掺加粉煤灰补偿收缩混凝土的研究及应用
2005-04-12 00:00
摘要: 粉煤灰和膨胀剂同时掺加配制的补偿收缩混凝土得到广泛应用，那么粉煤灰对这样的补偿收缩混凝土的性能具有怎样的影响?本文研究在粉煤灰不同掺量条件下的水化热、常温和高温下的膨胀性能、力学性能和耐久性能。探讨混凝土设计的有关问题及工程应用实例。
关键词： 粉谋灰 膨胀剂 补偿收缩混凝土 水化热 养护制度 膨胀 耐久性
一、前言
高性能混凝土的出现加强了人们对粉煤灰(FA)的应用进行重新认识，粉煤灰对混凝土(尤其对贫混凝土)工作性能的影响人们认识较充分，尤其还具有良好的经济效益。粉煤灰的高值利用也将为环保和建材的可持续发展具有重要意义
随着国民经济的快速发展，大型构筑物的建设尤其地下防水工程不断增多，这类工程往往又是超长超厚混凝土结构，混凝土标号也高，一般为C40~C50混凝土。要解决许多技术问题，比如①抗裂抗渗;②如何降低水化热;③如何解决超长超厚混凝土结构的开裂等。除了工程设计上应该注意的问题外，从材料方面现主要使用粉煤灰和膨胀剂配制补偿收缩混凝土，由于工程中经常出现一些问题，因此有必要进行深人研究。
2 试验材料与试验方法
2.1试验材料
水泥：山东水泥厂的P.0 42.5;中国建材院基准水泥。
粉煤灰：济宁电厂的U级灰，其化学成分和物理性能见表1
表1 FA的化学成分及物理性能
|
化学成分（%） |
45μm筛余（%） |
需水量比（%） |
表观密度（kg/m3） | ||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
烧失量 | |||
|
53.6 |
30.56 |
6.11 |
4.01 |
1.46 |
0.44 |
0.94 |
0.64 |
0.44 |
19.2 |
97.1 |
2330 |
膨胀剂：山东建筑科学研究院外加剂厂生产的PNC，符合J C 476-2001。
泵送剂：山东建筑科学研究院外加剂厂生产的泵送剂FNC，符合JC 473-2001,掺1.5%~2%，减水率大于巧%。
砂：泰安河砂，细度模数为2.78，表观密度为2 670 kg/m3，堆积密度为1 440 kg/m3 。
石子：5 m~25 mm碎石，压碎指标值为12.5%，表观密度为2 710 kg/m3，堆积密度为1380 kg/m3 。
2.2 实验方法
主要依据下列标准规范试验:
混凝土膨胀剂J C 476-2001;混凝土外加剂应用技术规范GBJ 119;普通混凝土力学性能试验方法GBJ 81;普通混凝土长期性能试验方法GBJ 82;水泥水化热试验方法GB 2022。
粉煤灰和膨胀剂在所有试验中都采用内掺法，按等量替代水泥率来计算。
3 试验结果与分析
3.1 水泥水化热
粉煤灰和膨胀剂同时掺和，充分利用“叠加效应”，可大幅度降低水化热。参照水泥水化热试验方法试验，结果见表2
表2 水化热
|
胶结材B（%） |
FNC（%） |
热峰出现时间（h） |
水化热（kj/kg） | ||||
|
C |
FA |
PNC |
1d |
3d |
总 | ||
|
100 |
|
|
|
10．5 |
243 |
396 |
447 |
|
92 |
|
8 |
|
12 |
216 |
363 |
407 |
|
72 |
20 |
8 |
|
14 |
179 |
327 |
383 |
|
72 |
20 |
8 |
2 |
37 |
65．2 |
304 |
344 |
|
90 |
|
10 |
|
12．5 |
210 |
360 |
402 |
|
70 |
20 |
10 |
|
15 |
166 |
319 |
370 |
|
60 |
30 |
10 |
|
18 |
132 |
271 |
317 |
|
70 |
20 |
10 |
2 |
39 |
61．0 |
293 |
336 |
|
60 |
30 |
10 |
2 |
53 |
50．1 |
234 |
307 |
由表2可见，只掺加8%~10% PNC，水化热峰出现的时间推迟1.5 h~2 h，水化热降低9%~10%;掺加20%~30%FA和8%~10 %PNC，水化热峰出现的时间推迟3.5 h~7.5 h，水化热3d降低17%~27%，总水化热降低15%~29%;同时掺加20%~30 % FA, 8%~10%PNC和2 % FNC，水化热峰出现的时间推迟26.5 h~42.5 h，水化热3d降低23%~41%，总水化热降低23%~31%。粉煤灰和膨胀剂同时使用，可推迟水温温升峰值出现的时间，并且能降低早期和总的水化热，这样就较易控制混凝土内部温升，控制混凝土内外温差，膨胀剂的膨胀作用可补偿混凝土的后期冷缩和干缩，降低温度拉应力，达到防止混凝土开裂的目的。
3.2 膨胀率
3.2.1 养护制度对膨胀率的影响
对于大体积混凝土，特别是高标号超厚混凝土，一般水泥用量较高，水泥水化热温升既快又高，再加上不易散热，因此混凝土内部温度很高，有时高达80℃左右。这类工程虽然常使用同时掺加膨胀剂和粉煤灰的补偿收缩混凝土，但在夏季施工还是有可能出现混凝土内部温升高达80℃的情况的，那么这时混凝土的补偿收缩性能又如何呢?
我们设计最高温度为60℃士1℃和80℃土1℃的养护制度对掺加膨胀剂和粉煤灰的胶砂按JC 476-2001的试验方法进行试验。膨胀剂和粉煤灰都是内渗法，在试验室成型1:2:0.4的胶砂试件，当试件强度达到10 MPa士2 MPa后拆摸，测量试件的初始长度后放人30士1℃ 水中，按制定的养护制度进行养护.7天后测膨胀值。结果见表3
表 3 养护制度对胶砂性能的影响
|
胶凝材B（%） |
膨胀率（%） |
7d抗压强度（MPa） |
备注 | ||||
|
C |
FA |
PNC |
水7(d) |
水7(d)+干14(d) |
水7(d)+干21(d) | ||
|
92 |
|
8 |
0.039 |
0.015 |
0.007 |
60.6 |
每0.5d升10℃，至最高温度60士1℃持续1.5d,以后每0.5d降10℃，至20℃后一直养护到7d;干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H |
|
72 |
20 |
8 |
0.027 |
0.016 |
0.011 |
61.8 | |
|
70 |
20 |
10 |
0.031 |
0.019 |
0.013 |
64.4 | |
|
92 |
|
8 |
0.041 |
|
0.002 |
|
每0.5d升10℃，至最高温度80士1℃持续1.5d,以后每0.5d降10℃，干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H |
|
72 |
20 |
8 |
0.023 |
|
0.013 |
| |
|
92 |
|
8 |
0.041 |
|
0.019 |
|
JC467-2001 |
|
72 |
20 |
8 |
0.032 |
|
0.001 |
| |
由表3可见:对于不掺粉煤灰只掺加膨胀剂的胶砂，在这两种养护制度下7d的限制膨胀率都和JC 476-2001规定的试验条件下水养7d的膨胀率差不多，都在0.04%左右;而掺加粉煤灰后，7d的膨胀率显著减少，在最高养护温度80℃11℃时减小的幅度更大，但干缩落差明显减小，有利于发挥补偿收缩作用;同时还可以看出，同时掺加粉煤灰和膨胀剂的胶砂(1:2:0.40)强度7d就比只掺加膨胀剂的高。
只掺加膨胀剂的砂胶高温下膨胀率不降低，可以认为胶砂试件在水中养护(水充分)短时间内持续80℃，不会造成钙矾石分解。而同时掺粉煤灰和膨胀剂使膨胀率降低，则强度有所提高，可能由于在高温下粉煤灰的活性能快速被激发，消耗掉硫酸根和Ca(OH)2，从而减少能产生膨胀的钙矾石的生成，而加速了稳定而致密的水化硅酸钙凝胶的生成。
由于粉煤灰的活性得到充分的激发，生成大量的水化产物，可以认为即使膨胀率降低也能获得很密实的混凝土结构，对于材料本身防水可以说问题不大。但是，对于超长结构，还是应合理选择膨胀剂的掺量来提高混凝土的膨胀率，以期达到补偿收缩防止开裂的目的。
3.2.2 混凝土膨胀率
对于不同粉煤灰掺加量(等量替换水泥)，按GBJ 119的试验方法进行补偿收缩性能试验。本次试验都是高流态混凝土，结果见表4
表 4 混凝土补偿收缩性能
|
胶结材B（%） |
W/B |
坍落度(mm) |
抗压强度（MPa） |
限制膨胀率（1 x 10-4） | |||||||||
|
C |
FA |
PNC |
28d |
180d |
水
1d |
水
3d |
水
7d |
水
14d |
水
28d |
干
28d |
干
180d | ||
|
72 |
20 |
8 |
0.36 |
245 |
49．2 |
69.8 |
1.09 |
1.84 |
2.07 |
2.40 |
2.43 |
1.04 |
0.50 |
|
80 |
10 |
10 |
0.35 |
250 |
53．5 |
71.8 |
1.40 |
2.50 |
3.43 |
3.57 |
|
1.37 |
0.66 |
|
70 |
20 |
10 |
0.34 |
245 |
52．0 |
73.6 |
1.03 |
1.87 |
2.53 |
2.88 |
3.04 |
1.54 |
0.64 |
|
60 |
30 |
10 |
0.34 |
240 |
46．6 |
71.4 |
0.94 |
1.74 |
2.07 |
2.37 |
|
1.43 |
0.71 |
注:配比胶凝材料总量 B为450 kg/m3砂率为0.40;都掺2%FNC
由表4可见:①14 d膨胀率都大于1.5x10-4 (GBJ 119要求)，并且14d以后膨胀基本稳定;②在20士3℃, 60士5%R.H空气中养护180 d膨胀率都是正值;③在膨胀剂掺加量相同的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，膨胀率逐渐减小;④粉煤灰都掺加20%的情况下，随着膨胀剂掺量的增加，膨胀率增大。
粉煤灰和膨胀剂复合使用，粉煤灰在硫酸盐和碱性条件下能表现出很好的火山灰反应，因此要消耗掉部分膨胀剂中的硫酸盐和体系中的氢氧化钙，使浆体液相的pH值降低，随着粉煤灰掺量的增多，pH值更小。在没有足够的碱度和一定数量的Ca(OH)2的条件下生成的钙矾石往往以粗柱状形式结晶，表现出较差的膨胀性能。
随着粉煤灰的火山灰反应的不断进行，生成大量的胶凝性质的稳定的水化硅酸钙凝胶，进一步填充和堵塞孔隙，改善了孔结构和孔的分布，使混凝土结构更加密实，表现出相对较小的膨胀落差，以及后期混凝土具有较高的强度增长率。
3.3 强度和力学性能
表 5 混凝土强度
|
胶结材B（%） |
W/B |
坍落度(mm) |
抗压强度（MPa） | ||||||
|
C |
FA |
PNC |
3d |
7d |
28d |
60d |
90d | ||
|
90 |
|
10 |
0.39 |
185 |
37.9 |
49.7 |
58.5 |
66.7 |
73.7 |
|
80 |
10 |
10 |
0.37 |
190 |
34.5 |
43.7 |
52.2 |
64.4 |
71.3 |
|
70 |
20 |
10 |
0.37 |
195 |
28.8 |
39.2 |
50.9 |
64.5 |
67.5 |
|
60 |
30 |
10 |
0.37 |
200 |
20.1 |
32.6 |
45.0 |
57.3 |
60.8 |
|
72 |
20 |
8 |
0.37 |
190 |
26.9 |
33.5 |
49.2 |
63.8 |
65.3 |
|
68 |
20 |
12 |
0.37 |
195 |
23.3 |
33.3 |
48.1 |
62.1 |
66.6 |
注:胶结材总量为450 kg/m3砂率为0.40;都掺1.5%FNC
由表4, 5可见，在补偿收缩混凝土里用粉煤灰等量替换水泥，其28 d强度要降低，取代率为30%时28 d的强度降低的较多;替换率为10%~20%时.虽然28 d强度有所降低，但后期降低较少，可采用60 d或90 d强度作为设计强度进行设计，否则要相应提高胶凝材料的总用量。如表5，按28 d强度考虑，当胶凝材料总量为450 kg/m3，内掺10%膨胀剂时，可配制C50混凝土，而同时再用粉煤灰等量替换10%~20%的水泥，则只能按C40混凝土考虑，因为试配设计要有足够的富裕强度。
由表6可见，同时内掺粉煤灰、膨胀剂和泵送剂与基准混凝土相比，具有较高的力学性能。
表6 混凝土力学性能
|
胶结材B(%) |
FNC
(%) |
W/B |
坍落度
(mm) |
抗压
(MPa) |
轴压
(MPa) |
劈压
(MPa) |
抗折
(MPa) |
握裹力
(MPa) |
弹模
(MPa) | ||
|
C |
FA |
PNC | |||||||||
|
100 |
|
|
|
0.46 |
80 |
46.0 |
39.5 |
3.76 |
5.19 |
5.79 |
3.61x104 |
|
70 |
20 |
10 |
1.5 |
0.37 |
220 |
50.1 |
44.0 |
5.35 |
5.57 |
6.48 |
3.75 x104 |
3.4 耐久性
质量好的粉煤灰具有“火山灰效应”、“微集料效应”、“减水效应”及“比重效应”等综合作用，再和膨胀剂同时复合使用配制混凝土，能改善混凝土的孔结构，同时具有良好的孔级配，有害孔减少，少害、无害孔增多，总孔隙率降低，改善混凝土的界面结构，增加了混凝土结构的密实度，因此提高了混凝土的耐久性。
3.4.1 抗渗
胶凝材料总量为450 kg/m3，内掺20%FA, 10%PNC和1.5%FNC的混凝土，其抗渗压力为3.6 MPa，持续一天后，将试件劈开测渗水高度，只有15mm~35 mm，最高渗水高度的平均值为27 mm。可见混凝土具有非常好的抗渗透能力。
3.4.2 抗碳化
标准碳化箱进行碳化试验，28 d龄期，基准混凝土碳化深度为6.0 mm；内掺30 % FA和2%FNC时，碳化深度为8.5 mm；而同时掺加30%FA, 10%PNC和2 %FNC时，碳化深度为8.3 mm。可见膨胀剂对粉煤灰混凝土的碳化深度不增加。
一般认为，混凝土的密实度与碱度是影响混凝土碳化的二个最重要的因素。粉煤灰和膨胀剂同时使用，虽然浆体的碱度降低了，但由于混凝土的结构更加密实，较单掺粉煤灰混凝土的碳化实际上会有所改善。由于空气中的以CO2浓度非常小，较标准碳化箱中CO2浓度低近700倍，因此在实际工程中，混凝土的密度对碳化的影响程度会远大于碱度的影响。因此，在实际中不会出现碳化速度很快而影响混凝土的耐久性。
3.4.3 钢筋锈蚀
将Ф16 mm x 50 mm的光面钢筋段埋人内掺20 % FA和10 %PNC混凝土中，180天破型观察，钢筋表面光滑如初，未发现锈点。混凝土密实度的增加，内部界面结构的改善，有利于对钢筋的保护作用。
4 工程应用
4.1 混凝土设计的几点体会
掺加粉煤灰的混凝土，尤其同时掺加粉煤灰和膨胀剂的混凝土后期强度增长较大，根据上面的试验结果可知，60 d较28 d龄期的强度要增长10 MPa以上，虽然《粉煤灰混凝土应用技术规程》GBJ 146-90中讲，混凝土设计强度等级的龄期地下工程宜为60 d或90 d，大体积混凝土工程宜为90 d或180 d，但实际工程应用中，一般只考虑28 d龄期。通过试验研究。我们总结以下几点:
4.1.1胶凝材料计算
根据经验确定总胶凝材料用量B，为了充分考虑混凝土的强度和膨胀率，FA和PNC都按等量替换水泥率计算，即:B=C+FA+PNC, FA%= (FA/B) x100%, PNC%= (PNC/B) x100%，泵送剂或减水剂也要以总胶凝材料为基准计算用量，如FNC% = (FNC/B) x100%.
4.1.2 粉煤灰和膨胀剂的掺加量
本文只讲粉煤灰按等量替换水泥率来计算。粉煤灰的掺量影响混凝土的水化热、膨胀率以及早期和28 d龄期的强度，因此要综合考虑粉煤灰的掺量。如用II粉煤灰配制C40混凝土，粉煤灰替换率可考虑在20%左右，用量在(90~100) kg/m3 .
膨胀剂的掺加量根据使用的工程部位设计要求，以及粉煤灰的掺加量等因素来选择。薄壁结构，不易保湿养护的部位，如地下室外墙，应具有相对较高的膨胀率，一般限制膨胀率要大于3.0 x 10-4，这时膨胀剂的掺加量相对要提高1%~2%.
粉煤灰的掺加量多少影响混凝土的膨胀率，尽可能地控制粉煤灰的掺量在20%左右，这样对膨胀率的影响相对小些。在相同粉煤灰掺量下，要想获得较大的膨胀率可提高膨胀剂的掺量，如:同时内掺20%FA和10 %PNC的混凝土膨胀率大致与只掺8%PNC相当。
4.1.3 水胶比(W/B)的选择
对于II粉煤灰，同时掺加FA和PNC的混凝土，可直接考虑按W/B设计，而不去追求W/C多大。一般情况下，水胶比要比用鲍罗米公式计算的水灰比要低0.02~0.04。如:当配制C40混凝土，水灰比为0.40左右时，而内掺20 % FA和10 %PNC则水胶比应控制在0.37左右。这样才能确保28 d龄期混凝土的设计强度，但若允许考虑60 d或90 d强度，水胶比可适当放大，因内掺20 % FA和10%PNC的混凝土60 d强度较28 d要提高10 MPa以上。
4.1.4 水化热的计算
对于大体积混凝土在施工前要制定施工方案，为了能更加准确的预计施工过程中水化热温升，以便控制温差，减小温度应力，控制混凝土开裂，一般情况下要先估算混凝土内部可能达到的最高温升。
对于同时掺加粉煤灰、膨胀剂和泵送剂配制的混凝土的水化热如何确定呢?我们根据试验室大量的试验和工程实践总结了水化热的估算方法。纯水泥的水化热为Q，则胶凝材料的水化热Q=kQ其中k为水化热削减系数，k的取值依据FA, PNC, FNC取代水泥率来确定。只掺8%~10 %PNC，则k =0.92~0.88;同时掺8%~10 %PNC和10%~30 % FA，则k = 0. 9~0.75;同时掺8%~10%PNC, 10%~30% FA和1.5%~.0% FNC，则k=0.80~0.70.
4.2 工程应用举例
我院混凝土外加剂厂近几年实际年生产PNC膨胀剂都在15 000吨左右，大量用于各类抗裂、防水抗渗工程，高层建筑的地下室、地下人防工程等都属于超长超厚混凝土结构，同时掺加优质粉煤灰和膨胀剂配制补偿收缩混凝土得到广泛的应用。列举部分工程如下:
表7 粉煤灰和脚胀剂配制混凝土部分工程应用
|
工程名称 |
混凝土厚度(m) |
混凝土等级 |
FA(%) |
PNC(%) |
施工时间 |
|
山东省人民检察院大楼 |
1.0 |
C40、P8 |
15 |
13(液化) |
1995.10 |
|
淄博凤阳大厦 |
2.0 |
C40、P8 |
37 |
12 |
1996.5 |
|
济南银河大厦 |
1.5~3.0 |
C40、C45、P12 |
20 |
12 |
1997.7 |
|
德州广电中心 |
1.5 |
C45、P8 |
20 |
13(液化) |
1998.12 |
|
中创9#10#楼 |
1.2 |
C40、P8 |
20 |
8 |
1999.8 |
|
济南中房大厦 |
1.4 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.5 |
|
鲁能东兴里 |
1.2 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.8 |
|
济南市中级法院 |
1.5~2.0 |
C40、C45、P8 |
20 |
10(液化) |
2001.5 |
|
山东农大科技大楼 |
1.3 |
C40、P8 |
20 |
10 |
2001.8 |
|
秦皇岛人民广场 |
|
C35、P8 |
20 |
9(液化) |
2001.9 |
5 结束语
①同时掺加粉煤灰和膨胀剂可大幅度降低混凝土的水化热，有利于控制温度应力，减少混凝土开裂。同时掺加20 % FA和10 %PNC可降低水化热20%左右;再掺2 % FNC泵送剂可降低水化热25%左右。
②粉煤灰会降低补偿收缩混凝土的膨胀率。随着粉煤灰掺量的增加，而膨胀率降低的幅度增大，高温(60℃、80℃)养护条件下降低的幅度更大。但不掺粉煤灰只掺PNC膨胀剂的胶砂在最高温度达60℃~80℃ (本试验的二种养护制度下)时和20℃时的膨胀率差不多。
③粉煤灰和膨胀剂同时掺和，能改善硬化混凝土的孔结构，使大孔减少微孔增多，使孔级配更加合理，改善混凝土内部界面结构，使混凝土结构更加密实。因此，能大幅度提高混凝土的后期强度，同时使混凝土具有良好的耐久性能。
④合理地选择粉煤灰和膨胀剂的掺加量，合理地设计混凝土的配合比，可配制出优质的补偿收缩混凝土，有效地解决超长超厚大体积混凝土结构的抗裂防渗。
参考文献
[1] 沈旦申: 粉煤灰混凝土 北京中国铁道出版社 1989年
[2] 胡建勤、管斌君、何庆丰 粉煤灰混凝土对混凝土补偿收缩性能的影响 混凝土与水泥制品2001 (2)
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