粉煤灰與膨脹劑對大體積混凝土變形作用機理研究

陳 鵬，趙明哲，唐 雷，張進飛，陳鵬輝

(1.中交第三公路工程局有限公司 北京市 101300; 2.銅陵市交通運輸局 銅陵市 244000)

眾所周知，水工混凝土大多為大體積混凝土，為了減少大體積混凝土的收縮開裂，施工部門通常會摻適量的膨脹劑來補償混凝土的收縮，由于擔心膨脹劑的不均勻膨脹和控制不到位而引起的開裂風險，膨脹劑在大體積混凝土中推廣應用受到了一定約束[1-3]；使用粉煤灰代替部分水泥，可減少大體積混凝土絕熱溫升、降低其溫度收縮應力，減少其收縮開裂[4]。作者在研究不同大體積混凝土的溫降開裂過程中發現粉煤灰不僅對降低大體積混凝土收縮變形有抑制作用，對摻膨脹劑大體積混凝土膨脹變形也具有一定抑制作用，可有效抑制膨脹劑在混凝土中過分膨脹[5]，研究粉煤灰對大體積混凝土的收縮變形和摻膨脹劑后混凝土的膨脹變形具有一定理論與現實意義。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

本試驗采用42.5中熱硅酸鹽水泥， I級粉煤灰，氧化鎂膨脹劑來源于國內，經特殊加工制作而成產品，以上三種原料的化學成分見表1。

表1 原材料的化學成分 %

試驗所用石子采用二種級配，即大石(10～20mm)、小石(5～10mm)，比例約為6∶4；河砂細度模數為2.44，聚羧酸高效減水劑來源于南京某公司。

1.2 試驗方法與配合比

大體積混凝土膨脹試驗采用75mm×75mm×280mm試樣，試驗方法參照《水工混凝土試驗規程》[5](SL/T 352—2020)進行，試樣膨脹率：L(%)=(L1-L0) × 100%/L0。

收縮變形試驗采用Φ150mm×400mm×4 mm的鍍鋅鋼管做成圓柱形狀的桶，然后澆注混凝土，混凝土內埋應變計，用密封材料密封試件的頂部和應變計電纜引線出口，最后將桶蓋與其側壁焊接，在恒溫中測量混凝土應變，試驗裝置見圖1，配合比見表2。

表2 大體積混凝土的配合比 kg/m3

圖1 大體積混凝土變形試驗裝置

2 試驗結果與討論

2.1 粉煤灰對大體積混凝土收縮變形的影響

在相同的養護制度下，粉煤灰對大體積混凝土收縮影響如圖2所示。

圖2 粉煤灰對大體積混凝土收縮的影響

由圖2可見：當摻加50%粉煤灰時，大體積混凝土收縮明顯少于未摻加粉煤灰的，而摻加粉煤灰后的大體積混凝土的收縮在60d之前明顯下降，這對于控制大體積混凝土的表面開裂非常關鍵。養護150d后，摻50%粉煤灰的大體積混凝土的收縮比沒有摻加的減少約30%，摻加粉煤灰與否的大體積混凝土收縮與養護時間有一定的關系：

y0=-7.1853ln(x0)+6.3562

(1)

式中：y0為大體積混凝土收縮(×10-6)；x0為養護時間(d)。

摻加50%粉煤灰大體積混凝土收縮與養護時間的關系：

y50=-6.3257ln(x50)+9.7312

(2)

式中：y50為大體積混凝土的收縮應變(×10-6)；x50為養護齡期(d)。

2.2 粉煤灰對摻膨脹劑大體積混凝土膨脹的影響

在相同的養護制度下，粉煤灰對摻8%膨脹劑的大體積混凝土膨脹影響見圖3所示。

圖3 粉煤灰對摻8%膨脹劑的大體積混凝土收縮與膨脹的影響

由圖3可見：當30%和50%的水泥被粉煤灰代替后，大體積混凝土在早期的收縮變形降低了，可有效地減少大體積混凝土的收縮開裂；后期大體積混凝土的膨脹被減弱，降低了大體積混凝土由于MgO膨脹劑過度膨脹而產生的膨脹開裂破壞，在養護180d時，混凝土的膨脹變形分別降低約25%和40%。試驗結果表明粉煤灰能降低大體積混凝土變形，摻加50%的粉煤灰比加30%粉煤灰在給定的環境條件下可更有效地降低大體積混凝土變形。

2.3 粉煤灰抑制混凝土變形作用機理分析

將5%膨脹劑與膠凝材料(含50%與不含粉煤灰)混合，養護28d后在180℃和2MPa壓蒸4h，對試樣的水化產物進行微觀結構觀察，結果如圖4和圖5。

圖4 含50%粉煤灰漿體壓蒸SEM觀察

圖5 不含粉煤灰漿體壓蒸SEM觀察

通過SEM觀察后發現：膨脹劑水化產物的形貌與膠凝材料的性質有一定的關系。由圖4可見，在含有50%粉煤灰的混凝土中，水鎂石的形狀為針狀晶體，而不是六方板狀，長度比較長，約0.5m，但直徑比較小，長徑比較大，很少成聚集態，這種針狀的水鎂石晶體具有獨特的晶體形狀、較小的比表面積和微觀內應變，見表3[6-7]。

表3 水鎂石晶體的微觀內應變

從圖5可以發現，不摻粉煤灰膨脹劑的水化產物形狀為六方板狀晶體，由于這種晶體具有較大的比表面積和微觀內應變，產生較大的膨脹應力，混凝土的變形就比較大，當膨脹應力大于其抗拉應力時，混凝土就斷裂破壞；由于這種晶體在水泥的水化產物中成聚集態生長，引起孔隙膨脹，改變了原有的微觀結構，水化產物之間結合不緊密，出現大的孔隙，使混凝土膨脹量變大、強度下降，圖7是其水化產物主要元素含量的能譜。

圖6 含50%粉煤灰水化產物能譜圖

圖7 不含粉煤灰水化產物能譜圖

圖7中能譜圖的鎂元素含量高于圖6，可以初步了解在該處水鎂石聚集程度明顯高于摻加粉煤灰后的漿體，膨脹破壞趨勢也就加大，說明了摻粉煤灰可抑制膨脹劑的聚集膨脹，也說明摻加粉煤灰后，膨脹劑水化產物的形貌和聚集狀態是決定混凝土變形減少的關鍵因素。另外，從圖7中還可見在高鈣、硅情況下，膨脹劑水化產物變形較大，而此時Ca/Si<1；摻粉煤灰后，鈣和硅含量下降，Ca/Si>1，膨脹劑水化產生的變形減少。

3 結論

(1)摻粉煤灰可有效抑制大體積混凝土的收縮變形，減緩早期收縮程度，養護150d，混凝土收縮減少了約30%，變形大小與養護齡期有一定的關系。

(2)粉煤灰還可有效抑制大體積混凝土的膨脹變形，在摻8%膨脹劑的大體積混凝土中摻50%粉煤灰，養護180d，摻膨脹劑的大體積混凝土膨脹約降低了40%，可有效抑制混凝土后期膨脹產生的變形。

(3)膨脹劑的水化產物與膠凝材料的性質有一定的關系，在含有50%粉煤灰混凝土中，膨脹劑中水化產物的形狀為針狀晶體，長徑比較大，很少成聚集態，比表面積和微觀內應變較小，提高了大體積混凝土的抗變形能力。