粉煤灰在大體積混凝土中作用機理研究

汪冬冬，金建昌2，田偉麗2，王成啟

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

粉煤灰在大體積混凝土中作用機理研究

汪冬冬1，金建昌2，田偉麗2，王成啟1

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

針對粉煤灰混凝土在標準養護條件和變溫養護條件下強度發展進行研究。發現標準養護條件下粉煤灰混凝土早期強度發展緩慢，而變溫養護條件強度迅速增長；對比研究粉煤灰對水化熱和絕熱溫升影響，發現粉煤灰可顯著降低水化熱和絕熱溫升；在絕熱溫升試驗中發現粉煤灰水化放熱峰，而水化熱試驗中未見粉煤灰放熱峰。

粉煤灰；變溫養護；強度發展；水化熱；絕熱溫升

大體積混凝土結構中，膠凝材料水化放熱集中在入模后2~5 d，構件內部實際溫度與絕熱條近似，只有當散熱速度大于放熱速度時內部溫度才開始下降。根據度時積原理[1-2]分析結構內部混凝土在較短齡期可達較高成熟度。較高內部溫度使水泥、礦物摻合料水化反應速率加快，Idorn[3]研究表明，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率比20℃加快1倍。覃維祖[4]認為，與水泥相比，粉煤灰混凝土受溫度的影響更為顯著。閻培渝[5]研究發現養護溫度升高能夠使粉煤灰化學活性較早地發揮。本文在上述研究基礎上通過變溫養護試驗結合水化熱與絕熱溫升對比試驗，根據水化熱、絕熱溫升試驗結果和變溫及標養條件下粉煤灰混凝土早期強度發展，分析粉煤灰在大體積混凝土中效果和作用機理。

1 試驗方案

在絕熱溫升試驗基礎上設計變溫養護方案模擬大體積混凝土內部溫度條件，對比研究粉煤灰混凝土在變溫和標準養護條件下強度發展規律。希望通過模擬試驗掌握大體積混凝土內部粉煤灰的作用和效果。

1.1 混凝土配合比設計

基準混凝土配合比見表1，單方膠凝材料（硅酸鹽水泥與礦物摻合料總和）390 kg/m3，水膠比0.39，砂率0.39，聚羧酸減水劑摻量0.9%~1.1%。JZ配方膠凝材料使用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，FA25、FA45分別使用25%Ⅱ級粉煤灰、45%Ⅱ級粉煤灰等量替代水泥。

1.2 變溫養護

變溫養護方案見圖1。采用高低溫交變濕熱養護箱模擬大體積混凝土內部溫度環境，曲線上升段為絕熱溫升曲線稍折減。具體養護制度為：0~96 h，類似絕熱溫升曲線；96~192 h，從最高溫度降低到25℃。成型混凝土試塊帶模放入高低溫交變濕熱養護箱按照圖1養護方案進行變溫養護，在指定齡期取出試塊測試強度，同時測試標準養護條件下試塊強度。

表1 基準混凝土配合比Table 1 Mix proportion of reference concrete

圖1 變溫養護方案Fig.1 Variable temperature curing scheme

2 變溫養護試驗結果分析

標準養護和變溫養護條件下JZ、FA25和FA45混凝土不同齡期強度試驗結果見表2及圖2。變溫養護條件下混凝土強度發展迅速，摻25%粉煤灰的混凝土在5 d齡期強度已經趕上并超過基準混凝土，摻45%粉煤灰混凝土在第8 d強度與基準混凝土已相差不多。而在標準養護條件下，粉煤灰混凝土強度明顯低于同齡期基準混凝土的強度，28 d齡期之后粉煤灰混凝土強度進一步增長并逐漸縮短與基準混凝土的強度差距。

表2 混凝土抗壓強度試驗結果Table 2 Concrete compression strength test results

圖2 混凝土強度發展Fig.2 Concrete strength development

上述試驗結果說明粉煤灰活性發揮受溫度影響很大，高溫度條件促進粉煤灰二次水化，其活性被激發導致化學反應速率加快。大體積混凝土結構內部膠凝材料水化放熱積蓄形成的高溫條件使粉煤灰混凝土強度迅速增長，短時間達到較高強度。而標準養護和現場留樣混凝土同條件養護試塊的強度不能真實反映大體積混凝土內部的實際強度。因此，規范允許大體積混凝土強度驗收可以推遲至56 d齡期甚至更長齡期。

3 粉煤灰對降低絕熱溫升的作用

對比研究摻20%~60%粉煤灰對膠凝材料水化熱和混凝土絕熱溫升的影響，水泥采用PⅠ52.5硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，水化熱試驗采用ToniCAL水泥水化熱測試儀，絕熱溫升采用HR-3S混凝土熱物理參數測定儀。

3.1 水化熱

根據圖3水化熱試驗結果可見，粉煤灰可顯著降低膠凝材料水化熱，并且隨粉煤灰摻量增加，水化熱近乎線性降低。摻20%、30%、40%、50%粉煤灰，水化放熱速率峰值分別降低23.7%、33.9%、43.0%、57.5%，而7 d齡期水化熱分別降低20.9%、30.1%、43.0%、51.5%，降低的比例略大于粉煤灰摻量。由此可見，粉煤灰未參與水化反應。

圖3 單摻二級粉煤灰混凝土水化熱試驗結果Fig.3 Test results for the heat of hydration of the concrete only with secondary fly ash

3.2 絕熱溫升

圖4是PⅠ硅酸鹽水泥摻30%、40%、50%、60%粉煤灰配制混凝土的絕熱溫升試驗結果。隨粉煤灰摻量增加絕熱溫升降低，降低百分率略低于粉煤灰取代率。隨粉煤灰摻量增加絕熱溫升速率峰值降低，放熱峰推遲。摻量每增加10%，放熱峰延遲約1h。水泥水化峰值后2~3 h明顯可見粉煤灰放熱峰。粉煤灰顆粒均勻分散于水泥漿體中，改善水泥顆粒水化環境促進水泥早期水化。上述分析說明，粉煤灰活性不高，水化特性比水泥平緩，可有效改善膠材水化歷程，可有效降低膠材放熱峰值并延遲峰值出現時間，這對于延緩大體積混凝土集中放熱效果顯著。粉煤灰取代水泥用量越大，放熱峰值衰減和延遲出現的效果越明顯。

3.3 水化熱與絕熱溫升對比分析

圖4 單摻二級粉煤灰混凝土絕熱溫升試驗結果Fig.4 Test results for the adiabatic temperature rise of the concrete only with secondary fly ash

粉煤灰對水化熱和混凝土絕熱溫升影響見表3、表4。水化熱試驗與絕熱溫升試驗結果吻合，隨粉煤灰摻量增加水化熱和絕熱溫升降低，但降低幅度有較大區別。根據圖5粉煤灰摻量對水化熱和絕熱溫升影響，粉煤灰摻量相同時，水化熱降低更多，隨粉煤灰摻量增大水化熱峰值出現時間延長更為明顯。水化熱試驗環境溫度20±2℃，而絕熱溫升試驗中混凝土與環境不存在熱交換，隨試驗進行溫度不斷升高。不同試驗條件導致水化熱和絕熱溫升試驗中粉煤灰活性發揮存在差異，根據絕熱溫升試驗結果可以說明粉煤灰對絕熱溫升有貢獻，而水化熱試驗中看不出粉煤灰對水化熱數據的影響。對于大體積混凝土工程而言，絕熱溫升試驗條件與結構內部更接近，數據對實際工程更具指導意義。

表3 水泥水化熱試驗結果Table 3 Test results for the heat of hydration of cement

表4 混凝土絕熱溫升試驗結果Table 4 Test results for the adiabatic temperature rise of concrete

圖5 粉煤灰摻量對水化熱和絕熱溫升影響Fig.5 Influences of fly-ash amount on the heat of hydration and adiabatic temperature rise

4 結語

研究發現粉煤灰混凝土在標準養護條件下早期強度發展緩慢，而在變溫養護條件下早期強度發展迅速。變溫條件下粉煤灰混凝土強度發展的試驗對于監測大體積混凝土內部強度發展具有應用的實際意義。通常以標準條件養護試塊監測大體積混凝土的強度發展是值得商榷的，充其量只能反映混凝土配合比的合理性，難以表征大體積混凝土內部強度的實際發展情況。在絕熱溫升試驗中發現粉煤灰水化放熱峰，從機理上證實了大體積混凝土內部粉煤灰二次水化反應，粉煤灰可以在大體積混凝土工程中充分發揮高溫條件參與水化的特性，并且對于降低混凝土絕熱溫升改善膠凝材料水化歷程優勢明顯，可提高大體積混凝土工程質量。

[1]PLOMEN J M.Maturity and strength of concrete[J].Magazine of Concrete Research，1956（22）：13-22.

[2]PRICE W H.Factors influencing concrete strength[J].Journals of the ACI，1974（9）：436-444.

[3]MIDORN G.Concrete durability&resource economy[J].Concrete International，1991，13（7）：18-23.

[4]覃維祖.粉煤灰在混凝土中的應用技術[J].商品混凝土，2006（2）：13-18. TAN Wei-zu.Application technology of fly ash in concrete[J]. Ready-mixed Concrete，2006（2）：13-18.

[5]閻培渝，王強.變溫條件下粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響[J].混凝土，2008（3）：1-3. YAN Pei-yu，WANG Qiang.Influence of fly ash on the compressive strength of concrete under temperature match curing conditions[J].Concrete，2008（3）：1-3.

Research on the action mechanism of fly ash in mass concrete

WANG Dong-dong1，JIN Jian-chang2，TIAN Wei-li2，WANG Cheng-qi1
（1.Shanghai Third Harbor Engineering Science&Technology Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China；2.CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）

This paper studies the strength development of fly ash concrete in standard curing condition and under variable temperature curing condition.The result reflects that the early strength of fly ash concrete develops slowly under the standard curing condition while grows rapidly under variable temperature curing condition.The comparative study of influence by fly ash on hydration heat and adiabatic temperature rise shows that the fly ash can significantly reduce the hydration heat and adiabatic temperature rise，and the exothermic peak of fly ash hydration is found in the adiabatic temperature rise test but is not found in the hydration heat test.

fly ash；variable temperature curing；strength development；heat of hydration；adiabatic temperature rise

U654

：A

：1003-3688（2014）03-0043-04

10.7640/zggwjs201403008

2013-10-21

2013-12-24

汪冬冬（1980— ），男，黑龍江齊齊哈爾市人，高級工程師，項目負責人，從事高性能混凝土、結構耐久性及預應力混凝土管樁研究。E-mail：wdd8449@163.com