早齡期加載對粉煤灰混凝土變形及強度的影響

葉建雄 陳勇 嚴小康

摘 要：研究了粉煤灰摻量、加載齡期和加載應力對粉煤灰混凝土早期變形及加載后強度變化的影響。研究結果表明：隨著粉煤灰摻量增加，混凝土的變形量逐漸降低，當摻量為30%時，變形量減少了33.6%；隨著加載齡期提前或加載應力增大，粉煤灰混凝土的早期變形量增大，其中，加載應力的影響尤其明顯，60%加載應力（60%的標準養護條件下7 d軸心抗壓強度）比20%加載應力下混凝土最終變形量增加了277.2%；混凝土初始加載時間提前或加載應力增大會導致加載后粉煤灰混凝土強度下降，加載應力比加載齡期對加載后粉煤灰混凝土強度的影響更明顯。

關鍵詞：粉煤灰；早齡期；荷載作用；變形；強度

中圖分類號：TU528. 1

文獻標志碼：A文章編號：1674-4764（2016）05-0115-07

Abstract：The effect of content of fly ash， load age and stress on the deformation and strength was investigated at early age. The results indicated that creep of FA （fly ash） concrete decreased as content of fly ash increased and the maximum reduction was 33.6% when the content was 30%. Advancing load age and magnifying stress could increase the deformation. Effect of magnifying stress on deformation was drastically， as final creep of FA concrete loaded at stress ratio of 60% exceeded that of concrete loaded at stress ratio of 20% by 277.2%. Advancing load age and magnifying stress could decrease the axial compressive strength of FA concrete after being loaded. Effect of loading stress on the strength was more obvious than loading age.

Keywords：Fly ash；early age；load；deformation；strength

混凝土在建筑行業中占有至關重要的作用，但其基本原材料水泥的生產會對大氣造成污染。礦物摻合料替代部分水泥生產混凝土可以減少碳排放，有效緩解環境污染，對混凝土的可持續發展起到強烈推動作用[1]。粉煤灰作為常用的礦物摻合料，具有節約資源、保護環境等優點而廣泛應用于混凝土。研究表明粉煤灰對混凝土的工作性、孔結構、長期力學性能以及耐久性能具有明顯的改善作用[2-4]，另外，粉煤灰混凝土變形性能直接影響到混凝土結構以及鋼筋混凝土結構的變形、剛度、預應力損失等，因而變形性能也是粉煤灰混凝土應用于上述結構必須要考慮的問題[5-6]。

目前，粉煤灰混凝土的變形性能研究主要集中在28 d齡期后恒應力加載下的徐變研究。大多研究表明，粉煤灰能夠大幅度減少混凝土的徐變，但減少的程度受粉煤灰品種、水膠比、養護溫度等的影響[5，7-10]，粉煤灰降低徐變的原因可能是粉煤灰能誘導產生高密度C-S-H凝膠[11]。針對中國現行道路交通（公路、鐵路、橋梁等）規范中混凝土名義徐變系數未考慮粉煤灰的影響，研究學者通過試驗對徐變系數提出了修正建議，經修正后的規范徐變系數計算模型可提高粉煤灰混凝土徐變的預測精度[12-14]。另外，據調查，為了縮短工期，施工單位往往會讓粉煤灰混凝土結構在早齡期就承受大量施工荷載[15-16]，加載后對混凝土性能損害的方式和程度也未進行相關的系統研究，因此，有必要對粉煤灰混凝土早齡期荷載下的變形和加載后的強度進行研究。對未摻粉煤灰混凝土的研究發現，與14 d開始加載相比，7 d開始加載并持荷274 d的徐變系數增大了67.2%[17]，另有研究發現在良好養護的前提下混凝土的自愈作用使得早齡期加載對28 d強度影響并不大[18]。也有文獻表明，加載應力從30%增加到50%時，徐變度呈現非線性增長，但這對粉煤灰的早期徐變是否適用還有待確定[19]。另有試驗采用水化程度模型來預測粉煤灰混凝土的早齡期基礎變形，但仍需要對模型進行進一步修正[20]。

從已有研究可以看出，關于早齡期加載對粉煤灰混凝土變形性能的影響研究還很缺乏，對加載后強度的影響更是鮮有提及。明確早齡期加載對粉煤灰混凝土變形性能以及受載后力學性能的影響程度，對混凝土結構的安全施工、相關標準規范的修訂和施工技術的發展具有重要的現實意義。本文中主要研究了粉煤灰摻量、加載齡期、加載應力對早齡期受載混凝土變形量及加載至14 d齡期時強度變化的影響規律。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥 試驗采用重慶富皇P.O.42.5R水泥，其化學成分和物理力學性能如表1和表2所示。

1.1.2 粉煤灰

采用重慶市珞璜電廠生產的二級粉煤灰，主要技術要求如表3所示。

1.1.3 細集料 機制砂與特細砂按照7∶3質量比復合使用，其技術指標為

機制砂：Mx=3.1，s1 =2.69（g/cm3），堆積密度1 650 Kg/m3，含粉量7.2%；

特細砂：Mx=0.8，s1 =2.68（g/cm3），堆積密度1 450 Kg/m3，含泥量1.2%。

1.1.4 粗集料

本試驗采用粗集料為的5～10 mm小碎石和10～20 mm大碎石，小碎石∶大碎石=6∶4。

1.1.5 減水劑

聚羧酸高效減水劑，減水率27%。

1.2 配合比

本試驗在配制C30普通混凝土的基礎上，保持其他材料用量和膠凝材料總量不變，粉煤灰摻量分別為膠凝材料總量的0%、10%、20%、30%，具體配合比如表4。

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土基本力學性能試驗

混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度測定按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2002）進行試驗。

1.3.2 混凝土早齡期加載試驗

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行，棱柱體試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試驗裝置如圖1，加載制度如表5。

在進行加載齡期和加載應力對早齡期受載混凝土變形及強度影響試驗時選擇粉煤灰摻量為10%的混凝土。

2 結果與討論

2.1 早齡期加載對粉煤灰混凝土變形的影響

圖2是不同粉煤灰摻量下早齡期受載混凝土的變形量隨齡期發展曲線。從圖中可以看出，受載混凝土在1～24 h內的變形量顯著增加，而后變形速率降低。隨著粉煤灰摻量的增加，同齡期下的變形量降低且變形速率在24 h前變化不大，24 h后明顯降低，當粉煤灰摻量為30%時，24～120 h之間的變形量和最終變形量分別比基準組減少了60.6%和33.5%。可見粉煤灰的加入能夠有效抑制早齡期受載混凝土的變形，這與過去研究學者關于粉煤灰對28 d后受載混凝土的變形（徐變）的影響規律一致 [8-9]，原因是在臨界摻量以下粉煤灰與基體粘接良好，微集料效應能更好發揮，從而限制了基體變形。

圖3是加載齡期對摻粉煤灰早齡期受載混凝土變形的影響試驗結果。從中可以看出加載混凝土的變形量遠遠大于未加載混凝土的變形量，加載齡期越靠后同齡期下的變形量越低，降低的程度越小，5 d齡期開始加載時混凝土最終變形量比3 d齡期加載時混凝土變形量低23.8%，7 d齡期開始加載時混凝土最終變形量比5 d齡期開始加載時混凝土最終變形量低18.1%。可見加載齡期越晚，粉煤灰二次水化越充分，內部結構越致密，有利于降低荷載下的變形，增加混凝土結構的穩定性，但這種降低程度隨加載齡期的靠后而變得不明顯，已有研究也證實了這一點[16，21]。

圖4是不同加載應力下摻粉煤灰混凝土在荷載下的變形量隨齡期發展的試驗結果。未施加荷載時，粉煤灰混凝土的變形量最低，變形增長速率也最慢。變形量在0～72 h期間顯著增長，72 h后各應力水平下變形量的增長幅度相當。加載應力低于40%～40%的標準養護條件下的7d軸壓強度）時，變形量與加載應力呈正相關關系；當加載應力超過40%時，比徐變（單位應力下的徐變）增大，且最終變形量比未加載混凝土增加了572.1%。原因可能是混凝土出現更多微裂紋導致水分遷移，誘發粉煤灰混凝土內部自干燥效應，從而促進變形，且應力水平越高，影響越明顯 [22-23]。

2.2 早齡期加載對粉煤灰混凝土強度的影響

圖5、圖6、圖7分別是粉煤灰摻量、加載齡期、加載應力對早齡期加載以后混凝土的軸心抗壓強度影響的試驗結果。

圖5表明加載后混凝土的軸壓強度隨粉煤灰摻量增加而降低。對比圖5和表4可以發現未摻粉煤灰混凝土在加載之后比未加載的同齡期（14 d）軸壓強度降低了4.9 MPa。相比于同粉煤灰摻量的未加載混凝土，10%、20%、30%摻量的混凝土在加載后強度依次降低了1.9 MPa、 2.8 MPa和1.3 MPa，降低程度均小于未摻粉煤灰的混凝土。可見粉煤灰可以補償混凝土軸心抗壓強度損失程度。原因一方面歸結于粉煤灰在后期發揮的火山灰效應，另一方面歸結為在一定荷載作用下微裂縫的產生使更多未水化水泥以及粉煤灰暴露[23]，從而促進水化產物的生成，補償了強度損失。

從圖6中可以看出，加載齡期越靠前，加載后的粉煤灰混凝土的軸心抗壓強度越低。相比于未加載和7 d開始加載的粉煤灰混凝土，3 d開始加載的粉煤灰混凝土的軸壓強度分別降低了17.0%和10.7%； 5 d開始加載的粉煤灰混凝土軸壓強度略低于7d開始加載的粉煤灰混凝土的軸壓強度。超早齡期（3 d）加載使得水化程度很低的漿體內部結構產生更多的微裂紋，在持續應力的作用下產生一些不可逆微裂紋可能是產生這一現象的主要原因。

圖7表明，加載應力越大，粉煤灰混凝土受載后的軸壓強度越低。與未加載的混凝土相比，20%應力水平與60%應力水平下的粉煤灰混凝土在加載后的軸壓強度分別降低了4.3%和20.8%；20%應力水平與40%應力水平對加載后粉煤灰混凝土的軸壓強度的影響差別不大。60%應力水平下粉煤灰混凝土加載后的軸壓強度大大降低的原因可以認為是這一應力水平下混凝土內部的微裂紋開始出現自我增殖的現象，因此微裂紋的數量也呈現非線性的增長，從而導致內部結構劣化，強度隨之降低[22]。

3 結 論

1） 粉煤灰的加入能夠有效抑制早齡期受載混凝土的變形，30%摻量以下隨著粉煤灰摻量增加，早齡期受載混凝土的變形越小。

2） 加載應力低于40%時，變形量與加載應力呈正相關關系；當加載應力超過40%時，變形量與加載應力不成比例，比徐變（單位應力下的徐變）增大。

3） 加載齡期越靠前，加載后的粉煤灰混凝土的軸心抗壓強度越低。相比于7 d開始加載的粉煤灰混凝土，3 d開始加載的粉煤灰混凝土加載后的軸壓強度降低了10.7%。

4） 與未加載的粉煤灰混凝土相比，60%應力水平時的粉煤灰混凝土加載至14 d齡期后軸壓強度降低了20.8%，此時降低程度最大。

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（編輯 胡玲）