低溫條件下礦物摻合料對混凝土強(qiáng)度發(fā)展及抗凍臨界強(qiáng)度的影響

關(guān)鍵詞：復(fù)合外加劑；礦物摻合料；抗凍臨界強(qiáng)度；低溫；強(qiáng)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(xì)顆粒充當(dāng)細(xì)骨料或細(xì)骨料的填料，改善新拌混凝土流動(dòng)性，增強(qiáng)黏聚性，減少泌水和骨料分離，從而增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度，由于其后期的二次水化反應(yīng)，能顯著提高后期強(qiáng)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(yīng)用，其力學(xué)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(yīng)用則很少，主要原因是考慮其早期水化慢，強(qiáng)度低，不能抵抗早期受凍，不主張?jiān)诘蜏貤l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(yīng)用。筆者通過調(diào)整粉煤灰和硅灰的摻量和摻加方式，并復(fù)摻復(fù)合外加劑，以自然變負(fù)溫和恒負(fù)溫為養(yǎng)護(hù)條件，測試摻加粉煤灰和硅灰的混凝土在低溫條件下強(qiáng)度發(fā)展情況，及其對抗凍臨界強(qiáng)度的影響，確定在保證混凝土早期不產(chǎn)生凍害，強(qiáng)度能夠持續(xù)發(fā)展時(shí)的合理摻量。1 　試驗(yàn)材料及方法
1.1 　試驗(yàn)原材料水泥：采用沈陽冀東水泥有限公司生產(chǎn)的盾石牌水泥42.5R。
水：采用普通自來水。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(biāo)為2.10 % ，含泥量低于0.1 %。表觀密度約為2 800kg/m3 。細(xì)集料選用河砂，屬中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8 ，級配良好，屬Ⅱ區(qū)。堅(jiān)固性為4.10 % ，含泥量低于2.1 %。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(chǎn)，灰白色粉末，粒徑為1μm 以下，平均粒徑為0.1μm 左右。低溫早強(qiáng)劑：選用以早強(qiáng)、減水和引氣為主要組分的復(fù)合外加劑。1.2 　試驗(yàn)方法調(diào)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(hù)條件，測試各種混凝土的強(qiáng)度發(fā)展情況，抗凍臨界強(qiáng)度值及在低溫條件下達(dá)到該值的時(shí)間。混凝土組成情況固定外加劑摻量，調(diào)整粉煤灰和硅灰的摻量進(jìn)行配制。養(yǎng)護(hù)條件混凝土試件成型后表面覆蓋塑料薄膜，在標(biāo)養(yǎng)室預(yù)養(yǎng)4 h 后，分別以冰箱內(nèi)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(hù)條件，7 d 后轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d。強(qiáng)度測定分別于低溫養(yǎng)護(hù)齡期為1 d、3 d、7 d 和低溫轉(zhuǎn)正溫- 7 d + 7 d ， - 7 d + 28 d 時(shí)各取一組試壓，測出混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況。抗凍臨界強(qiáng)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，結(jié)合轉(zhuǎn)正溫后強(qiáng)度及強(qiáng)度損失，測試抗凍臨界強(qiáng)度值，及達(dá)到該值的時(shí)間。 2 　試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 　恒低溫養(yǎng)護(hù)條件下礦物摻合料對混凝土強(qiáng)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(biāo)養(yǎng)室預(yù)養(yǎng)4 h ，然后放入恒- 10 ℃冰箱養(yǎng)護(hù)，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?lián)降V物外加劑混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況見圖1。從圖1 中可以看出，在恒低溫養(yǎng)護(hù)條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，各齡期強(qiáng)度均呈降低趨勢，當(dāng)摻量超過15 %時(shí)，降低明顯，早期強(qiáng)度發(fā)展極其緩慢，后期強(qiáng)度增長也未體現(xiàn)出來。粉煤灰摻量為10 %和15 %的混凝土，雖然早期強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展能夠滿足冬期施工要求，7 d 強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50 % ，低溫7 d 轉(zhuǎn)正溫7 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且后期強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度高，但摻量不宜超過5 %。同時(shí)摻入10 %粉煤灰和4 %硅灰的混凝土強(qiáng)度無論在早期還是后期，在低溫條件下強(qiáng)度增長都為最好。7 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60 % ，低溫7 d 轉(zhuǎn)正溫7d 強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，單摻粉煤灰由于早期水化緩慢，會(huì)影響混凝土強(qiáng)度增長，但摻量較低時(shí)影響并不大，而由于其形態(tài)、微集料效應(yīng)，低摻量時(shí)使混凝土孔隙細(xì)化，孔徑分布均勻，形成合理的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，密實(shí)度得以提高，從而降低混凝土中可凍水的冰點(diǎn)，并能緩沖凍脹時(shí)產(chǎn)生的冰脹壓力，增強(qiáng)混凝土在低溫條件下的抗凍能力，使早期強(qiáng)度能夠持續(xù)發(fā)展。但摻量不宜過高，試驗(yàn)結(jié)果表明10 %～15 %為適宜摻量。單摻硅灰超過5 %時(shí)，由于硅灰需水量大，拌合物變得黏稠，影響工作性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雙摻粉煤灰和硅灰，兩者相互補(bǔ)充，能夠更有效發(fā)揮兩者的填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)，結(jié)構(gòu)更加致密，減少孔的數(shù)量和縮小了孔縫尺寸，尤其是降低了有害孔的數(shù)量，從而增強(qiáng)了抗凍能力。2.2 　自然變低溫養(yǎng)護(hù)條件下礦物摻合料對混凝土強(qiáng)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(hù)條件下混凝土強(qiáng)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(hù)的混凝土強(qiáng)度發(fā)展與恒低溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強(qiáng)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(shí)，自然變低溫條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度較恒低溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強(qiáng)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(jīng)歷了凍融循環(huán)，對混凝土剛剛形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷和強(qiáng)度損失。礦物摻合料的摻量不宜過高，粉煤灰摻量應(yīng)小于15 % ，硅灰摻量應(yīng)小于5 %。此摻量時(shí)在早期會(huì)由于其復(fù)合填充效應(yīng)，增加混凝土的密實(shí)性，隔斷毛細(xì)管通道，減少不利孔的數(shù)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(yīng)，對后期強(qiáng)度及耐久性非常有利。2.3 　低溫養(yǎng)護(hù)條件下礦物摻合料對混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的影響混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度是混凝土抵抗早期受凍的重要技術(shù)指標(biāo)，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(qiáng)度及在兩種低溫養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到該強(qiáng)度的抗凍臨界時(shí)間。不同摻量礦物摻合料混凝土在低溫條件下抗凍臨界強(qiáng)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(hù)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(qiáng)度值和抗凍臨界齡期變化不大，復(fù)摻粉煤灰硅灰時(shí)，混凝土在低溫條件下抗凍臨界強(qiáng)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(qiáng)度值變化并不是很大，但抗凍臨界時(shí)間延長，當(dāng)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(hù)的混凝土較在恒低溫下需要更高的抗凍臨界強(qiáng)度，才能保證不受凍害。這是由于粉煤灰摻量過高，因?yàn)樗龝?huì)影響早期強(qiáng)度增長。而硅灰摻量高，會(huì)增加需水量，對早期抗凍性不利。而當(dāng)摻量適宜時(shí)，由于其密實(shí)填充效應(yīng)，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，隔斷大孔通道，細(xì)化孔徑，減少可凍水量，使混凝土強(qiáng)度在低溫下持續(xù)發(fā)展，盡早達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度，縮短抗凍臨界齡期。3 　結(jié)　論摻礦物摻合料并復(fù)以復(fù)合外加劑的混凝土，摻量適宜時(shí)，在低溫條件下強(qiáng)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(shí)，效果更好。在低溫條件下，單摻粉煤灰10 %～15 %和硅灰5 % ，7 d 強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50 % ，低溫7 d 轉(zhuǎn)正溫7 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；雙摻粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥，7 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60 % ，低溫7 d 轉(zhuǎn)正溫7 d 強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度。摻適宜礦物摻合料的混凝土，恒低溫條件下28 h 達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度3.5 MPa ，變低溫條件下34 h 達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)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