粉煤灰對混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的影響研究

陳樹新

摘 ? ? ?要： 為研究粉煤灰對混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的影響規(guī)律，制備了不同預(yù)養(yǎng)護(hù)時間、抗凍溫度粉煤灰摻量的混凝土試驗樣品，測試其抗凍4 d后60 d抗壓強(qiáng)度，分析了粉煤灰摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，找出了不同粉煤灰摻量混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：粉煤灰混凝土的60d抗壓強(qiáng)度隨抗凍溫度的降低而減小;混凝土保證最終強(qiáng)度的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間隨粉煤灰摻量的增大而增長;粉煤灰混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度隨受凍溫度的減低而增大。

關(guān) ?鍵 ?詞：粉煤灰;混凝土;抗凍臨界強(qiáng)度;抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：TU528.01 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)碼： A ? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）12-2781-04

Abstract： To study the effect of fly ash to concrete resistant freezing critical strength， concrete test samples with variable curing time and fly ash content were prepared. The 60-day compressive strength of the samples after 4-day freezing was tested. The effect of fly ash content on the compressive strength of concrete was analyzed. The resistant freezing critical strength of concrete with different fly ash content was determined. The results showed that， the 60-day compressive strength of fly ash concrete decreased with the decrease of freezing temperature; the concrete pre-curing time to ensure the final strength increased with the increase of fly ash content; the resistant freezing critical strength of fly ash concrete increased with the decrease of freezing temperature.

Key words： Fly ash; Concrete; Resistant freezing critical strength; Compressive strength

利用粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，一方面可以減小水泥用量，降低水泥生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染[1]，另一方面可以大量消耗熱電廠廢棄物粉煤灰[2]。粉煤灰混凝土的使用可以有效的保護(hù)環(huán)境，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，也成為了建筑施工中的重點關(guān)注問題。目前，大量學(xué)者在粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度[3]、抗拉強(qiáng)度[4]、抗腐蝕特性[5]和隔熱性能[6]方面已經(jīng)開展了大量的研究工作。

然而，部分特殊環(huán)境下粉煤灰混凝土的使用性能仍未十分清楚[7，8]，例如由于粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度較低，加之我國“三北地區(qū)”冬季溫度較低，粉煤灰混凝土的抗凍性能仍需開展進(jìn)一步研究。因此，本文通過室內(nèi)試樣方法制備了不同粉煤灰摻量的混凝土樣品，測試了不同預(yù)養(yǎng)護(hù)時間和不同抗凍溫度條件下樣品的抗壓強(qiáng)度，分析了不同粉煤灰摻量混凝土達(dá)到95%標(biāo)準(zhǔn)60d抗壓強(qiáng)度的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間和抗凍臨界強(qiáng)度。本文的研究成果可為粉煤灰混凝土在我國“三北地區(qū)”的冬季施工提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗材料

本文制備不同粉煤灰含量的混凝土樣品，分析粉煤灰摻量對混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗材料主要包括水泥、粉煤灰、碎石、河砂、減水劑和攪拌水。其材料配比如表1所示，其中粉煤灰摻量分別為20%、30%、40%和50%，水灰比為0.4。

1.2 ?試驗方法

試樣澆筑完成后，共制備以下三種樣品，測試其抗壓強(qiáng)度：

（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d，測試其抗壓強(qiáng)度f0，取f00的95%為標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)預(yù)養(yǎng)護(hù)至 12、16、20、24、28、32、36h后，測試部分試樣的抗壓強(qiáng)度f11作為抗凍臨界強(qiáng)度依據(jù)。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)預(yù)養(yǎng)護(hù)至 12、16、20、24、28、32、36 h后，將試樣轉(zhuǎn)入-5、-10、-15、-20 ℃的受凍環(huán)境4 d，然后再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 60 d，測其后期抗壓強(qiáng)度fnn。

對于同一粉煤灰摻量，一般情況下混凝土抗壓強(qiáng)度隨標(biāo)準(zhǔn)預(yù)養(yǎng)護(hù)時間的增大而減小，fnn大于95f00時對應(yīng)的最小標(biāo)準(zhǔn)預(yù)養(yǎng)護(hù)時間，此預(yù)養(yǎng)護(hù)時間下對應(yīng)的f11即為抗凍臨界強(qiáng)度。

2 ?試驗結(jié)果分析

2.1 ?粉煤灰摻量對負(fù)溫混凝土60 d抗壓強(qiáng)度影響

不同粉煤灰摻量條件下負(fù)溫混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度值如表2和圖1所示。可以看出：

（1）隨著預(yù)養(yǎng)護(hù)時間的增加，粉煤灰混凝土受凍后的60d抗壓強(qiáng)度值逐漸增大，但增大速率卻逐漸減小，最終保持不變;原因在于，粉煤灰混凝土早期水化反應(yīng)能夠消耗較多的水，減小混凝土在負(fù)溫環(huán)境下的凍損傷，因此，預(yù)養(yǎng)護(hù)時間越長，粉煤灰混凝土受凍后的60 d抗壓強(qiáng)度值也就越高。

（2）粉煤灰混凝土預(yù)養(yǎng)護(hù)時間相同時，如受凍溫度越低，粉煤灰混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度也越低，但當(dāng)溫度低于一定程度時，粉煤灰混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度就變化很小。這主要是因為受凍溫度越低，粉煤灰混凝土內(nèi)部受到的凍脹力也越大，同時水化反應(yīng)速率也越低，當(dāng)受凍溫度達(dá)到一定值時，粉煤灰混凝土內(nèi)部孔隙水將全部結(jié)冰，同時水化反應(yīng)速率基本為零，此時，受凍溫度對粉煤灰混凝土60 d抗壓強(qiáng)度影響就很小。

（3）當(dāng)粉煤灰摻量較小時，粉煤灰能夠有效激發(fā)水泥的活性效應(yīng)并填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高混凝土密實度，減小粉煤灰的受凍損傷;但如粉煤灰摻量過大，則會使粉煤灰混凝土內(nèi)水泥過少而導(dǎo)致水化產(chǎn)物過低，反過來降低了粉煤灰混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度。因此，當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時，隨著粉煤灰摻量的增大，粉煤灰混凝土受凍后的60 d壓強(qiáng)度逐漸變小，尤其是粉煤灰摻量超過30%時。

根據(jù)粉煤灰混凝土受凍后的60 d抗壓強(qiáng)度值，并與其未受凍時的60 d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，可以得到不同粉煤灰摻量條件下負(fù)溫混凝土為保證達(dá)到95%標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)的時間如圖2所示。

當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃負(fù)溫條件下應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間分別為16、19、20和21 h;當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃負(fù)溫條件下應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間分別為17、20、21和22 h;當(dāng)粉煤灰摻量為40%時，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃負(fù)溫條件下應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間分別為20、22、24和25 h;當(dāng)粉煤灰摻量為50%時，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20℃負(fù)溫條件下應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間分別為24、26、27和28 h。

這說明，隨著粉煤灰摻量的增大，不同負(fù)溫條件下粉煤灰混凝土為保證最終強(qiáng)度應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間要越長;原因是粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土的早期水化反應(yīng)速率就越慢，其消耗水量就越小，而只有消耗水量達(dá)到一定程度才能保證粉煤灰混凝土在負(fù)溫條件下不致?lián)p傷太大，因此，粉煤灰摻量越大，負(fù)溫混凝土的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間就越長。

2.2 ?粉煤灰摻量對負(fù)溫混凝土抗凍臨界強(qiáng)度影響

表3所示為未受凍粉煤灰混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，不同粉煤灰摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度值都逐漸增大。但由于粉煤灰早期惰性較強(qiáng)導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)速率較慢，因此，粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度值就越低。如養(yǎng)護(hù)齡期為24 h時，50%粉煤灰摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度是40%粉煤灰摻量的70.6%，是30%粉煤灰摻量的56.6%，是20%粉煤灰摻量的53.6%。對比圖2負(fù)溫混凝土的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間，可以得出不同粉煤灰摻量條件下負(fù)溫混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度如圖3所示。

由圖3可以看出，20%～50%粉煤灰摻量的混凝土在-5～-20 ℃負(fù)溫條件所需的抗凍臨界強(qiáng)度的總體規(guī)律為：①粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土所需的抗凍臨界強(qiáng)度越低;②受凍溫度越低，粉煤灰混凝土所需的抗凍臨界強(qiáng)度應(yīng)越高。原因可能是：①粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土的孔隙率就越小，其越不容易受到外界溫度影響;②粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土在受凍后的后期強(qiáng)度增長越快，其修復(fù)凍害損傷的能力就越強(qiáng)，進(jìn)而可比普通混凝土擁有更低的抗凍臨界強(qiáng)度。

3 ?結(jié)論

本文對不同粉煤灰摻量條件下負(fù)溫混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度進(jìn)行研究得到了以下幾點成果：

（1）粉煤灰混凝土預(yù)養(yǎng)護(hù)時間相同時，如受凍溫度越低，粉煤灰混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度也越低，但當(dāng)溫度低于一定程度時，粉煤灰混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度就變化很小;當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時，隨著粉煤灰摻量的增大，粉煤灰混凝土受凍后的60 d抗壓強(qiáng)度逐漸變小。

（2）隨著粉煤灰摻量的增大，不同負(fù)溫條件下粉煤灰混凝土為保證最終強(qiáng)度應(yīng)經(jīng)歷的預(yù)養(yǎng)護(hù)時間要越長;

（3）20%～50%粉煤灰摻量的混凝土在-5～-20℃負(fù)溫條件所需的抗凍臨界強(qiáng)度的總體規(guī)律為：粉煤灰摻量越大，粉煤灰混凝土所需的抗凍臨界強(qiáng)度越低;受凍溫度越低，粉煤灰混凝土所需的抗凍臨界強(qiáng)度應(yīng)越高。

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