粉煤灰摻量及水膠比對混凝土早齡期性能影響試驗研究

趙劍　莊金平　馬永超　吳敏

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室(福建工程學院)　福建福州　3501082. 福州大學　福建福州　350108)

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粉煤灰摻量及水膠比對混凝土早齡期性能影響試驗研究

趙劍1,2莊金平1馬永超1,2吳敏1

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室(福建工程學院)福建福州3501082. 福州大學福建福州350108)

采用正交試驗方法，分析了粉煤灰摻量及水膠比對混凝土早齡期強度以及早期靜力受壓彈性模量的發展規律的影響。試驗表明，混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大，且在0～4d，彈模有較快的增長，4d以后增長放緩。采用回歸分析方法，給出粉煤灰摻量分別為15%、25%和35%的C45混凝土早齡期彈性模量預測公式。

混凝土；早齡期強度；早齡期彈模；試驗

根據《粉煤灰混凝土應用技術規范》[1]規定，在普通鋼筋混凝土中，粉煤灰最大摻量不宜超過35%，本文通過試驗，主要研究了粉煤灰摻量在15%～35%的C35、C40、C45的混凝土分別在2d、4d、7d、14d和90d的立方體抗壓強度和靜力受壓彈性模量的發展規律，并通過統計和回歸分析方法，得到預測其早期彈性模量的經驗公式，以供工程應用及研究參考。

1　試驗原材料

水泥：海螺425普通硅酸鹽水泥。實測強度fce=46MPa。

砂：閩江清水河砂，表觀密度2640kg/m3，細度模數2.6，屬于細砂，級配符合要求。

石：碎石，表觀密度2712kg/m3，骨料公稱粒徑5～16mm，連續級配。

粉煤灰：長樂江陰電廠二級粉煤灰。

2　實驗方案

參考《普通混凝土配合比設計規程》[2]進行混凝土配合比設計。根據正交對比方法設計對比組，實驗變量為水膠比和粉煤灰摻量，分組情況如表1所示。試驗齡期分為2、4、7、12d和90d。每一齡期各組試塊各準備6個，其中3個立方體試塊(150×150×150mm)，用于測試立方體抗壓強度，3個棱柱體試塊(150×150×300mm)，用于測彈性模量。試塊采用標準養護。測試儀器采用彈性模量測定儀，彈性模量測定儀的上下環標距150mm，上下環和棱柱體混凝土試塊的上下斷面距離75mm。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[3]規定，在測量彈性模量前先進行相應的立方體試塊的抗壓強度。彈性模量計算公式如式1所示。各齡期實測彈性模量及立方體抗壓強度如表2所示。

(1)

其中，Ec為彈性模量，P2為40%的極限破壞荷載，P1為應力0.5MPa時的荷載，A為試件截面面積，L為上下環標距，ΔL為應力從0.5MPa增加到40%極限破壞應力時的試件變形。

表1　各組對比參數

表2　各齡期混凝土立方體抗壓強度及彈性模量

3　試驗結果與分析

3.1早齡期立方體抗壓強度

從圖1中可以看出，總體上混凝土早期強度發展受水膠比影響較大，對于越低的水膠比，其立方體抗壓強度增長越快。而且從強度發展規律來看，對于粉煤灰摻量同為25%的組G1、G2和G3，其強度在0～4d內有一個較快的發展，且水灰比越小強度增長越快。對于4d之后各組強度增長均逐步趨于平緩，而且從圖1中還可以看出，7～14d的強度增長速率G3>G2>G1，也即水灰比越大增長速率越快。

另外，圖2中不同粉煤灰摻量組G3、G4和G5的對比可以發現，粉煤灰摻量對混凝土早期抗壓強度的發展有一定影響。對于低粉煤灰摻量組G4，其前期強度發展比G3和G5發展得快。這是由于混凝土強度主要受到水化作用影響，在混凝土早期硬化階段，主要發生的是水泥熟料礦物的水化反應。另外，從圖2中可以發現，7d后，粉煤灰摻量較高的組強度增長速度相對會快一些，但總體上G3和G4的強度仍然略高于G5組。這是由于在這一階段水泥熟料礦物的水化反應開始逐步減少，強度增長速率開始變緩。但是，從表2中水膠比相同的組G3、G4和G5的90天立方體抗壓強度對比可以看出，由于后期粉煤灰發生二次水化反應使得粉煤灰摻量高的組有相對較強的后期強度增長，各組的后期強度基本比較接近。

圖1水膠比對早期強度的影響

圖2粉煤灰摻量對早期強度的影響

3.2早齡期彈性模量

彈性模量也是混凝土的重要參數。從圖3中可以看出，在0～7d，水膠比對混凝土早期彈性模量有比較顯著的影響，水膠比越大，彈性模量越小，增長速度也較小，對于7～14d則影響不大。而且從表2可以看到，對于最終的90d彈性模量，水膠比越大，彈性模量越小。

圖3水膠比對早期彈模的影響

圖4粉煤灰摻量對早期彈模的影響

a.粉煤灰摻量15%擬合 b.粉煤灰摻量25%擬合 c.粉煤灰摻量35%擬合圖5　不同粉煤灰摻量下的公式擬合結果

另外，從圖4中可以看到，混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大。總體上，在0～7d，粉煤灰摻量少的組其彈模增長速度較快，但7～14d，粉煤灰摻量不同的組G3、G4和G5的彈模增長速率趨同，而且從表2可以看到，同水膠比的組最終彈模比較接近。這主要是由于混凝土的彈模發展主要受到水化作用的影響，因此，和粉煤灰摻量對早期強度的影響情況類似，早期的硬化速率主要受到水泥的熟料礦物的水化反應程度的影響，粉煤灰摻量越高，其早期的水化反應速率越低，隨著反應的進行，參與水化的材料逐漸減少，水化速率逐漸降低，因此彈模增長速率放緩，但是后期由于粉煤灰的二次水化反應，生成的C-S-H凝膠填充到各孔隙中，使結構變得更加致密，最終使得不同粉煤灰摻量的三個組的最終彈模基本相近。同時，對比圖3和圖4發現，粉煤灰摻量對早期彈模的影響要高于水膠比的影響。

基于上述觀察，構造一個指數函數和線性增長函數的組合函數來對彈性模量的增長情況進行數據擬合。對于C45混凝土，通過回歸分析方法分別給出了當粉煤灰摻量為15%、25%和35%時的早期彈模計算公式，分別如式2、式3和式4所示：

Ec=14.58×(1-e-0.666t)+0.208t

(2)

Ec=15.69×(1-e-0.866t)+0.173t

(3)

Ec=13.61×(1-e-0.559t)+0.23t

(4)

其中Ec為混凝土抗壓彈性模量，t為齡期。公式擬合效果如圖5所示。

上述回歸公式均能較好地吻合早齡期混凝土彈模增長規律，且按照公式計算得到的90d彈模也均與實驗數據吻合良好，偏差均不超過5%，可以作為相關研究以及工程應用參考。

4　結論

(1)粉煤灰摻量為15%～35%的C35、C40和C45混凝土在0～4d立方體抗壓強度有較快的增長，4d以后增長較緩。

(2)粉煤灰摻量對混凝土早期立方體抗壓強度的發展有一定影響，越高的粉煤灰摻量其早期強度增長越緩，但對最終的強度影響不大。

(3)在0～7d，水膠比對早期彈性模量有一定影響，但在7～14d則影響不大。

(4)混凝土早期彈模受粉煤灰摻量影響較大，且在0～4d，彈模有較快的增長，4d以后增長放緩。

(5)本文提出的當粉煤灰摻量為15%、25%和35%的C45混凝土早期彈模計算公式可以作為相關工程及研究參考借鑒。

[1]GB/T 50146-2014 粉煤灰混凝土應用技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[2]JGJ55-2011 普通混凝土配合比設計規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]GB/T 50081-2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

Experimental study on the effect of fly ash content and water cement ratio to the early age performance of concrete

ZHAO Jian1,2ZHUANG Jinping1MA Yongchao1,2WU Min1

(1. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering(Fujian University of Technology，Fuzhou 350108;2.Fuzhou University， Fuzhou 350108)

In this paper，the influence of fly ash content and water cement ratio on the early age strength and elastic modulus is studied by means of orthogonal testing method. The experiment result shows that，the fly ash content has great impact on the early age elastic modulus，and the elastic modulus develops rather fast at the beginning 4days，and after that grows slowly. And the predicting formulas of early elastic modulus of C45 concrete with fly ash content 15%，25% and 35% are given by the method of regression analysis，which can provide with some references for engineering application and research.

concrete；early age strength;early age elastic modulus；experiment

福建工程學院本科試驗教學教改項目(SJ2013014)；大學生創新創業訓練計劃項目(201510388027)

趙劍(1988-)，男，助理實驗師。

E-mail: zhaojian@fjut.edu.cn

2016-04-14

TU5

A

1004-6135(2016)05-0095-03