粉煤灰混凝土早期強度的現(xiàn)場調(diào)查與試驗研究

胡曉鵬，牛荻濤，張永利

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055)

粉煤灰系固體廢棄物，對其加以利用可促進資源的再生和環(huán)境保護，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。粉煤灰作為摻和料在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用日益廣泛，隨著粉煤灰的摻入，混凝土的力學(xué)性能和耐久性將發(fā)生變化，其早期強度增長與普通混凝土有著較大的差異。文獻［1-7］研究了粉煤灰混凝土在施工期內(nèi)的抗壓強度變化規(guī)律，結(jié)果表明，早期粉煤灰混凝土的抗壓強度增長速度緩于普通混凝土，且其增長速度隨粉煤灰摻量的增大而減慢。目前對粉煤灰混凝土的研究均局限在混凝土齡期90 d內(nèi)，且僅是以標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進行研究。實際工程中常結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度和同條件養(yǎng)護試塊強度來推測實際結(jié)構(gòu)的混凝土抗壓強度，尤其是采用同條件養(yǎng)護試塊強度作為拆除模板的主要評判依據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度、同條件養(yǎng)護試塊強度與實際構(gòu)件強度存在一定的差異，用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護立方體試塊強度作為施工現(xiàn)場混凝土強度控制標(biāo)準(zhǔn)是欠妥當(dāng)?shù)?。對粉煤灰混凝土進行更長齡期的抗壓強度研究，完整掌握粉煤灰混凝土抗壓強度隨齡期的時變規(guī)律及其影響因素，對于研究粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工期承載性能和提高粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。

筆者采取實驗室試驗和工程現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法，對粉煤灰混凝土的早期強度時變規(guī)律及其影響因素進行研究及對比分析，研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下粉煤灰混凝土抗壓強度的時變規(guī)律，并分析養(yǎng)護時間對其時變規(guī)律的影響，對比分析混凝土齡期為28 d時標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度、同條件養(yǎng)護試塊強度和實際結(jié)構(gòu)強度三者的差異，研究不同構(gòu)件類型的實際結(jié)構(gòu)強度增長的差異。

1 混凝土早期強度試驗研究

1.1 原材料

水泥:陜西秦嶺42.5 R級普通硅酸鹽水泥，品質(zhì)符合GB175—2007標(biāo)準(zhǔn)。

粉煤灰:陜西渭河電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其細度模數(shù)、燒失量、需水量分別為0.18，5%，95%。

細骨料:灞河中砂，細度模數(shù)為2.9，堆積密度為1450 kg/m3。

粗骨料:粒徑為5～16 mm的碎石，壓碎指標(biāo)為12%，堆積密度為1400～1700 kg/m3。

高效減水劑:RD-N型高效減水劑，減水效果在20%左右，1 h內(nèi)無坍落度損失，摻入量為膠凝材料質(zhì)量的1%。

1.2 配合比

粉煤灰摻量(粉煤灰占膠凝材料質(zhì)量比，超量代摻系數(shù)為1.1)分別為0，10%，20%和30%的混凝土配合比見表1。

表1 粉煤灰混凝土的配合比Table 1 Mix ratio of fly ash concrete

1.3 試件成型與養(yǎng)護

采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，粉煤灰混凝土采用強制式攪拌機攪拌2 min后振動成型，試件24 h后脫模。各種編號的試件分成2批，第1批放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d后放置于室內(nèi)自然環(huán)境，在齡期為7 d，14 d，28 d，60 d，90 d和180 d分別進行抗壓強度試驗，以研究粉煤灰混凝土強度的時變規(guī)律;第2批放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室分別養(yǎng)護3d，5d，7d，9 d，12d，14d和28d后放置于室內(nèi)自然環(huán)境，并分別在齡期為7d，28d和90 d進行試驗，以分析養(yǎng)護時間對粉煤灰混凝土抗壓強度時變規(guī)律的影響。

1.4 試驗結(jié)果

1.4.1 粉煤灰混凝土抗壓強度的時變規(guī)律

圖1給出了同一設(shè)計強度等級(C30)下不同粉煤灰摻量(0，10%，20%和30%)粉煤灰混凝土的抗壓強度fcu(t)隨混凝土齡期t的增長情況?？梢钥闯?60 d內(nèi)粉煤灰混凝土的抗壓強度增長速度慢于普通混凝土，且其增長速度隨粉煤灰摻量的增大而減慢;60 d后粉煤灰混凝土的抗壓強度增長速度快于普通混凝土，且其增長程度隨粉煤灰摻量的增加而增大。齡期180 d時普通混凝土的抗壓強度比齡期28 d的混凝土抗壓強度fcu，28增長僅30%左右，而粉煤灰摻量為30%的混凝土其抗壓強度增長近60%。

圖2表示同一粉煤灰摻量(20%)、不同設(shè)計強度等級(C30，C40和C50)下粉煤灰混凝土的抗壓強度增長情況。可以看出:不同設(shè)計強度等級粉煤灰混凝土的后期強度比接近;齡期為90 d，180 d和300 d的強度約為28 d強度的1.24倍、1.35倍和1.48倍。

圖1 粉煤灰摻量對抗壓強度時變規(guī)律的影響Fig.1 Influence of fly ash content on time-varying rule of compressive strength

根據(jù)圖1和圖2散點圖趨勢，參考文獻［8-9］，選取2條曲線擬合粉煤灰混凝土抗壓強度fcu(t)的增長規(guī)律，表達式如下:

式中:C，W，f——水泥、水和粉煤灰用量，kg;t——粉煤灰混凝土的齡期，d;A，B，D，E，G，H——待定參數(shù)。

經(jīng)非線性最小平方擬合［10］，得到2條擬合曲線的參數(shù)(表2)。由于備選擬合曲線(1)的相關(guān)系數(shù)R大于備選擬合曲線(2)，因而選定曲線(1)來描述粉煤灰混凝土抗壓強度的時變規(guī)律，代入相關(guān)參數(shù)得曲線方程為

圖2 不同設(shè)計強度等級的粉煤灰混凝土抗壓強度的時變規(guī)律Fig.2 Time-varying rule of compressive strength of different concrete design strength

表2 粉煤灰混凝土強度增長參數(shù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of strength increase of fly ash concrete

1.4.2 養(yǎng)護時間對粉煤灰混凝土抗壓強度增長規(guī)律的影響

粉煤灰混凝土的早期性能變化很大，養(yǎng)護條件是其中的一個重要因素［11］，然而由于養(yǎng)護時間的延長會造成后續(xù)施工的不便，加之豎向構(gòu)件側(cè)面和水平構(gòu)件底面等結(jié)構(gòu)表面養(yǎng)護的困難，實際工程中構(gòu)件的養(yǎng)護時間難以保證。在設(shè)定齡期對不同養(yǎng)護條件下的粉煤灰混凝土試件進行抗壓強度試驗，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護時間對粉煤灰混凝土抗壓強度增長規(guī)律的影響Fig.3 Influence of curing time on increase of compressive strength of fly ash concrete

從圖3可以看出，隨著養(yǎng)護時間的延長，粉煤灰混凝土的后期抗壓強度增長更為明顯，且設(shè)計強度越高，延長養(yǎng)護時間對后期抗壓強度增長的效果越明顯。因此，對于粉煤灰混凝土，尤其是高強度粉煤灰混凝土，應(yīng)適當(dāng)延長養(yǎng)護時間以充分保證混凝土強度的后期增長。

2 混凝土早期強度現(xiàn)場調(diào)查

目前關(guān)于粉煤灰混凝土抗壓強度時變規(guī)律的研究大多基于90 d內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊強度的試驗結(jié)果，而實驗室養(yǎng)護條件與實際情況存在一定的差異，用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度來建立實際結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度時變規(guī)律顯然是不準(zhǔn)確的。

2.1 調(diào)查概況

選取咸陽市某框剪結(jié)構(gòu)及西安市某框架結(jié)構(gòu)為調(diào)查對象，2個結(jié)構(gòu)均采用泵送商品混凝土，混凝土設(shè)計強度等級分別為C30和C35，粉煤灰摻量均為15%。

a.工程1:咸陽市某框剪結(jié)構(gòu)。隨施工進展，預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊1組和同條件養(yǎng)護試塊10組(澆筑時間為9月份，澆筑時日平均溫度為15℃)，每組6個試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊養(yǎng)護28 d后測試其強度，同條件養(yǎng)護試塊在齡期3d，7d，14d，28d，45d，60 d，100 d，240 d 和360d 分別進行強度測試。同時，在齡期為7d，14d，28d，60 d，275 d和382 d時鉆取芯樣測試實際構(gòu)件混凝土強度［12］，測試構(gòu)件涉及梁、柱、墻和板4類。

b.工程2:西安市某框架結(jié)構(gòu)。預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊1組和同條件養(yǎng)護試塊1組(澆筑時間為4月份，澆筑時日平均溫度為15℃)，每組6個試塊，養(yǎng)護28 d后分別測試其混凝土強度。同時，在齡期為3 d，7 d，9 d，14 d，22 d，28 d，45 d和60 d時鉆取芯樣測試現(xiàn)澆混凝土板的強度。

2.2 調(diào)查結(jié)果與分析

圖4(a)給出了工程1同條件養(yǎng)護試塊強度和實際構(gòu)件混凝土強度增長情況，圖4(b)給出了工程2實際構(gòu)件強度增長情況。從圖4結(jié)果可以看出，與同條件養(yǎng)護試塊相比，實際構(gòu)件混凝土強度增長速度較慢，90 d后同條件試塊強度已經(jīng)接近最大值，而實際構(gòu)件混凝土強度僅達到最大值的85%左右。由此可見，采用同條件養(yǎng)護試塊強度作為拆除模板的主要評判依據(jù)是偏于不安全的。

圖4 同條件養(yǎng)護試塊強度與實際構(gòu)件強度增長對比Fig.4 Comparison of strength increase of test specimen in same condition and actual structure

圖5給出了工程1的梁、柱、墻和板4類構(gòu)件的強度增長情況?？梢钥闯?梁和柱的后期增長較大，28 d的強度僅為最大強度值的75%左右;墻和板的后期增長較小，28d強度已達到最大強度值的90%以上。

表3給出了2個工程齡期28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊、同條件養(yǎng)護試塊和實際構(gòu)件混凝土強度三者之間的對比結(jié)果?？梢钥闯觯瑮l件養(yǎng)護試塊強度最高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度次之，實際構(gòu)件強度最低(僅為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度的85%左右)。目前實際工程中常結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊強度和同條件養(yǎng)護試塊強度來推測實際結(jié)構(gòu)的混凝土強度，尤其是采用同條件養(yǎng)護試塊強度作為拆除模板的主要評判依據(jù)，可見是偏于不安全的。

圖5 不同實際構(gòu)件強度增長對比Fig.5 Comparison of strength increase of different actual structures

3 結(jié) 語

本文采取實驗室試驗和工程現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法，對粉煤灰混凝土的早期強度增長規(guī)律及其影響因素進行研究及對比分析，建立了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下粉煤灰混凝土強度的時變模型，并分析養(yǎng)護時間對其時變規(guī)律的影響。所得結(jié)論如下:

a.粉煤灰混凝土后期強度隨粉煤灰摻量的增加而增大;不同設(shè)計強度的粉煤灰混凝土后期強度比接近。

b.隨著養(yǎng)護時間的延長，粉煤混凝土的后期強度增大更明顯;而設(shè)計強度越高后期增長的效果越明顯。

c.與同條件養(yǎng)護試塊強度相比，實際混凝土構(gòu)件的強度增長速度較慢;齡期同為28 d的粉煤灰混凝土，同條件養(yǎng)護試塊的強度最高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試塊的強度次之，實際構(gòu)件的強度最低。

表3 齡期為28 d的3種混凝土試塊強度對比Table 3 Comparison of three kinds of strength for 28-day concrete

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