冬施商品混凝土強度增長規律探索研究

張 巖 殷春云 黃善文

1 概述

隨著建筑業整體施工水平和工業化程度的普遍提高,摻入粉煤灰的商品混凝土(以下簡稱商品混凝土)已成為基本城市建設不可缺少的建筑材料。工程實踐表明不同于普通人工拌制混凝土,商品混凝土中粉煤灰的摻量多少對混凝土早期和最終強度影響很大,但現行大部分規范標準都是基于不摻粉煤灰的基準混凝土而制定的,因此與工地實際情況存在一定差別,而且在冬季施工階段由于混凝土的配比、氣候條件和養護條件等諸多不同情況,其強度增長規律也存在較大差異。因此對冬季施工混凝土強度增長規律進行探索研究是十分必要的。

本文通過模擬實驗研究,最大程度模擬工程現場的實際情況,通過大量數據間的比對,探索以下規律:1)不同粉煤灰摻量對商品混凝土強度的影響;2)冬施條件下混凝土強度的增長規律;3)回彈法和鉆芯法在同條件下檢測數據的差異關系。

2 原材料和實驗方案

2.1 實驗原材料選擇

1)水泥:采用P.O42.5盾石牌普通硅酸鹽水泥;2)粉煤灰:采用Ⅱ級粉煤灰;3)砂:含水率為10%的中砂,表觀密度為2 680 kg/m3;4)石:粒徑為5 mm～25 mm的碎石;5)外加劑:采用恒基牌防凍劑,摻量為3.0%;采用恒基牌泵送劑,摻量為2.5%;6)水為普通飲用水。

2.2 實驗方案

2.2.1 原材料配合比

為保證實驗結果的可比性,計算水泥用量取402 kg,混凝土中摻用粉煤灰采用超量取代法,因粉煤灰等級為Ⅱ級,取超量系數1.3。即計算水泥用量=實際水泥用量+粉煤灰用量/超量系數,水灰比為0.46,防凍劑摻量為計算水泥用量的3%,泵送減水劑為計算水泥用量的2.5%。具體數據見表1。

表1 不同粉煤灰摻量混凝土配合比參數 kg

2.2.2 實驗過程

為盡量創造符合北方冬季實際施工條件,本實驗選擇在2009年嚴冬階段進行,試驗墻體及試件成型日期是2009年12月24日,屬于北京的嚴冬階段。室外平均溫度為-8.0℃,相對濕度為10%;操作間溫度控制在18.0℃左右,相對濕度50%,標養試塊養護符合標養環境條件(20±2)℃要求。粉煤灰混凝土基本力學性能:將水泥、粉煤灰、砂、石、外加劑、水按照設計的配合比均勻拌和在一起,在攪拌機中攪拌10 min后,做成 100 mm×100 mm×100 mm的試塊,每種配合比按表3制作不同齡期試件。同時每種配合比各制作一面1 200 mm×600 mm×300 mm的混凝土墻,用棉被等進行保溫,防止混凝土達到臨界強度前被凍壞,5 d以后撤除保溫,同時在相應齡期對三種不同配比的墻體進行回彈檢測和鉆芯取樣檢測,對數據進行縱橫向對比分析,利用曲線確定規律。

3 實驗數據及理論分析總結

3.1 實驗數據

3.1.1 粉煤灰摻量15%

表2 商品混凝土(粉煤灰摻量為15%)強度試驗結果 MPa

粉煤灰摻量為15%的商品混凝土強度試驗結果見表2。

3.1.2 粉煤灰摻量30%

粉煤灰摻量為30%的商品混凝土強度試驗結果見表3。

表3 商品混凝土(粉煤灰摻量為30%)強度試驗結果 MPa

3.1.3 粉煤灰摻量45%

粉煤灰摻量為45%的商品混凝土強度試驗結果見表4。

表4 商品混凝土(粉煤灰摻量為45%)強度試驗結果 MPa

3.2 實驗數據統計分析

1)為研究不同粉煤灰摻量對商品混凝土強度的影響,我們選擇不同摻量的標養試塊強度進行分析。根據試驗數據畫出的折線圖見圖1。a.由圖1可以得出如下結論:在同一水膠比的條件下,粉煤灰的摻入量越大,混凝土早期強度值越低。粉煤灰摻量大于30%后或達到最大限量時,對混凝土早期強度影響特別大。隨著齡期的增長,粉煤灰混凝土后期強度增長良好,45%摻量混凝土后期強度增長尤為明顯。粉煤灰摻量小的混凝土早期強度增長最快,但成本偏高;粉煤灰摻量過高,對混凝土早期強度影響太大,影響工程進度和質量。粉煤灰最佳摻量約在15%～30%之間,既保證了混凝土早期強度要求,又最大程度上節約了成本。總體上講養護60 d,不同粉煤灰摻量的混凝土最后強度基本相同,區別不大,標養條件下60 d后強度基本不再增長。b.根據以上結論,進行如下理論分析:粉煤灰混凝土早期強度直接取決于水泥的摻量,粉煤灰的加入延緩了水化速度,使其早期的水泥水化產物減少,從而影響了其早期強度的增長。由于加入了粉煤灰,后期生成了較多的C-S-H凝膠,增強了水泥與骨料的粘結力,使粉煤灰強度后期明顯增強。摻合料摻量過大時,膠凝材料總量中的水泥熟料含量相對較少,熟料水化生成的Ca(OH)2量較少,減少了摻合料水化反應生成C2S2H的比例,有些摻合料顆粒沒有參與反應,難以有足夠的生成物填充周圍的空隙,所以摻合料摻量超過一定范圍時,混凝土強度會隨摻合料摻量的增大(水泥用量減少)呈明顯下降趨勢,試驗結果與理論分析基本吻合,故單純地用粉煤灰高比例取代水泥是不可行的。2)為分析冬施條件下摻入防凍劑混凝土強度的增長規律和回彈法及鉆芯法在各種不同條件下檢測數據的差異關系,我們選取摻量為30%同條件試塊強度數據,同時結合回彈數據和鉆芯取樣強度進行比較分析。根據試驗數據畫出的折線圖見圖2。a.由圖2可以得出如下結論:混凝土強度的增長受到溫度影響巨大,同條件養護強度明顯低于標養強度;同時同條件試塊強度也明顯低于回彈強度推定值和鉆芯強度值(實體實際強度),用同條件試塊強度推定實體強度有較大差距。完全在負溫條件下(即實體養護完全在-8℃以下),冬施混凝土達到臨界強度后,混凝土強度也呈一定增長趨勢,而且28 d內增長幅度還較大,28 d以后增長趨緩。回彈強度和鉆芯強度高于同條件養護強度,表面回彈強度低于鉆芯強度。在28 d齡期前,表面回彈強度與鉆芯強度的差距較大,后期差距稍小。b.根據以上結論,進行如下理論分析:由于冬季溫度偏低以及冰凍、干燥、多風等環境影響,冬季同條件養護試件強度隨齡期增長緩慢,且規律性不強。同條件試塊由于體量小的特點,缺少自身水化熱和濕度等養護條件,其抗壓強度值低于混凝土實體的真實強度。冬季同條件養護試塊即使在累積溫度相同的情況下,仍低于標準養護強度,這是因為冬季戶外環境惡劣的原因,特別是冬季氣候干燥,濕度條件遠遠低于標養室環境。表面回彈強度低于鉆芯強度的原因可能是混凝土中摻加了粉煤灰。

4 結語

1)使用粉煤灰混凝土不僅可以節約水泥,降低混凝土成本,具有一定的經濟效益,而且還可以減少污染,改善環境。但粉煤灰摻量過高又會影響混凝土的早期強度增長,故粉煤灰摻量應該保持在一個最佳比例,本文推斷最佳摻量宜為20%～30%。2)由于冬季氣候變化難以預測,且變化不規律,因此反映結構實體強度的同條件養護試件不能完全反映混凝土實際強度,因此只能作為拆模和判定臨界強度等參考使用。3)完全負溫條件下混凝土強度仍有一定幅度的增長,到28 d后增長幅度減緩。4)冬季施工條件下,混凝土強度檢驗除制作28 d標養試件,還應制作60 d標養備用試件。因粉煤灰摻量較大的混凝土28 d后強度繼續增長且增長幅度大,標養條件下60 d后強度基本不再增長。因此60 d強度比較接近混凝土的最終強度。5)冬施轉常溫后,對混凝土實體強度進行檢測,在冬施地區務必考慮后期混凝土強度的增長空間,最好轉常溫后2個月再進行檢測,以避免出現強度值不能反映最終強度的情況。6)通過對混凝土的現場檢測,包括表面回彈試驗和鉆芯試驗,發現表面回彈強度均低于鉆芯強度,偏差較大,回彈強度推定值比鉆芯取樣強度值(即實際強度值)低15%～20%,故在今后對混凝土現場檢測時,要充分結合表面回彈檢測和鉆芯法檢測對混凝土強度進行評定。

[1] 陳 萌,張興昌.商品混凝土早期強度隨齡期增長規律的試驗研究[J].建筑科學,2007,23(9):66-69.

[2] 杜玉民,徐 勇,余 釗.高溫快硬水泥灌漿混凝土強度試驗研究[J].山西建筑,2009,35(7):177-179.