早齡期加載對(duì)粉煤灰混凝土變形及強(qiáng)度的影響

葉建雄,陳勇,嚴(yán)小康

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶維實(shí)公路工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 400060)

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早齡期加載對(duì)粉煤灰混凝土變形及強(qiáng)度的影響

葉建雄1,陳勇1,嚴(yán)小康2

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶維實(shí)公路工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 400060)

研究了粉煤灰摻量、加載齡期和加載應(yīng)力對(duì)粉煤灰混凝土早期變形及加載后強(qiáng)度變化的影響。研究結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量增加，混凝土的變形量逐漸降低，當(dāng)摻量為30%時(shí)，變形量減少了33.6%；隨著加載齡期提前或加載應(yīng)力增大，粉煤灰混凝土的早期變形量增大，其中，加載應(yīng)力的影響尤其明顯，60%加載應(yīng)力(60%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下7 d軸心抗壓強(qiáng)度)比20%加載應(yīng)力下混凝土最終變形量增加了277.2%；混凝土初始加載時(shí)間提前或加載應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致加載后粉煤灰混凝土強(qiáng)度下降，加載應(yīng)力比加載齡期對(duì)加載后粉煤灰混凝土強(qiáng)度的影響更明顯。

粉煤灰；早齡期；荷載作用；變形；強(qiáng)度

混凝土在建筑行業(yè)中占有至關(guān)重要的作用，但其基本原材料水泥的生產(chǎn)會(huì)對(duì)大氣造成污染。礦物摻合料替代部分水泥生產(chǎn)混凝土可以減少碳排放，有效緩解環(huán)境污染，對(duì)混凝土的可持續(xù)發(fā)展起到強(qiáng)烈推動(dòng)作用[1]。粉煤灰作為常用的礦物摻合料，具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于混凝土。研究表明粉煤灰對(duì)混凝土的工作性、孔結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)期力學(xué)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(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形、剛度、預(yù)應(yīng)力損失等，因而變形性能也是粉煤灰混凝土應(yīng)用于上述結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yǎng)護(hù)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(dǎo)產(chǎn)生高密度C-S-H凝膠[11]。針對(duì)中國(guó)現(xiàn)行道路交通(公路、鐵路、橋梁等)規(guī)范中混凝土名義徐變系數(shù)未考慮粉煤灰的影響，研究學(xué)者通過試驗(yàn)對(duì)徐變系數(shù)提出了修正建議，經(jīng)修正后的規(guī)范徐變系數(shù)計(jì)算模型可提高粉煤灰混凝土徐變的預(yù)測(cè)精度[12-14]。另外,據(jù)調(diào)查，為了縮短工期，施工單位往往會(huì)讓粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)在早齡期就承受大量施工荷載[15-16]，加載后對(duì)混凝土性能損害的方式和程度也未進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)研究，因此，有必要對(duì)粉煤灰混凝土早齡期荷載下的變形和加載后的強(qiáng)度進(jìn)行研究。對(duì)未摻粉煤灰混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)增大了67.2%[17]，另有研究發(fā)現(xiàn)在良好養(yǎng)護(hù)的前提下混凝土的自愈作用使得早齡期加載對(duì)28 d強(qiáng)度影響并不大[18]。也有文獻(xiàn)表明,加載應(yīng)力從30%增加到50%時(shí)，徐變度呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，但這對(duì)粉煤灰的早期徐變是否適用還有待確定[19]。另有試驗(yàn)采用水化程度模型來預(yù)測(cè)粉煤灰混凝土的早齡期基礎(chǔ)變形，但仍需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步修正[20]。

從已有研究可以看出，關(guān)于早齡期加載對(duì)粉煤灰混凝土變形性能的影響研究還很缺乏，對(duì)加載后強(qiáng)度的影響更是鮮有提及。明確早齡期加載對(duì)粉煤灰混凝土變形性能以及受載后力學(xué)性能的影響程度，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全施工、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂和施工技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文中主要研究了粉煤灰摻量、加載齡期、加載應(yīng)力對(duì)早齡期受載混凝土變形量及加載至14 d齡期時(shí)強(qiáng)度變化的影響規(guī)律。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

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

表1 水泥的化學(xué)成分Table. 1 Chemical composition of cement %

表2 水泥的物理性能Table. 2 Physical property of cement

1.1.2 粉煤灰 采用重慶市珞璜電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)要求如表3所示。

表3 粉煤灰的技術(shù)要求Table. 3 Technical requirements of fly ash %

1.1.3 細(xì)集料 機(jī)制砂與特細(xì)砂按照7∶3質(zhì)量比復(fù)合使用，其技術(shù)指標(biāo)為

機(jī)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(xì)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(yàn)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(yàn)在配制C30普通混凝土的基礎(chǔ)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。

表4 試驗(yàn)用混凝土配合比Table. 4 Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn) 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)定按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 混凝土早齡期加載試驗(yàn) 按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行，棱柱體試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試驗(yàn)裝置如圖1，加載制度如表5。

在進(jìn)行加載齡期和加載應(yīng)力對(duì)早齡期受載混凝土變形及強(qiáng)度影響試驗(yàn)時(shí)選擇粉煤灰摻量為10%的混凝土。

圖1 混凝土早齡期加載設(shè)備Fig. 1 Loading equipment for concrete at early

試驗(yàn)編號(hào)FA-0%FA-10%FA-20%FA-30%LA-3dLA-5dLA-7dRE-3dST-20%ST-40%ST-60%ST-0%試驗(yàn)變量粉煤灰摻量加載齡期加載應(yīng)力拆模時(shí)間1d拆模加載齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)5d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后處于加載環(huán)境但未加載標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d加載環(huán)境溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度為(60±5)%RH的恒溫恒濕環(huán)境加載應(yīng)力以40%的7d軸壓強(qiáng)度加載以40%的相應(yīng)齡期軸壓強(qiáng)度加載以20%的7d軸壓強(qiáng)度加載以40%的7d軸壓強(qiáng)度加載以60%的7d軸壓強(qiáng)度加載處于加載環(huán)境但未加載加載時(shí)間加載至混凝土14d齡期后卸荷并在1～2h內(nèi)測(cè)試混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度

2 結(jié)果與討論

2.1 早齡期加載對(duì)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(fā)展曲線。從圖中可以看出，受載混凝土在1～24 h內(nèi)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(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，24～120 h之間的變形量和最終變形量分別比基準(zhǔn)組減少了60.6%和33.5%?？梢姺勖夯业募尤肽軌蛴行б种圃琮g期受載混凝土的變形，這與過去研究學(xué)者關(guān)于粉煤灰對(duì)28 d后受載混凝土的變形(徐變)的影響規(guī)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(yīng)能更好發(fā)揮，從而限制了基體變形。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)早齡期受載混凝土變形的影響Fig. 2 Effect of fly ash on the deformation of concrete under load at early

圖3是加載齡期對(duì)摻粉煤灰早齡期受載混凝土變形的影響試驗(yàn)結(jié)果。從中可以看出加載混凝土的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)混凝土最終變形量比3 d齡期加載時(shí)混凝土變形量低23.8%，7 d齡期開始加載時(shí)混凝土最終變形量比5 d齡期開始加載時(shí)混凝土最終變形量低18.1%?？梢娂虞d齡期越晚，粉煤灰二次水化越充分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，有利于降低荷載下的變形，增加混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shí)了這一點(diǎn)[16,21]。

圖3 加載齡期對(duì)早齡期受載混凝土變形的影響Fig. 3 Effect of load age on the deformation of concrete under load at early

圖4是不同加載應(yīng)力下?lián)椒勖夯一炷猎诤奢d下的變形量隨齡期發(fā)展的試驗(yàn)結(jié)果。未施加荷載時(shí)，粉煤灰混凝土的變形量最低，變形增長(zhǎng)速率也最慢。變形量在0～72 h期間顯著增長(zhǎng)，72 h后各應(yīng)力水平下變形量的增長(zhǎng)幅度相當(dāng)。加載應(yīng)力低于40%～40%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的7d軸壓強(qiáng)度)時(shí)，變形量與加載應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)加載應(yīng)力超過40%時(shí)，比徐變(單位應(yīng)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(xiàn)更多微裂紋導(dǎo)致水分遷移，誘發(fā)粉煤灰混凝土內(nèi)部自干燥效應(yīng)，從而促進(jìn)變形，且應(yīng)力水平越高，影響越明顯[22-23]。

圖4 加載應(yīng)力對(duì)早齡期受載粉煤灰混凝土變形的影響Fig. 4 Effect of stress on the deformation of FA concrete under load at early

2.2 早齡期加載對(duì)粉煤灰混凝土強(qiáng)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(yīng)力對(duì)早齡期加載以后混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5表明加載后混凝土的軸壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加而降低。對(duì)比圖5和表4可以發(fā)現(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)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?？梢姺勖夯铱梢匝a(bǔ)償混凝土軸心抗壓強(qiáng)度損失程度。原因一方面歸結(jié)于粉煤灰在后期發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，另一方面歸結(jié)為在一定荷載作用下微裂縫的產(chǎn)生使更多未水化水泥以及粉煤灰暴露[23]，從而促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成，補(bǔ)償了強(qiáng)度損失。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)早齡期加載后 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 5 Effect of fly ash on axial compressive strength of concrete after loading at early

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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度略低于7d開始加載的粉煤灰混凝土的軸壓強(qiáng)度。超早齡期(3 d)加載使得水化程度很低的漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多的微裂紋，在持續(xù)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生一些不可逆微裂紋可能是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因。

圖6 加載齡期對(duì)早齡期加載后 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 6 Effect of load age on axial compressive strength of concrete after loading at early

圖7表明,加載應(yīng)力越大，粉煤灰混凝土受載后的軸壓強(qiáng)度越低。與未加載的混凝土相比，20%應(yīng)力水平與60%應(yīng)力水平下的粉煤灰混凝土在加載后的軸壓強(qiáng)度分別降低了4.3%和20.8%；20%應(yīng)力水平與40%應(yīng)力水平對(duì)加載后粉煤灰混凝土的軸壓強(qiáng)度的影響差別不大。60%應(yīng)力水平下粉煤灰混凝土加載后的軸壓強(qiáng)度大大降低的原因可以認(rèn)為是這一應(yīng)力水平下混凝土內(nèi)部的微裂紋開始出現(xiàn)自我增殖的現(xiàn)象，因此微裂紋的數(shù)量也呈現(xiàn)非線性的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，強(qiáng)度隨之降低[22]。

圖7 加載應(yīng)力對(duì)早齡期加載后 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of stress on axial compressive strength of concrete after loading at early

3 結(jié) 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(yīng)力低于40%時(shí)，變形量與加載應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)加載應(yīng)力超過40%時(shí)，變形量與加載應(yīng)力不成比例，比徐變(單位應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度降低了10.7%。

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

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(編輯 胡玲)

International Science and Technology Cooperation Project (No. 2009DFR50450)

Influence of load on deformation and strength of fly ash concrete at early age

Ye Jianxiong1,Chen Yong1,Yan Xiaokang2

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R. China;2. Chongqing Weishi Highway Engineering Quality Inspection Co. Ltd, Chongqing 400060, P.R. China)

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.

Fly ash;early age;load;deformation;strength

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.015

2016-05-31

國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2009DFR50450)

葉建雄(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事建筑材料研究，(E-mail)yjxiong1974@163.com。

TU528. 1

A

1674-4764(2016)05-0115-07

Received:2016-05-31

Author brief：Ye Jianxiong (1974- ), senior engineer, main research interest: building materials, (E-mail)yjxiong1974@163.com.