低溫條件下礦物摻合料對混凝土強度發(fā)展及抗凍臨界強度的影響
2006-07-13 00:00
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關鍵詞：復合外加劑；礦物摻合料；抗凍臨界強度；低溫；強度
粉煤灰和硅灰同屬具有活性的混凝土礦物摻合料，摻入混凝土中可以取代部分水泥，并以細顆粒充當細骨料或細骨料的填料，改善新拌混凝土流動性，增強黏聚性，減少泌水和骨料分離，從而增強混凝土的密實性，改善內部結構，提高強度，由于其后期的二次水化反應，能顯著提高后期
強度及增加抗腐蝕能力等耐久性。
粉煤灰和硅灰在常溫混凝土中已得到廣泛研究和應用，其力學性能及耐久性的研究較為系統(tǒng)、深入，而對低溫條件下混凝土中的研究和應用則很少，主要原因是考慮其早期水化慢，強度低，不能抵抗早期受凍，不主張在低溫條件下的混凝土中使用這些礦物摻合料，這大大限制了粉煤灰和硅灰在低溫條件下混凝土中的推廣和應用。 筆者通過調整粉煤灰和硅灰的摻量和摻加方式，并復摻復合外加劑，以自然變負溫和恒負溫為養(yǎng)護條件，測試摻加粉煤灰和硅灰的混凝土在低溫條件下強度發(fā)展情況，及其對抗凍臨界強度的影響，確定在保證混凝土早期不產生凍害，強度能夠持續(xù)發(fā)展時的合理摻量。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗原材料 （1） 水泥：采用沈陽冀東水泥有限公司生產的盾石牌水泥42.5R。
（2） 水：采用普通自來水。 （3） 集料：粗集料采用石灰?guī)r碎石5～20 mm ，最大粒徑為20 mm。 連續(xù)顆粒級配，壓碎指標為2.10 % ，含泥量低于0.1 %。 表觀密度約為2 800kg/m3 。 細集料選用河砂， 屬中砂， 細度模數為2.8 ，級配良好，屬Ⅱ區(qū)。 堅固性為4.10 % ，含泥量低于2.1 %。
（4） 礦物摻合料：粉煤灰：選用遼陽I 級粉煤灰，密度2.40 g/cm3 ，需水量比92 % ，45μm 方孔篩篩余9. 5 %。
硅灰：硅灰由青海華電鐵合金股份有限公司生產，灰白色粉末，粒徑為1μm 以下，平均粒徑為0.1μm 左右。
（5） 低溫早強劑：選用以早強、減水和引氣為主要組分的復合外加劑。
1.2 試驗方法
調整取代水泥的粉煤灰和硅灰的摻量配制不同組分的混凝土，采用恒低溫和自然變低溫為養(yǎng)護條件，測試各種混凝土的強度發(fā)展情況，抗凍臨界強度值及在低溫條件下達到該值的時間。
（1） 混凝土組成情況
固定外加劑摻量，調整粉煤灰和硅灰的摻量進行配制。
（2） 養(yǎng)護條件
混凝土試件成型后表面覆蓋塑料薄膜，在標養(yǎng)室預養(yǎng)4 h 后，分別以冰箱內恒低溫- 10 ℃和室外自然變低溫5～ - 15 ℃為齡期7 d 前低溫階段的養(yǎng)護條件，7 d 后轉標準養(yǎng)護7 d 和28 d。
（3） 強度測定
分別于低溫養(yǎng)護齡期為1 d、3 d、7 d 和低溫轉正溫- 7 d + 7 d ， - 7 d + 28 d 時各取一組試壓，測出混凝土強度發(fā)展情況。
（4） 抗凍臨界強度測定
成型試件分別于12 h 、24 h 、36 h 、48 h 等每隔4 h 分別試壓（根據強度發(fā)展相應調整） ，結合轉正溫后強度及強度損失（ < 5 %） ，測試抗凍臨界強度值，及達到該值的時間。
 2 試驗結果及分析
2.1 恒低溫養(yǎng)護條件下礦物摻合料對混凝土強度發(fā)展的影響 摻入不同摻量礦物摻合料的混凝土試件成型后在標養(yǎng)室預養(yǎng)4 h ，然后放入恒- 10 ℃冰箱養(yǎng)護，并在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，防止水分過分蒸發(fā)。 在恒低溫條件下摻礦物外加劑混凝土強度發(fā)展情況見圖1。
 從圖1 中可以看出，在恒低溫養(yǎng)護條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，各齡期強度均呈降低趨勢，當摻量超過15 %時，降低明顯，早期強度發(fā)展極其緩慢，后期強度增長也未體現出來。 粉煤灰摻量為10 %和15 %的混凝土，雖然早期強度發(fā)展較不摻任何礦物摻合料的混凝土慢，但并不是很明顯，強度發(fā)展能夠滿足冬期施工要求，7 d 強度可達到設計強度的50 % ，低溫7 d 轉正溫7 d 強度達到設計強度，且后期強度逐漸趕上未摻礦物摻合料的混凝土。 摻入硅灰的混凝土在低溫條件下強度發(fā)展較快，后期強度高，但摻量不宜超過5 %。 同時摻入10 %粉煤灰和4 %硅灰的混凝土強度無論在早期還是后期，在低溫條件下強度增長都為最好。7 d 強度達到設計強度的60 % ，低溫7 d 轉正溫7d 強度超過設計強度。
試驗結果表明，單摻粉煤灰由于早期水化緩慢，會影響混凝土強度增長，但摻量較低時影響并不大，而由于其形態(tài)、微集料效應，低摻量時使混凝土孔隙細化，孔徑分布均勻，形成合理的內部孔結構，密實度得以提高，從而降低混凝土中可凍水的冰點，并能緩沖凍脹時產生的冰脹壓力，增強混凝土在低溫條件下的抗凍能力，使早期強度能夠持續(xù)發(fā)展。 但摻量不宜過高，試驗結果表明10 %～15 %為適宜摻量。 單摻硅灰超過5 %時，由于硅灰需水量大，拌合物變得黏稠，影響工作性及內部結構。 雙摻粉煤灰和硅灰，兩者相互補充，能夠更有效發(fā)揮兩者的填充效應和微集料效應，結構更加致密，減少孔的數量和縮小了孔縫尺寸，尤其是降低了有害孔的數量，從而增強了抗凍能力。
2.2 自然變低溫養(yǎng)護條件下礦物摻合料對混凝土強度發(fā)展的影響
不同組成情況的混凝土在5～ - 15 ℃變低溫自然養(yǎng)護條件下混凝土強度發(fā)展情況如圖2。
 從圖2 中可以看出，自然變低溫條件下養(yǎng)護的混凝土強度發(fā)展與恒低溫養(yǎng)護條件下混凝土強度發(fā)展具有相同的趨勢。 但相同組分的混凝土在相同齡期時，自然變低溫條件下養(yǎng)護的混凝土強度較恒低溫養(yǎng)護條件下混凝土強度低。 這是由于自然變低溫條件下，自然溫度的變化使混凝土經歷了凍融循環(huán)，對混凝土剛剛形成的內部結構造成損傷和強度損失。
礦物摻合料的摻量不宜過高，粉煤灰摻量應小于15 % ，硅灰摻量應小于5 %。 此摻量時在早期會由于其復合填充效應，增加混凝土的密實性，隔斷毛細管通道，減少不利孔的數量，增加有利孔，從而增加早期抗凍能力。 在后期，由于其二次水化反應，對后期強度及耐久性非常有利。
2.3 低溫養(yǎng)護條件下礦物摻合料對混凝土抗凍臨界強度的影響
混凝土的抗凍臨界強度是混凝土抵抗早期受凍的重要技術指標，因此測試了摻入不同摻量礦物摻合料混凝土的抗凍臨界強度及在兩種低溫養(yǎng)護條件下達到該強度的抗凍臨界時間。 不同摻量礦物摻合料混凝土在低溫條件下抗凍臨界強度情況如表2。
 從表2 可以看出，不論在恒低溫還是自然變低溫養(yǎng)護條件下，摻入10 %粉煤灰和摻入5 %硅灰的混凝土與未摻礦物摻合料的混凝土相比較，抗凍臨界強度值和抗凍臨界齡期變化不大，復摻粉煤灰（超量取代水泥10 %） 硅灰（等量取代水泥4 %） 時，混凝土在低溫條件下抗凍臨界強度值與抗凍臨界齡期有所降低。 隨著礦物摻合料摻量的增加，抗凍臨界強度值變化并不是很大，但抗凍臨界時間延長，當粉煤灰摻量超過15 %尤為明顯。而在自然變低溫條件下養(yǎng)護的混凝土較在恒低溫下需要更高的抗凍臨界強度，才能保證不受凍害。這是由于粉煤灰摻量過高，因為水化慢會影響早期強度增長。 而硅灰摻量高，會增加需水量，對早期抗凍性不利。 而當摻量適宜時，由于其密實填充效應，改善混凝土內部孔結構，隔斷大孔通道，細化孔徑，減少可凍水量，使混凝土強度在低溫下持續(xù)發(fā)展，盡早達到抗凍臨界強度，縮短抗凍臨界齡期。
3 結 論
（1） 摻礦物摻合料并復以復合外加劑的混凝土，摻量適宜時，在低溫條件下強度能持續(xù)發(fā)展。粉煤灰摻量不宜超過15 % ，硅灰摻量不宜超過5 % ，雙摻粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥時，效果更好。
（2） 在低溫條件下，單摻粉煤灰10 %～15 %和硅灰5 % ，7 d 強度可達到設計強度的50 % ，低溫7 d 轉正溫7 d 強度達到設計強度；雙摻粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥，7 d 強度達到設計強度的60 % ，低溫7 d 轉正溫7 d 強度超過設計強度。
（3） 摻適宜礦物摻合料的混凝土，恒低溫條件下28 h 達到抗凍臨界強度3.5 MPa ，變低溫條件下34 h 達到抗凍臨界強度4.1 MPa ，均滿足規(guī)范要求。 |
| 原作者： 劉 軍 李振國 田 悅 劉潤清 |
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