掺加粉煤灰补偿收缩混凝土的研究及应用

2005-04-12 00:00

摘要: 粉煤灰和膨胀剂同时掺加配制的补偿收缩混凝土得到广泛应用，那么粉煤灰对这样的补偿收缩混凝土的性能具有怎样的影响?本文研究在粉煤灰不同掺量条件下的水化热、常温和高温下的膨胀性能、力学性能和耐久性能。探讨混凝土设计的有关问题及工程应用实例。

关键词： 粉谋灰膨胀剂补偿收缩混凝土水化热养护制度膨胀耐久性

一、前言

高性能混凝土的出现加强了人们对粉煤灰(FA)的应用进行重新认识，粉煤灰对混凝土(尤其对贫混凝土)工作性能的影响人们认识较充分，尤其还具有良好的经济效益。粉煤灰的高值利用也将为环保和建材的可持续发展具有重要意义

随着国民经济的快速发展，大型构筑物的建设尤其地下防水工程不断增多，这类工程往往又是超长超厚混凝土结构，混凝土标号也高，一般为C40~C50混凝土。要解决许多技术问题，比如①抗裂抗渗;②如何降低水化热;③如何解决超长超厚混凝土结构的开裂等。除了工程设计上应该注意的问题外，从材料方面现主要使用粉煤灰和膨胀剂配制补偿收缩混凝土，由于工程中经常出现一些问题，因此有必要进行深人研究。

2 试验材料与试验方法

2.1试验材料

水泥：山东水泥厂的P.0 42.5;中国建材院基准水泥。

粉煤灰：济宁电厂的U级灰，其化学成分和物理性能见表1

表1 FA的化学成分及物理性能

化学成分（%）									45μm筛余（%）	需水量比（%）	表观密度（kg/m³）
SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	烧失量	45μm筛余（%）	需水量比（%）	表观密度（kg/m³）
53.6	30.56	6.11	4.01	1.46	0.44	0.94	0.64	0.44	19.2	97.1	2330

膨胀剂：山东建筑科学研究院外加剂厂生产的PNC，符合J C 476-2001。

泵送剂：山东建筑科学研究院外加剂厂生产的泵送剂FNC，符合JC 473-2001,掺1.5%~2%，减水率大于巧%。

砂：泰安河砂，细度模数为2.78，表观密度为2 670 kg/m³，堆积密度为1 440 kg/m³ 。

石子：5 m~25 mm碎石，压碎指标值为12.5%，表观密度为2 710 kg/m³，堆积密度为1380 kg/m³ 。

2.2 实验方法

主要依据下列标准规范试验:

混凝土膨胀剂J C 476-2001;混凝土外加剂应用技术规范GBJ 119;普通混凝土力学性能试验方法GBJ 81;普通混凝土长期性能试验方法GBJ 82;水泥水化热试验方法GB 2022。

粉煤灰和膨胀剂在所有试验中都采用内掺法，按等量替代水泥率来计算。

3 试验结果与分析

3.1 水泥水化热

粉煤灰和膨胀剂同时掺和，充分利用“叠加效应”，可大幅度降低水化热。参照水泥水化热试验方法试验，结果见表2

表2 水化热

胶结材B（%）			FNC（%）	热峰出现时间（h）	水化热（kj/kg）
C	FA	PNC	FNC（%）	热峰出现时间（h）	1d	3d	总
100				10．5	243	396	447
92		8		12	216	363	407
72	20	8		14	179	327	383
72	20	8	2	37	65．2	304	344
90		10		12．5	210	360	402
70	20	10		15	166	319	370
60	30	10		18	132	271	317
70	20	10	2	39	61．0	293	336
60	30	10	2	53	50．1	234	307

由表2可见，只掺加8%~10% PNC，水化热峰出现的时间推迟1.5 h~2 h，水化热降低9%~10%;掺加20%~30%FA和8%~10 %PNC，水化热峰出现的时间推迟3.5 h~7.5 h，水化热3d降低17%~27%，总水化热降低15%~29%;同时掺加20%~30 % FA, 8%~10%PNC和2 % FNC，水化热峰出现的时间推迟26.5 h~42.5 h，水化热3d降低23%~41%，总水化热降低23%~31%。粉煤灰和膨胀剂同时使用，可推迟水温温升峰值出现的时间，并且能降低早期和总的水化热，这样就较易控制混凝土内部温升，控制混凝土内外温差，膨胀剂的膨胀作用可补偿混凝土的后期冷缩和干缩，降低温度拉应力，达到防止混凝土开裂的目的。

3.2 膨胀率

3.2.1 养护制度对膨胀率的影响

对于大体积混凝土，特别是高标号超厚混凝土，一般水泥用量较高，水泥水化热温升既快又高，再加上不易散热，因此混凝土内部温度很高，有时高达80℃左右。这类工程虽然常使用同时掺加膨胀剂和粉煤灰的补偿收缩混凝土，但在夏季施工还是有可能出现混凝土内部温升高达80℃的情况的，那么这时混凝土的补偿收缩性能又如何呢?

我们设计最高温度为60℃士1℃和80℃土1℃的养护制度对掺加膨胀剂和粉煤灰的胶砂按JC 476-2001的试验方法进行试验。膨胀剂和粉煤灰都是内渗法，在试验室成型1:2:0.4的胶砂试件，当试件强度达到10 MPa士2 MPa后拆摸，测量试件的初始长度后放人30士1℃ 水中，按制定的养护制度进行养护.7天后测膨胀值。结果见表3

表 3 养护制度对胶砂性能的影响

胶凝材B（%）			膨胀率（%）			7d抗压强度（MPa）	备注
C	FA	PNC	水7(d)	水7(d)+干14(d)	水7(d)+干21(d)	7d抗压强度（MPa）	备注
92		8	0.039	0.015	0.007	60.6	每0.5d升10℃，至最高温度60士1℃持续1.5d,以后每0.5d降10℃，至20℃后一直养护到7d;干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H
72	20	8	0.027	0.016	0.011	61.8
70	20	10	0.031	0.019	0.013	64.4
92		8	0.041		0.002		每0.5d升10℃，至最高温度80士1℃持续1.5d,以后每0.5d降10℃，干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H
72	20	8	0.023		0.013		每0.5d升10℃，至最高温度80士1℃持续1.5d,以后每0.5d降10℃，干空指20℃士3℃，(60士5)%R.H
92		8	0.041		0.019		JC467-2001
72	20	8	0.032		0.001		JC467-2001

由表3可见:对于不掺粉煤灰只掺加膨胀剂的胶砂，在这两种养护制度下7d的限制膨胀率都和JC 476-2001规定的试验条件下水养7d的膨胀率差不多，都在0.04%左右;而掺加粉煤灰后，7d的膨胀率显著减少，在最高养护温度80℃11℃时减小的幅度更大，但干缩落差明显减小，有利于发挥补偿收缩作用;同时还可以看出，同时掺加粉煤灰和膨胀剂的胶砂(1:2:0.40)强度7d就比只掺加膨胀剂的高。

只掺加膨胀剂的砂胶高温下膨胀率不降低，可以认为胶砂试件在水中养护(水充分)短时间内持续80℃，不会造成钙矾石分解。而同时掺粉煤灰和膨胀剂使膨胀率降低，则强度有所提高，可能由于在高温下粉煤灰的活性能快速被激发，消耗掉硫酸根和Ca(OH)₂，从而减少能产生膨胀的钙矾石的生成，而加速了稳定而致密的水化硅酸钙凝胶的生成。

由于粉煤灰的活性得到充分的激发，生成大量的水化产物，可以认为即使膨胀率降低也能获得很密实的混凝土结构，对于材料本身防水可以说问题不大。但是，对于超长结构，还是应合理选择膨胀剂的掺量来提高混凝土的膨胀率，以期达到补偿收缩防止开裂的目的。

3.2.2 混凝土膨胀率

对于不同粉煤灰掺加量(等量替换水泥)，按GBJ 119的试验方法进行补偿收缩性能试验。本次试验都是高流态混凝土，结果见表4

表 4 混凝土补偿收缩性能

胶结材B（%）			W/B	坍落度(mm)	抗压强度（MPa）		限制膨胀率（1 x 10^-4）
C	FA	PNC	W/B	坍落度(mm)	28d	180d	水 1d	水 3d	水 7d	水 14d	水 28d	干 28d	干 180d
72	20	8	0.36	245	49．2	69.8	1.09	1.84	2.07	2.40	2.43	1.04	0.50
80	10	10	0.35	250	53．5	71.8	1.40	2.50	3.43	3.57		1.37	0.66
70	20	10	0.34	245	52．0	73.6	1.03	1.87	2.53	2.88	3.04	1.54	0.64
60	30	10	0.34	240	46．6	71.4	0.94	1.74	2.07	2.37		1.43	0.71

注:配比胶凝材料总量 B为450 kg/m³砂率为0.40;都掺2%FNC

由表4可见:①14 d膨胀率都大于1.5x10^-4 (GBJ 119要求)，并且14d以后膨胀基本稳定;②在20士3℃, 60士5%R.H空气中养护180 d膨胀率都是正值;③在膨胀剂掺加量相同的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，膨胀率逐渐减小;④粉煤灰都掺加20%的情况下，随着膨胀剂掺量的增加，膨胀率增大。

粉煤灰和膨胀剂复合使用，粉煤灰在硫酸盐和碱性条件下能表现出很好的火山灰反应，因此要消耗掉部分膨胀剂中的硫酸盐和体系中的氢氧化钙，使浆体液相的pH值降低，随着粉煤灰掺量的增多，pH值更小。在没有足够的碱度和一定数量的Ca(OH)₂的条件下生成的钙矾石往往以粗柱状形式结晶，表现出较差的膨胀性能。

随着粉煤灰的火山灰反应的不断进行，生成大量的胶凝性质的稳定的水化硅酸钙凝胶，进一步填充和堵塞孔隙，改善了孔结构和孔的分布，使混凝土结构更加密实，表现出相对较小的膨胀落差，以及后期混凝土具有较高的强度增长率。

3.3 强度和力学性能

表 5 混凝土强度

胶结材B（%）			W/B	坍落度(mm)	抗压强度（MPa）
C	FA	PNC	W/B	坍落度(mm)	3d	7d	28d	60d	90d
90		10	0.39	185	37.9	49.7	58.5	66.7	73.7
80	10	10	0.37	190	34.5	43.7	52.2	64.4	71.3
70	20	10	0.37	195	28.8	39.2	50.9	64.5	67.5
60	30	10	0.37	200	20.1	32.6	45.0	57.3	60.8
72	20	8	0.37	190	26.9	33.5	49.2	63.8	65.3
68	20	12	0.37	195	23.3	33.3	48.1	62.1	66.6

注:胶结材总量为450 kg/m³砂率为0.40;都掺1.5%FNC

由表4, 5可见，在补偿收缩混凝土里用粉煤灰等量替换水泥，其28 d强度要降低，取代率为30%时28 d的强度降低的较多;替换率为10%~20%时.虽然28 d强度有所降低，但后期降低较少，可采用60 d或90 d强度作为设计强度进行设计，否则要相应提高胶凝材料的总用量。如表5，按28 d强度考虑，当胶凝材料总量为450 kg/m³，内掺10%膨胀剂时，可配制C50混凝土，而同时再用粉煤灰等量替换10%~20%的水泥，则只能按C40混凝土考虑，因为试配设计要有足够的富裕强度。

由表6可见，同时内掺粉煤灰、膨胀剂和泵送剂与基准混凝土相比，具有较高的力学性能。

表6 混凝土力学性能

胶结材B(%)			FNC (%)	W/B	坍落度 (mm)	抗压 (MPa)	轴压 (MPa)	劈压 (MPa)	抗折 (MPa)	握裹力 (MPa)	弹模 (MPa)
C	FA	PNC	FNC (%)	W/B	坍落度 (mm)	抗压 (MPa)	轴压 (MPa)	劈压 (MPa)	抗折 (MPa)	握裹力 (MPa)	弹模 (MPa)
100				0.46	80	46.0	39.5	3.76	5.19	5.79	3.61x10⁴
70	20	10	1.5	0.37	220	50.1	44.0	5.35	5.57	6.48	3.75 x10⁴

3.4 耐久性

质量好的粉煤灰具有“火山灰效应”、“微集料效应”、“减水效应”及“比重效应”等综合作用，再和膨胀剂同时复合使用配制混凝土，能改善混凝土的孔结构，同时具有良好的孔级配，有害孔减少，少害、无害孔增多，总孔隙率降低，改善混凝土的界面结构，增加了混凝土结构的密实度，因此提高了混凝土的耐久性。

3.4.1 抗渗

胶凝材料总量为450 kg/m³，内掺20%FA, 10%PNC和1.5%FNC的混凝土，其抗渗压力为3.6 MPa，持续一天后，将试件劈开测渗水高度，只有15mm~35 mm，最高渗水高度的平均值为27 mm。可见混凝土具有非常好的抗渗透能力。

3.4.2 抗碳化

标准碳化箱进行碳化试验，28 d龄期，基准混凝土碳化深度为6.0 mm；内掺30 % FA和2%FNC时，碳化深度为8.5 mm；而同时掺加30%FA, 10%PNC和2 %FNC时，碳化深度为8.3 mm。可见膨胀剂对粉煤灰混凝土的碳化深度不增加。

一般认为，混凝土的密实度与碱度是影响混凝土碳化的二个最重要的因素。粉煤灰和膨胀剂同时使用，虽然浆体的碱度降低了，但由于混凝土的结构更加密实，较单掺粉煤灰混凝土的碳化实际上会有所改善。由于空气中的以CO₂浓度非常小，较标准碳化箱中CO₂浓度低近700倍，因此在实际工程中，混凝土的密度对碳化的影响程度会远大于碱度的影响。因此，在实际中不会出现碳化速度很快而影响混凝土的耐久性。

3.4.3 钢筋锈蚀

将Ф16 mm x 50 mm的光面钢筋段埋人内掺20 % FA和10 %PNC混凝土中，180天破型观察，钢筋表面光滑如初，未发现锈点。混凝土密实度的增加，内部界面结构的改善，有利于对钢筋的保护作用。

4 工程应用

4.1 混凝土设计的几点体会

掺加粉煤灰的混凝土，尤其同时掺加粉煤灰和膨胀剂的混凝土后期强度增长较大，根据上面的试验结果可知，60 d较28 d龄期的强度要增长10 MPa以上，虽然《粉煤灰混凝土应用技术规程》GBJ 146-90中讲，混凝土设计强度等级的龄期地下工程宜为60 d或90 d，大体积混凝土工程宜为90 d或180 d，但实际工程应用中，一般只考虑28 d龄期。通过试验研究。我们总结以下几点:

4.1.1胶凝材料计算

根据经验确定总胶凝材料用量B，为了充分考虑混凝土的强度和膨胀率，FA和PNC都按等量替换水泥率计算，即:B=C+FA+PNC, FA%= (FA/B) x100%, PNC%= (PNC/B) x100%，泵送剂或减水剂也要以总胶凝材料为基准计算用量，如FNC% = (FNC/B) x100%.

4.1.2 粉煤灰和膨胀剂的掺加量

本文只讲粉煤灰按等量替换水泥率来计算。粉煤灰的掺量影响混凝土的水化热、膨胀率以及早期和28 d龄期的强度，因此要综合考虑粉煤灰的掺量。如用II粉煤灰配制C40混凝土，粉煤灰替换率可考虑在20%左右，用量在(90~100) kg/m³ .

膨胀剂的掺加量根据使用的工程部位设计要求，以及粉煤灰的掺加量等因素来选择。薄壁结构，不易保湿养护的部位，如地下室外墙，应具有相对较高的膨胀率，一般限制膨胀率要大于3.0 x 10^-4，这时膨胀剂的掺加量相对要提高1%~2%.

粉煤灰的掺加量多少影响混凝土的膨胀率，尽可能地控制粉煤灰的掺量在20%左右，这样对膨胀率的影响相对小些。在相同粉煤灰掺量下，要想获得较大的膨胀率可提高膨胀剂的掺量，如:同时内掺20%FA和10 %PNC的混凝土膨胀率大致与只掺8%PNC相当。

4.1.3 水胶比(W/B)的选择

对于II粉煤灰，同时掺加FA和PNC的混凝土，可直接考虑按W/B设计，而不去追求W/C多大。一般情况下，水胶比要比用鲍罗米公式计算的水灰比要低0.02~0.04。如:当配制C40混凝土，水灰比为0.40左右时，而内掺20 % FA和10 %PNC则水胶比应控制在0.37左右。这样才能确保28 d龄期混凝土的设计强度，但若允许考虑60 d或90 d强度，水胶比可适当放大，因内掺20 % FA和10%PNC的混凝土60 d强度较28 d要提高10 MPa以上。

4.1.4 水化热的计算

对于大体积混凝土在施工前要制定施工方案，为了能更加准确的预计施工过程中水化热温升，以便控制温差，减小温度应力，控制混凝土开裂，一般情况下要先估算混凝土内部可能达到的最高温升。

对于同时掺加粉煤灰、膨胀剂和泵送剂配制的混凝土的水化热如何确定呢?我们根据试验室大量的试验和工程实践总结了水化热的估算方法。纯水泥的水化热为Q，则胶凝材料的水化热Q=kQ其中k为水化热削减系数，k的取值依据FA, PNC, FNC取代水泥率来确定。只掺8%~10 %PNC，则k =0.92~0.88;同时掺8%~10 %PNC和10%~30 % FA，则k = 0. 9~0.75;同时掺8%~10%PNC, 10%~30% FA和1.5%~.0% FNC，则k=0.80~0.70.

4.2 工程应用举例

我院混凝土外加剂厂近几年实际年生产PNC膨胀剂都在15 000吨左右，大量用于各类抗裂、防水抗渗工程，高层建筑的地下室、地下人防工程等都属于超长超厚混凝土结构，同时掺加优质粉煤灰和膨胀剂配制补偿收缩混凝土得到广泛的应用。列举部分工程如下:

表7 粉煤灰和脚胀剂配制混凝土部分工程应用

工程名称	混凝土厚度(m)	混凝土等级	FA(%)	PNC(%)	施工时间
山东省人民检察院大楼	1.0	C40、P8	15	13(液化)	1995.10
淄博凤阳大厦	2.0	C40、P8	37	12	1996.5
济南银河大厦	1.5~3.0	C40、C45、P12	20	12	1997.7
德州广电中心	1.5	C45、P8	20	13(液化)	1998.12
中创9#10#楼	1.2	C40、P8	20	8	1999.8
济南中房大厦	1.4	C40、P12	25	8	2000.5
鲁能东兴里	1.2	C40、P12	25	8	2000.8
济南市中级法院	1.5~2.0	C40、C45、P8	20	10(液化)	2001.5
山东农大科技大楼	1.3	C40、P8	20	10	2001.8
秦皇岛人民广场		C35、P8	20	9(液化)	2001.9

5 结束语

①同时掺加粉煤灰和膨胀剂可大幅度降低混凝土的水化热，有利于控制温度应力，减少混凝土开裂。同时掺加20 % FA和10 %PNC可降低水化热20%左右;再掺2 % FNC泵送剂可降低水化热25%左右。

②粉煤灰会降低补偿收缩混凝土的膨胀率。随着粉煤灰掺量的增加，而膨胀率降低的幅度增大，高温(60℃、80℃)养护条件下降低的幅度更大。但不掺粉煤灰只掺PNC膨胀剂的胶砂在最高温度达60℃~80℃ (本试验的二种养护制度下)时和20℃时的膨胀率差不多。

③粉煤灰和膨胀剂同时掺和，能改善硬化混凝土的孔结构，使大孔减少微孔增多，使孔级配更加合理，改善混凝土内部界面结构，使混凝土结构更加密实。因此，能大幅度提高混凝土的后期强度，同时使混凝土具有良好的耐久性能。

④合理地选择粉煤灰和膨胀剂的掺加量，合理地设计混凝土的配合比，可配制出优质的补偿收缩混凝土，有效地解决超长超厚大体积混凝土结构的抗裂防渗。

参考文献

[1] 沈旦申: 粉煤灰混凝土北京中国铁道出版社 1989年

[2] 胡建勤、管斌君、何庆丰粉煤灰混凝土对混凝土补偿收缩性能的影响混凝土与水泥制品2001 (2)

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掺加粉煤灰补偿收缩混凝土的研究及应用

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