粉煤灰对高性能混凝土早期收缩的抑制及其机理研究

第27卷,第4期 中国铁道科学Vol127No14　

2006年7月 CHINARAILWAYSCIENCEJuly,2006　

文章编号:100124632(2006)0420027205

粉煤灰对高性能混凝土早期收缩的抑制及其机理研究安明喆1,朱金铨2,覃维祖2,马亚峰1(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044;2.清华大学土木水利学院,北京　100084) 摘　要:自收缩是引起低水胶比高性能混凝土早期开裂的主要原因。通过不同掺量粉煤灰混凝土自收缩的测定,研究粉煤灰对高性能混凝土自收缩的抑制作用。通过水化结合水和内部孔含量的测定以及微观结构形貌分析,研究粉煤灰抑制自收缩的作用机理。研究表明:粉煤灰通过改变胶凝材料体系水化速度、徐变系数、弹性模量,可以有效抑制早期混凝土的自收缩。粉煤灰掺量在0～20%范围内,混凝土自收缩随着粉煤灰掺量的增加而减少,但粉煤灰惨量超过20%后自收缩减少的幅度变小。粉煤灰抑制自收缩的作用在初凝至1d龄期内非常突出。

关键词:高性能混凝土;自收缩;粉煤灰;抑制;机理 中图分类号:U214118 文献标识码:A

　收稿日期:2005208229

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(10102002)　作者简介:安明喆(1970—),男,吉林蛟河人,副教授

低水胶比的高性能混凝土在我国的客运专线、城市轨道交通等基础设施建设中已开始大量推广使用,但是由于高性能混凝土的早期体积稳定性不良,引起的钢筋混凝土开裂问题已显得非常突出。钢筋混凝土的开裂不仅严重影响结构物的承载能力,同时削弱结构的耐久性能与安全性能。研究表明,在诸多体积稳定性的影响因素中,早期自收缩是主要原因。高性能混凝土的早期自收缩比普通混凝土大很多[1],低水胶比高性能混凝土在约束作用下密封养护时,自收缩作用下产生贯通裂缝[2],混凝土内部的自干燥及干燥裂缝会导致掺入硅粉的低水胶比混凝土后期强度出现倒缩[3]。本文通过实验探讨粉煤灰抑制低水胶比高性能混凝土自收缩的效果,并分析其抑制作用机理。1　原材料 水泥采用冀东4215PⅡ型硅酸盐水泥,其28d胶砂抗压和抗折强度分别为6418MPa和816MPa。粉煤灰采用内蒙古元宝山电厂一级粉煤灰,SiO2含量为56172%,Al2O3含量为21143%,烧失量为2148%,需水量为95%。外加剂采用山东莱芜产的粉状高效减水剂FDN2A,减水率为21%。砂子采用北京昌平龙凤山产的中砂,细度模数为311,颗粒级配良好,石子采用北京产的碎卵石,最大粒径25mm。

2　实验内容和方法 本文从宏观和微观两方面进行粉煤灰对高性能混凝土自收缩抑制作用的研究。宏观通过测定不同掺量粉煤灰混凝土的自收缩,研究粉煤灰对高性能混凝土自收缩的抑制作用;微观通过测定水化结合水和内部孔含量,观测结构微观形貌,分析粉煤灰抑制自收缩的作用机理。考虑到掺入粉煤灰可以有效降低混凝土水化热的研究已很多,本文未对温度收缩的减少作用进行研究。混凝土自收缩测定选用文献[4]的实验方法。试件尺寸定为100mm×100mm×324mm,收缩变形用千分表测定,混凝土内部温度用温度传感器测定,热胀系数取10×10-6℃-1,对测定结果进

行温度变形的修正。混凝土自收缩试验试件的配合比及编号见表1

所示。粉煤灰的掺入采用内掺法,替代水泥量分别表1　不同粉煤灰掺量混凝土的配合比编号水/(kg・

m

-3)水泥/(kg・m-3)砂子/(kg・m-3)石子/(kg・m-3)粉煤灰/(kg・m-3)水胶比FDN2A/(kg・m-3)

1#1605507051057001298125

2#16049569410415501298125

3#160440687103111001298125

4#160385684102616501298125

为0%,10%,20%,30%。外加剂掺量为胶凝材料用量的115%。 结合水量测定采用灼烧失重法,选用ZKG230真空干燥箱和高温炉。选取与1#,2#,4#同配合比的水泥净浆(去除骨料),在密封的玻璃瓶中养护。在龄期达1,3,7,14,28d时,将试样浸泡到丙酮中停止水化,并带丙酮研磨至400目,再用真空泵抽滤,测定化学结合水。内部孔含量测定采用压汞法,选用上海大隆机器厂生产的J5270型汞压力测孔仪。从3d龄期的混凝土中剪取3mm左右的水泥石颗粒,浸泡在丙酮中停止水化。测孔前放入真空干燥器内进行干燥,温度控制在70℃,真空度控制在760mmHg柱,干燥24h。试样干燥完毕后放入干燥器内保存,以备测试。微观结构形貌采用OPTON产CSM2950型扫描电子显微镜观测。从1,3,28d龄期的混凝土中剪取5mm左右的水泥浆颗粒,浸泡在丙酮中停止水化。观测前的干燥和保存同测孔试样。3　结果与分析311　粉煤灰对自收缩的影响图1为不同粉煤灰掺量混凝土的自收缩随龄期的变化曲线。由图1可见,不同粉煤灰掺量的混凝土自收缩发展规律是,3d前增长速度很快,3d后增长速度快速减慢,7d后极其缓慢。混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增加而降低,特别是对早期自收缩的降低作用非常显著。1#,2#,3#,4#混凝土试件1d的自收缩分别是218×10-6,142×10-6,76×10-6,39×10-6,2#,3#,4#混凝土试件的自收缩只是1#的65%,35%,18%。1d后1#与2#的自收缩的增长速率明显减少,但是3#和4#的增长仍较大,1d至3d龄期范围内自收缩增长幅度随粉煤灰掺量的提高而增大,粉煤灰对早期自收缩有一定的“滞后效应”。3d后不同粉煤灰掺量混凝土的自收缩增长速率均快速减慢,自收缩增长幅度基本相同。不同粉煤灰掺量的混凝土3d自收缩已达到28d的85%以上,7d后自收缩增长速率已很小,1#,2#,3#,4#混凝土试件7

d的自收缩量分别是257×10-6,212×10-6,145×10-6,137×10-6。

图1　不同粉煤灰掺量高性能混凝土自收缩随龄期变化曲线

图2是粉煤灰掺量与28d自收缩值的关系曲线,由图2可见,粉煤灰掺量在0～20%范围内,

随掺量的增加,自收缩值降低幅度增大,但是掺量超过20%后,粉煤灰抑制混凝土自收缩作用的提高幅度并不明显。可见,混凝土自收缩主要发生在早期,粉煤灰可以显著降低混凝土早期的自收缩。

图2　粉煤灰掺量与28d自收缩值关系曲线312　粉煤灰抑制自收缩机理分析31211　自收缩产生机理混凝土的自收缩是由水泥石内部自干燥作用所致。胶凝材料的水化过程生成水化收缩,混凝土初

82中　国　铁　道　科　学 第27卷凝后形成内部含有孔隙的结构。当无外界供应水或外界供应水的速度小于孔隙形成速度时,孔隙内部趋于不饱和,在毛细孔内产生弯月面。随着水化进程的深入,自由水的消耗与孔结构的细化,毛细孔内弯月面的临界半径r0降低,孔隙内部的负压ΔP=2γcosθr0增加。负压ΔP作用在水泥石壁上,使混凝土产生弹性变形与徐变,引起宏观变形,即自收缩。因此自收缩的发展规律与胶凝材料水化程度、孔结构分布、弹性模量及徐变系数等因素有关。31212　微观试验结果图3是不同粉煤灰掺量混凝土试件中胶凝材料水化结合水率的测定曲线。由图3可见,随着粉煤灰的掺入,1d前胶凝材料的结合水率降低,其降低幅度随粉煤灰掺量的增加而增大。7d后高粉煤灰掺量混凝土的胶凝材料的结合水率高于低掺量或不掺混凝土。说明随着粉煤灰的掺入,1d前胶凝材料的水化速度降低,其降低幅度随粉煤灰掺量的增加而增大。7d后的水化速度随粉煤灰掺量的增加有所增加。

图3　粉煤灰掺量对混凝土结合水率影响曲线 图4和图5分别为扫描电镜观察到的3

#,4#

混凝土试件早期的内部形貌。由图4和图5可见,

1d,3d龄期时,粉煤灰颗粒表面光滑,说明此时胶凝材料中的粉煤灰基本没有参加水化反应,因此相同水胶比条件下粉煤灰等掺量替代硅酸盐水泥时,

图4　3#的早期水泥石内部形貌图5　4#的水泥石早期内部形貌

92第4期 粉煤灰对高性能混凝土早期收缩的抑制及其机理研究相当于减少了体系参加水化反应的胶凝材料量。 图6为4#混凝土试件28d水泥石内部形貌。由图6可见,粉煤灰逐步参加水化反应,光滑的表面已变得粗糙,水化产物C2S2H覆盖在粉煤灰颗粒表面,而AFm,C4AH13等水化产物则向粉煤灰颗粒周围扩散,与早期水泥水化形成的水化产物连为一体。图6　4#的28d内部形貌 图7是用汞压力测孔法测得的1#,2#,3#混凝土试件3d龄期时孔隙累计分布曲线。由图7可见,孔径大于50!的孔隙含量随粉煤灰掺量的增大而增加,特别是200!以上的孔隙含量,掺入粉煤灰后显著提高。图7　不同粉煤灰掺量水泥石3d的孔隙分布曲线31213　粉煤灰抑制自收缩机理分析在初凝至1d龄期范围内,混凝土尚处在从塑性态向硬化态转变的过渡期,水泥石的弹性模量很低,徐变系数很高,自收缩的大小取决于毛细管负压,因此随着粉煤灰掺量的增加,混凝土内部水化产物减少,临界半径增大,毛细管负压降低,产生的自收缩量减少。另外,掺入粉煤灰后混凝土的初凝时间延长,因此初凝至1d龄期内所产生自收缩的有效时间缩短,这也是1d的自收缩随粉煤灰掺量的增加而降低的原因之一。1d后水泥的水化速度主要取决于自由水剩余量与水化产物在水泥颗粒表面堆积和搭结程度。粉煤灰替代部分水泥后,减少了参加水化反应的水泥量,水泥颗粒表面水化产物的堆积和搭结程度减弱,剩余自由水含量提高,有利于未水化水泥的水化。因此1#水化速度减少幅度最大,其次是3

#

,

4#最低。这使1d至3d龄期内不同粉煤灰掺量的

混凝土水化速度趋于相同。这说明掺入粉煤灰后,

即使1d后水化速度与不掺粉煤灰混凝土相同,由于1d前的水化产物的减少,使水泥石硬化体结构相对变的疏松,开口毛细孔的粗孔相对含量增加,

同时阈值孔径也增大,由此可以推断掺入粉煤灰后,早期内部结构变的疏松,弹性模量降低,徐变系数增大,并且粉煤灰掺量愈高,弹性模量愈低,

徐变系数愈大。因此1d至3d龄期范围掺入粉煤灰的混凝土自收缩对毛细孔负压的变化非常敏感,

在相同水化速度下自收缩增长幅度随粉煤灰掺量的增加而有所增大。3d后不同粉煤灰掺量的混凝土的水化速度基本相同。随着水泥水化的深入与粉煤灰的填充效应,使得掺入粉煤灰的混凝土内部结构密实度得到显著改善,弹性模量大幅度提高,徐变系数大幅度下降。因此3d至7d龄期范围内,即使不同粉煤灰掺量的混凝土的水化速度基本相同,其自收缩增长速度变得无明显差异。7d后粉煤灰颗粒参与水化,使体系的水化速度随粉煤灰掺量的增加而提高,混凝土内部的自干燥速度也随粉煤灰掺量的增加而增大。但粉煤灰水化过程固相体积增大,挤压周围的水泥水化产物,

使原来比较疏松的蠕虫状C2S2H发生蠕变,提高水泥石硬化体结构的密实度[5],降低毛细孔含量,