摻加粉煤灰補(bǔ)償收縮混凝土的研究及應(yīng)用
關(guān)鍵詞: 粉謀灰 膨脹劑 補(bǔ)償收縮混凝土 水化熱 養(yǎng)護(hù)制度 膨脹 耐久性
一、前言
高性能混凝土的出現(xiàn)加強(qiáng)了人們對(duì)粉煤灰(FA)的應(yīng)用進(jìn)行重新認(rèn)識(shí),粉煤灰對(duì)混凝土(尤其對(duì)貧混凝土)工作性能的影響人們認(rèn)識(shí)較充分,尤其還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。粉煤灰的高值利用也將為環(huán)保和建材的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大型構(gòu)筑物的建設(shè)尤其地下防水工程不斷增多,這類工程往往又是超長(zhǎng)超厚混凝土結(jié)構(gòu),混凝土標(biāo)號(hào)也高,一般為C40~C50混凝土。要解決許多技術(shù)問題,比如①抗裂抗?jié)B;②如何降低水化熱;③如何解決超長(zhǎng)超厚混凝土結(jié)構(gòu)的開裂等。除了工程設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意的問題外,從材料方面現(xiàn)主要使用粉煤灰和膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土,由于工程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問題,因此有必要進(jìn)行深人研究。
2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法
2.1試驗(yàn)材料
水泥:山東水泥廠的P.0 42.5;中國建材院基準(zhǔn)水泥。
表1 FA的化學(xué)成分及物理性能
化學(xué)成分(%) |
45μm篩余(%) |
需水量比(%) |
表觀密度(kg/m3) | ||||||||
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
燒失量 | |||
53.6 |
30.56 |
6.11 |
4.01 |
1.46 |
0.44 |
0.94 |
0.64 |
0.44 |
19.2 |
97.1 |
2330 |
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
主要依據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗(yàn):
混凝土膨脹劑J C 476-2001;混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GBJ 119;普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法GBJ 81;普通混凝土長(zhǎng)期性能試驗(yàn)方法GBJ 82;水泥水化熱試驗(yàn)方法GB 2022。
粉煤灰和膨脹劑在所有試驗(yàn)中都采用內(nèi)摻法,按等量替代水泥率來計(jì)算。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 水泥水化熱
粉煤灰和膨脹劑同時(shí)摻和,充分利用“疊加效應(yīng)”,可大幅度降低水化熱。參照水泥水化熱試驗(yàn)方法試驗(yàn),結(jié)果見表2
膠結(jié)材B(%) |
FNC(%) |
熱峰出現(xiàn)時(shí)間(h) |
水化熱(kj/kg) | ||||
C |
FA |
PNC |
1d |
3d |
總 | ||
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 |
3.2 膨脹率
3.2.1 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)膨脹率的影響
我們?cè)O(shè)計(jì)最高溫度為60℃士1℃和80℃土1℃的養(yǎng)護(hù)制度對(duì)摻加膨脹劑和粉煤灰的膠砂按JC 476-2001的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。膨脹劑和粉煤灰都是內(nèi)滲法,在試驗(yàn)室成型1:2:0.4的膠砂試件,當(dāng)試件強(qiáng)度達(dá)到10 MPa士2 MPa后拆摸,測(cè)量試件的初始長(zhǎng)度后放人30士1℃ 水中,按制定的養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù).7天后測(cè)膨脹值。結(jié)果見表3
表 3 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)膠砂性能的影響
膠凝材B(%) |
膨脹率(%) |
7d抗壓強(qiáng)度(MPa) |
備注 | ||||
C |
FA |
PNC |
水7(d) |
水7(d)+干14(d) |
水7(d)+干21(d) | ||
92 |
|
8 |
0.039 |
0.015 |
0.007 |
60.6 |
每0.5d升10℃,至最高溫度60士1℃持續(xù)1.5d,以后每0.5d降10℃,至20℃后一直養(yǎng)護(hù)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℃,至最高溫度80士1℃持續(xù)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 |
| |
92 |
|
8 |
0.041 |
|
0.019 |
|
JC467-2001 |
72 |
20 |
8 |
0.032 |
|
0.001 |
|
只摻加膨脹劑的砂膠高溫下膨脹率不降低,可以認(rèn)為膠砂試件在水中養(yǎng)護(hù)(水充分)短時(shí)間內(nèi)持續(xù)80℃,不會(huì)造成鈣礬石分解。而同時(shí)摻粉煤灰和膨脹劑使膨脹率降低,則強(qiáng)度有所提高,可能由于在高溫下粉煤灰的活性能快速被激發(fā),消耗掉硫酸根和Ca(OH)2,從而減少能產(chǎn)生膨脹的鈣礬石的生成,而加速了穩(wěn)定而致密的水化硅酸鈣凝膠的生成。
由于粉煤灰的活性得到充分的激發(fā),生成大量的水化產(chǎn)物,可以認(rèn)為即使膨脹率降低也能獲得很密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu),對(duì)于材料本身防水可以說問題不大。但是,對(duì)于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu),還是應(yīng)合理選擇膨脹劑的摻量來提高混凝土的膨脹率,以期達(dá)到補(bǔ)償收縮防止開裂的目的。
3.2.2 混凝土膨脹率
表 4 混凝土補(bǔ)償收縮性能
膠結(jié)材B(%) |
W/B |
坍落度(mm) |
抗壓強(qiáng)度(MPa) |
限制膨脹率(1 x 10-4) | |||||||||
C |
FA |
PNC |
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 |
粉煤灰和膨脹劑復(fù)合使用,粉煤灰在硫酸鹽和堿性條件下能表現(xiàn)出很好的火山灰反應(yīng),因此要消耗掉部分膨脹劑中的硫酸鹽和體系中的氫氧化鈣,使?jié){體液相的pH值降低,隨著粉煤灰摻量的增多,pH值更小。在沒有足夠的堿度和一定數(shù)量的Ca(OH)2的條件下生成的鈣礬石往往以粗柱狀形式結(jié)晶,表現(xiàn)出較差的膨脹性能。
隨著粉煤灰的火山灰反應(yīng)的不斷進(jìn)行,生成大量的膠凝性質(zhì)的穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠,進(jìn)一步填充和堵塞孔隙,改善了孔結(jié)構(gòu)和孔的分布,使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí),表現(xiàn)出相對(duì)較小的膨脹落差,以及后期混凝土具有較高的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。
3.3 強(qiáng)度和力學(xué)性能
表 5 混凝土強(qiáng)度
膠結(jié)材B(%) |
W/B |
坍落度(mm) |
抗壓強(qiáng)度(MPa) | ||||||
C |
FA |
PNC |
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 |
由表6可見,同時(shí)內(nèi)摻粉煤灰、膨脹劑和泵送劑與基準(zhǔn)混凝土相比,具有較高的力學(xué)性能。
表6 混凝土力學(xué)性能
膠結(jié)材B(%) |
FNC
(%) |
W/B |
坍落度
(mm) |
抗壓
(MPa) |
軸壓
(MPa) |
劈壓
(MPa) |
抗折
(MPa) |
握裹力
(MPa) |
彈模
(MPa) | ||
C |
FA |
PNC | |||||||||
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 |
質(zhì)量好的粉煤灰具有“火山灰效應(yīng)”、“微集料效應(yīng)”、“減水效應(yīng)”及“比重效應(yīng)”等綜合作用,再和膨脹劑同時(shí)復(fù)合使用配制混凝土,能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu),同時(shí)具有良好的孔級(jí)配,有害孔減少,少害、無害孔增多,總孔隙率降低,改善混凝土的界面結(jié)構(gòu),增加了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,因此提高了混凝土的耐久性。
3.4.1 抗?jié)B
3.4.2 抗碳化
一般認(rèn)為,混凝土的密實(shí)度與堿度是影響混凝土碳化的二個(gè)最重要的因素。粉煤灰和膨脹劑同時(shí)使用,雖然漿體的堿度降低了,但由于混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí),較單摻粉煤灰混凝土的碳化實(shí)際上會(huì)有所改善。由于空氣中的以CO2濃度非常小,較標(biāo)準(zhǔn)碳化箱中CO2濃度低近700倍,因此在實(shí)際工程中,混凝土的密度對(duì)碳化的影響程度會(huì)遠(yuǎn)大于堿度的影響。因此,在實(shí)際中不會(huì)出現(xiàn)碳化速度很快而影響混凝土的耐久性。
3.4.3 鋼筋銹蝕
4 工程應(yīng)用
4.1 混凝土設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)
摻加粉煤灰的混凝土,尤其同時(shí)摻加粉煤灰和膨脹劑的混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大,根據(jù)上面的試驗(yàn)結(jié)果可知,60 d較28 d齡期的強(qiáng)度要增長(zhǎng)10 MPa以上,雖然《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》GBJ 146-90中講,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的齡期地下工程宜為60 d或90 d,大體積混凝土工程宜為90 d或180 d,但實(shí)際工程應(yīng)用中,一般只考慮28 d齡期。通過試驗(yàn)研究。我們總結(jié)以下幾點(diǎn):
4.1.1膠凝材料計(jì)算
4.1.2 粉煤灰和膨脹劑的摻加量
膨脹劑的摻加量根據(jù)使用的工程部位設(shè)計(jì)要求,以及粉煤灰的摻加量等因素來選擇。薄壁結(jié)構(gòu),不易保濕養(yǎng)護(hù)的部位,如地下室外墻,應(yīng)具有相對(duì)較高的膨脹率,一般限制膨脹率要大于3.0 x 10-4,這時(shí)膨脹劑的摻加量相對(duì)要提高1%~2%.
粉煤灰的摻加量多少影響混凝土的膨脹率,盡可能地控制粉煤灰的摻量在20%左右,這樣對(duì)膨脹率的影響相對(duì)小些。在相同粉煤灰摻量下,要想獲得較大的膨脹率可提高膨脹劑的摻量,如:同時(shí)內(nèi)摻20%FA和10 %PNC的混凝土膨脹率大致與只摻8%PNC相當(dāng)。
4.1.3 水膠比(W/B)的選擇
4.1.4 水化熱的計(jì)算
對(duì)于同時(shí)摻加粉煤灰、膨脹劑和泵送劑配制的混凝土的水化熱如何確定呢?我們根據(jù)試驗(yàn)室大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐總結(jié)了水化熱的估算方法。純水泥的水化熱為Q,則膠凝材料的水化熱Q=kQ其中k為水化熱削減系數(shù),k的取值依據(jù)FA, PNC, FNC取代水泥率來確定。只摻8%~10 %PNC,則k =0.92~0.88;同時(shí)摻8%~10 %PNC和10%~30 % FA,則k = 0. 9~0.75;同時(shí)摻8%~10%PNC, 10%~30% FA和1.5%~.0% FNC,則k=0.80~0.70.
4.2 工程應(yīng)用舉例
我院混凝土外加劑廠近幾年實(shí)際年生產(chǎn)PNC膨脹劑都在15 000噸左右,大量用于各類抗裂、防水抗?jié)B工程,高層建筑的地下室、地下人防工程等都屬于超長(zhǎng)超厚混凝土結(jié)構(gòu),同時(shí)摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土得到廣泛的應(yīng)用。列舉部分工程如下:
表7 粉煤灰和腳脹劑配制混凝土部分工程應(yīng)用
工程名稱 |
混凝土厚度(m) |
混凝土等級(jí) |
FA(%) |
PNC(%) |
施工時(shí)間 |
山東省人民檢察院大樓 |
1.0 |
C40、P8 |
15 |
13(液化) |
1995.10 |
淄博鳳陽大廈 |
2.0 |
C40、P8 |
37 |
12 |
1996.5 |
濟(jì)南銀河大廈 |
1.5~3.0 |
C40、C45、P12 |
20 |
12 |
1997.7 |
德州廣電中心 |
1.5 |
C45、P8 |
20 |
13(液化) |
1998.12 |
中創(chuàng)9#10#樓 |
1.2 |
C40、P8 |
20 |
8 |
1999.8 |
濟(jì)南中房大廈 |
1.4 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.5 |
魯能東興里 |
1.2 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.8 |
濟(jì)南市中級(jí)法院 |
1.5~2.0 |
C40、C45、P8 |
20 |
10(液化) |
2001.5 |
山東農(nóng)大科技大樓 |
1.3 |
C40、P8 |
20 |
10 |
2001.8 |
秦皇島人民廣場(chǎng) |
|
C35、P8 |
20 |
9(液化) |
2001.9 |
①同時(shí)摻加粉煤灰和膨脹劑可大幅度降低混凝土的水化熱,有利于控制溫度應(yīng)力,減少混凝土開裂。同時(shí)摻加20 % FA和10 %PNC可降低水化熱20%左右;再摻2 % FNC泵送劑可降低水化熱25%左右。
②粉煤灰會(huì)降低補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹率。隨著粉煤灰摻量的增加,而膨脹率降低的幅度增大,高溫(60℃、80℃)養(yǎng)護(hù)條件下降低的幅度更大。但不摻粉煤灰只摻PNC膨脹劑的膠砂在最高溫度達(dá)60℃~80℃ (本試驗(yàn)的二種養(yǎng)護(hù)制度下)時(shí)和20℃時(shí)的膨脹率差不多。
③粉煤灰和膨脹劑同時(shí)摻和,能改善硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu),使大孔減少微孔增多,使孔級(jí)配更加合理,改善混凝土內(nèi)部界面結(jié)構(gòu),使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。因此,能大幅度提高混凝土的后期強(qiáng)度,同時(shí)使混凝土具有良好的耐久性能。
④合理地選擇粉煤灰和膨脹劑的摻加量,合理地設(shè)計(jì)混凝土的配合比,可配制出優(yōu)質(zhì)的補(bǔ)償收縮混凝土,有效地解決超長(zhǎng)超厚大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂防滲。
參考文獻(xiàn)
[1] 沈旦申: 粉煤灰混凝土 北京中國鐵道出版社 1989年
編輯:
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