.24f-CaO0.89

表2 粉煤灰和礦渣的化學(xué)成分及物理性能%種類SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaOSO3f-CaO細(xì)度II級(jí)粉煤灰56.9331.60.980.742.910.460.220.0S95級(jí)礦渣36.6314.323.307.8032.890.90—0.4需水量比流動(dòng)度比燒失量含水量堿含量安定性放射性28 d強(qiáng)度活性指數(shù)100—4.830.10.65合格合格72—1030.520.10.45——97

表3 試驗(yàn)方案編號(hào)水膠比mf:ms:mc外加劑摻量/%W1-C1000∶0∶1W1-C70 0.360.25∶0.05∶0.71.10W1-C50 0.35∶0.15∶0.5W1-C30 0.45∶0.25∶0.3W2-C1000∶0∶1W2-C70 0.380.25∶0.05∶0.71.00W2-C50 0.35∶0.15∶0.5W2-C30 0.45∶0.25∶0.3W3-C1000∶0∶1W3-C70 0.400.25∶0.05∶0.70.90W3-C50 0.35∶0.15∶0.5W3-C30 0.45∶0.25∶0.3

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)混凝土絕熱溫升進(jìn)行測試，測試方法與儀器參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5450—2017)。絕熱溫升測定儀的絕熱室要求達(dá)到絕熱試驗(yàn)條件，即膠凝材料水化熱產(chǎn)生的熱量與外界不發(fā)生熱交換。儀器由絕熱養(yǎng)護(hù)箱和控制記錄儀兩部分組成，絕熱室溫度跟蹤試樣中心溫度，相差不大于±0.1℃。試驗(yàn)溫度為5 ℃～80 ℃，溫度讀數(shù)精度0.1℃。

對(duì)混凝土試件的收縮變形性能進(jìn)行測試，測定方法與儀器參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)。本方法試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件兩端應(yīng)預(yù)埋測頭或留有埋設(shè)測頭的凹槽，采用臥式混凝土收縮儀測定，其測量標(biāo)距應(yīng)為540 mm，并應(yīng)安裝有精度為±0.001 mm的千分表或測微器。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰-礦渣雙摻對(duì)混凝土絕熱溫升的影響

不同粉煤灰-礦渣雙摻量下，水膠比0.36～0.40的混凝土28 d齡期內(nèi)最大溫升見圖2。由圖2可知，隨粉煤灰-礦渣摻量提高，相同水膠比下混凝土最大溫升均呈降低趨勢(shì)。對(duì)比純水泥試驗(yàn)組，粉煤灰-礦渣雙摻量為30%、50%、70%時(shí)，水膠比為0.36的混凝土最大溫升相應(yīng)降低23.3%、26.4%、37.3%；水膠比為0.38的混凝土最大溫升相應(yīng)降低21.0%、24.1%、36.8%；水膠比為0.40的混凝土最大溫升相應(yīng)降低18.3%、24.3%、35.3%。粉煤灰-礦渣雙摻量顯著影響混凝土最大溫升，即雙摻量提高，混凝土最大溫升降低，且隨著混凝土水膠比增大其影響效果略微減弱。

圖2 不同水膠比下粉煤灰-礦渣雙摻混凝土28 d最大溫升

首先，粉煤灰-礦渣雙摻改變了混凝土膠凝材料組成，膠凝體系中水泥含量減少，水化熱降低。其次，在粉煤灰占比較大的雙摻體系下，粉煤灰與f-CaO、水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成C-H-S凝膠，包覆于未水化的水泥粒子表面，延緩水泥的水化作用，緩釋水化熱的產(chǎn)生。此外，水泥-礦渣-粉煤灰由于粒徑不同，粉煤灰-礦渣可通過“微集料效應(yīng)”使得體系結(jié)構(gòu)更為致密，從空間位阻上減弱水泥水化成核作用，進(jìn)一步減少水化熱產(chǎn)生。而隨水膠比增大，水泥粒子可充分與水接觸，粉煤灰對(duì)水泥水化的影響更傾向于促進(jìn)其水化程度，且粉煤灰相比水泥更具溫度敏感性，在較低水膠比下其影響效果更為顯著。

2.2 粉煤灰-礦渣雙摻對(duì)混凝土干燥收縮的影響

不同粉煤灰-礦渣雙摻量下，水膠比為0.36～0.40的混凝土7、14、28 d齡期內(nèi)的收縮率見圖3～5。對(duì)比純水泥試驗(yàn)組，粉煤灰-礦渣雙摻量30%、50%、70%下，混凝土各齡期的干燥收縮隨雙摻量提高逐步降低，在雙摻量為70%時(shí)達(dá)到最低，該摻量下水膠比0.36、0.38及0.40的混凝土7 d收縮率分別為154×10-6、142×10-6與132×10-6，相應(yīng)降低27.0%、14.0%與29.0%；14 d收縮率分別為372×10-6、352×10-6與327×10-6，相應(yīng)降低13.1%、14.6%與14.8%；28 d收縮率分別為154×10-6、142×10-6與132×10-6，相應(yīng)降低19.3%、14.0%與8.8%。

圖3 不同水膠比下粉煤灰-礦渣雙摻混凝土7 d干燥收縮率

圖4 不同水膠比下粉煤灰-礦渣雙摻混凝土14 d干燥收縮率

圖5 不同水膠比下粉煤灰-礦渣雙摻混凝土28 d干燥收縮率

由于CaO的存在，單摻礦渣極易引起混凝土體積穩(wěn)定性不良，而雙摻粉煤灰-礦渣可以有效抑制混凝土收縮。一方面，隨粉煤灰-礦渣雙摻量提高，混凝土膠凝材料水化熱降低，降低了混凝土內(nèi)外溫差，從而有效減少了溫度收縮。另一方面，具有火山灰活性的粉煤灰與礦渣可進(jìn)一步促進(jìn)C-H-S凝膠生成，水泥水化更為完全，兩者所含活性SiO2、Al2O3與水化產(chǎn)物生成大量水硬性凝膠，體系內(nèi)凝膠體更為緊密，可有效減少混凝土化學(xué)收縮。此外，粉煤灰-礦渣可填密混凝土孔隙，加之水泥-粉煤灰-礦渣體系的微集料效應(yīng)，可使混凝土結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，進(jìn)一步抑制收縮。

相同水膠比下不同雙摻量的混凝土不同齡期內(nèi)的收縮率見圖6～8。隨齡期增長，各摻量對(duì)干燥收縮抑制效果減弱。對(duì)比純水泥試驗(yàn)組，粉煤灰-礦渣摻量為30%、50%、70%時(shí)，水膠比為0.36的混凝土0～7 d干縮降低率分別為7.8%/d、8.4%/d與8.9%/d，7～14 d干縮降低率分別為3.7%/d、4.0%/d與4.2%/d；水膠比為0.38的0～7 d干縮降低率分別為8.4%/d、9.0%/d與9.4%/d，7～14 d干縮降低率分別為3.8%/d、4.0%/d與4.3%/d；水膠比為0.40的混凝土0～7 d干縮降低率分別為8.2%/d、8.3%/d與8.7%/d，7～14 d干縮降低率分別為3.8%/d、3.9%/d與4.0%/d。

圖6 不同粉煤灰-礦渣雙摻量下混凝土各齡期干燥收縮率(水膠比0.36)

圖7 不同粉煤灰-礦渣雙摻量下混凝土各齡期干燥收縮率(水膠比0.38)

圖8 不同粉煤灰-礦渣雙摻量下混凝土各齡期干燥收縮率(水膠比0.40)

分析認(rèn)為，早齡期下粉煤灰與礦渣降低了水泥水化總熱量，抑制了混凝土溫縮，且兩者火山灰活性的發(fā)揮依賴于水泥水化產(chǎn)生的堿，當(dāng)活性物質(zhì)消耗至一定量時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的熱量將進(jìn)一步引起混凝土收縮增大。

2.3 粉煤灰-礦渣雙摻對(duì)混凝土徐變的影響

水膠比為0.40時(shí)，不同粉煤灰-礦渣雙摻量對(duì)混凝土徐變的影響見圖9，對(duì)比全水泥組試件，粉煤灰-礦渣雙摻量達(dá)30%、50%的混凝土各齡期徐變度顯著降低。14 d時(shí)相應(yīng)降低34%、41%；90 d時(shí)相應(yīng)降低28%、32%。粉煤灰-礦渣雙摻下，粉煤灰與礦渣顆粒填充與水泥、集料之間的空隙，混凝土結(jié)構(gòu)更為密實(shí)；又因粉煤灰、礦渣對(duì)水泥水化的促進(jìn)作用，混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)展更為緊密，從而抑制了混凝土徐變。而隨齡期發(fā)展，30%、50%雙摻量的混凝土徐變度曲線變?yōu)槠骄?，說明粉煤灰-礦渣對(duì)混凝土的徐變抑制作用減弱。

圖9 不同粉煤灰-礦渣雙摻量下水膠比為0.40的混凝土各齡期徐變度曲線

分析認(rèn)為，這是由于粉煤灰活性不及礦渣，礦渣在早期水化中迅速消耗，凝膠結(jié)構(gòu)形成較快，則混凝土強(qiáng)度增幅較快，對(duì)徐變抑制作用增強(qiáng)。而雙摻量中礦渣占比明顯小于粉煤灰，隨著礦渣的消耗，混凝土中水泥水化作用放緩，相對(duì)早期其強(qiáng)度增幅不大，則徐變抑制效果減弱。此外，雙摻量達(dá)70%的試驗(yàn)組徐變度明顯高于純水泥試驗(yàn)組，這是因?yàn)橛捎陔p摻比例較大，水泥水化產(chǎn)物明顯減少，混凝土結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度發(fā)展緩慢，則混凝土對(duì)荷載的抵抗作用降低。

3 結(jié)論

1)粉煤灰-礦渣雙摻量顯著影響混凝土28 d最大溫升，隨雙摻量提高混凝土最大溫升降低，隨水膠比增大其影響略微減小。當(dāng)粉煤灰-礦渣摻量為70%時(shí)，混凝土的28 d最大絕熱溫升值最低。

2)不同水膠比下，混凝土各齡期的干燥收縮隨雙摻量提高逐步降低，在雙摻量為70%達(dá)到最低，且隨齡期增長，各摻量對(duì)混凝土干燥收縮抑制效果減弱。

3)粉煤灰-礦渣雙摻可以抑制混凝土徐變，雙摻量達(dá)30%、50%的混凝土徐變抑制效果最佳。