摘要：以混凝土絕熱溫升為溫度參考依據，模擬混凝土早齡期的變溫過程，研究了在變溫條件下摻加粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響。強度等級為C30級時，粉煤灰混凝土3d后的抗壓強度高于純水泥混凝土；強度等級為C80級時，粉煤灰混凝土4d后的抗壓強度高于純水泥混凝土。通過工程實例研究了不同養護條件對大摻量粉煤灰混凝土強度發展的影響，發現溫度匹配養護下的7d抗壓強度遠高于在標準養護和同條件養護下的抗壓強度。
關鍵詞：絕熱溫升；溫度匹配養護；粉煤灰；抗壓強度
0 前言
粉煤灰是目前我國最大宗的工業廢料之一，作為混凝土的摻合料可以直接使用或只進行簡單的處理，因此在建筑領域的應用越來越廣。出于施工進度等因素的考慮，很多工程對混凝土的早期強度越來越重視。而目前普遍認為混凝土中摻入粉煤灰會降低早期強度，隨著摻量的增大，早期強度降低得越多，這種觀點對粉煤灰在混凝土中尤其是結構混凝土中的應用產生了一定的負面影響。
現行混凝土強度檢測評價方法，是以實驗室條件下成型的試件，放置在標準養護室內或構件旁養護至規定齡期。Idorn[1]曾指出，試驗室制備的試件與工程中構件的實際情況存在著明顯的差異，溫度條件不同是這些差異中的一個重要方面，而溫度差異對混凝土的強度發展有著非常重要的影響。研究表明，與20℃時相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。
近年來隨著構件斷面尺寸的不斷增大，水泥標號的提高和單位用量的增大，導致混凝土硬化過程中內部溫升明顯加劇。這就使實驗室中標準養護溫度與實際構件中的溫度相差很大，也因此導致實驗室測得的試件強度與實際結構中的混凝土強度的差距變大。覃維祖[2]認為，與水泥混凝土相比，粉煤灰混凝土受溫度的影響更為顯著。因此，在研究粉煤灰對混凝土強度的影響時，更應考慮養護溫度因素。
本文以混凝土絕熱溫升為溫度參考依據，模擬混凝土早齡期的變溫過程，研究變溫條件下摻加粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響。并根據工程實例，研究了不同養護條件對大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度發展的影響。
1 實驗
1.1 原材料
試驗所用的水泥為北京興發水泥廠生產的拉法基P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為內蒙古元寶山發電廠生產的I級粉煤灰，二者的化學組成如表1所示。石子為北京門頭溝地區的石灰石碎石，粒徑5－20mm。砂為河砂，細度模數為3.0，含泥量小于3％，在使用前用孔徑5.0mm的方孔篩篩除大于5mm的顆粒。減水劑采用Sika 3301聚羧酸鹽高效減水劑。
表1 原材料的化學組成 %
1.2 變溫養護方法
變溫養護系統由絕熱溫升儀、養護箱和控制系統組成，利用變溫養護系統來實現所需要的養護溫度制度，圖1為變溫養護系統的示意圖。該系統的工作原理是，在絕熱溫升儀內和混凝土養護箱內都使用溫度傳感器測試溫度，采用溫度變送器實現信號轉換，直接獲得溫度變化曲線，利用溫度變化曲線，通過計算機控制養護箱內的溫度，可以與絕熱溫升測量同步調整混凝土的養護溫度。 混凝土的發熱能力可以用絕熱溫升值來衡量，絕熱溫升值可以認為是混凝土在實際結構中所能達到的溫度上限，因此變溫養護制度的上升段采用絕熱溫升曲線，當達到絕熱溫升穩定期之后，讓養護箱自然散熱，使溫度逐漸下降，以模擬實際結構中混凝土的溫度下降段。變溫養護時，試樣自成型起，放入養護箱中，24h后拆模，并測試相應的強度。待養護箱內的溫度降低到20℃時，把混凝土試樣取出放在標準養護室內繼續養護至規定齡期，測定其抗壓強度。
圖1 變溫養護系統示意圖
1.3 混凝土的配合比
本文對普通混凝土和高強混凝土分別進行了研究，普通混凝土的強度等級為C30，粉煤灰摻量為膠凝材料用量的20%，配合比如表2所示。高強混凝土的強度等級為C80，采用了Metha和Aictin[3]提出的配制高強混凝土的方法。他們認為，為了合理地綜合解決強度、工作性及體積穩定性等問題，混凝土合適的漿體和骨料的體積比應為35：65，按此方法設計的高強混凝土配合比如表3所示。
表2 普通混凝土配合比 / (kg/m3)
表3 高強混凝土配合比 / (kg/m3)
1.4 試驗結果
混凝土的變溫養護曲線如圖2和圖4所示。圖3是普通混凝土抗壓強度隨齡期發展的曲線，FC30組的1d抗壓強度低于C30組，但是3d之后的強度都高于C30組。圖4是高強混凝土抗壓強度隨齡期發展的曲線，FC80組在4d之前的抗壓強度小于C80組，但4d之后的強度均高于C80組。J. Payá[4]研究表明，較高的養護溫度會促進粉煤灰的反應程度，對強度的貢獻不可忽略。江京平[5]測試了四種摻粉煤灰的大體積結構內部混凝土的抗壓強度，認為大體積混凝土內部溫升對摻粉煤灰混凝土強度增長有利。王甲春[6]的研究表明，高溫養護條件下，普通混凝土、高強度混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的早齡期抗壓強度明顯高于標準養護條件下的抗壓強度。結合本文的試驗結果，可以得出結論，溫度是影響混凝土強度發展的重要因素，在檢測評價混凝土強度時應重點考慮；當實際構件內部溫度較高時，摻入一定量粉煤灰的混凝土早期強度并不降低，并且其后期強度也較高。
張慶歡[7]研究了養護溫度對漿體化學結合水量的影響，研究發現，養護溫度升高，純水泥試樣和摻粉煤灰的試樣的3d化學結合水量較標準養護均有所提高，說明高溫養護促進了膠凝材料的水化反應。從大摻量粉煤灰試驗組的結合水量發展曲線上能較為明顯地觀察到了3d后下降的趨勢，這說明粉煤灰在高溫養護下3d后已經開始消耗Ca(OH)2，即化學活性開始發揮出來。因此，如果構件內的實際溫度較高，則粉煤灰的活性能較早地發揮，混凝土早期的強度就會提高。
2 工程實例
中國國際貿易中心三期A階段工程位于北京市建國門外大街1號國貿中心院內，其主塔樓高330m，地下三層，地上74層。該工程主塔樓基礎底板采用樁筏基礎，混凝土量為22833m3，混凝土強度等級為C45R60，基礎標準厚度為4.5m。為防止溫度應力造成大體積混凝土表面開裂，在混凝土材料方面，采用大摻量粉煤灰混凝土以降低溫升。混凝土的水膠比0.39，砂率0.43，粉煤灰摻量為45.2%，配合比如表4所示。
表4 大摻量粉煤灰混凝土的配合比 / (kg/m3)
為確定基礎在豎直方向的溫度場發展規律，進行了足尺模型試驗，足尺混凝土模型為4.5×4.5×4.5m立方體。為考察不同養護環境下混凝土的強度發展情況，采用了三種不同的養護條件：標準養護條件；溫度匹配養護條件，即把混凝土試塊置于養護箱內，采用水熱蒸汽養護，并實時調整養護溫度，保證與足尺模型中心溫度一致；同條件養護，即把混凝土試塊置于足尺模型試驗現場，上覆塑料薄膜。此外，在足尺模型實時監測至60d時，進行鉆芯取樣，測定芯部抗壓強度，并與三組養護條件下混凝土抗壓強度進行對比。
不同養護條件下抗壓強度發展曲線如圖6所示，從強度發展趨勢來看，溫度匹配養護的混凝土試塊強度增長很快，7d已經達到58.0MPa，而同齡期的同條件養護和標準養護試塊強度均不超過30MPa。60d時對足尺模型進行鉆芯取樣，測得芯部混凝土的抗壓強度為63.7MPa，超過了標準養護和同條件養護60d強度。溫度匹配養護的強度雖然只測到了28d，但14d以后強度增長便很小，因此至少可以判斷，60d的溫度匹配養護強度和鉆芯取樣強度應該很接近。
圖6 抗壓強度發展曲線
由此可見，養護溫度對于混凝土早期強度的影響很大。在實際工程中，構件內部早期的溫度往往高于甚至遠高于標準養護的溫度，因此為準確了解實際構件強度的發展情況，需要重點考慮溫度因素。大摻量的粉煤灰可以降低混凝土內部的溫升，從而降低溫度應力導致開裂的風險；同時，混凝土內部一定的溫升又可以加快粉煤灰混凝土早期的強度發展，使之滿足設計要求。
3 結論
養護溫度對于混凝土強度的發展有重要的影響，檢測評價混凝土強度應重點考慮溫度的影響。構件內部早期的溫度往往高于標準養護的溫度，其早期實際強度高于實驗室標準養護的試件的強度。養護溫度升高能夠使粉煤灰的化學活性較早地發揮出來，從而使粉煤灰混凝土的早期強度提高，在混凝土中摻入粉煤灰并不一定降低其早期強度。
[參考文獻]
[1GunnarMIdorn.Concretedurability&resourceeconomy.ConcreteInternational,1991,13(7):18~23
[2]覃維祖.粉煤灰在混凝土中的應用技術[J].商品混凝土，2006（2）：13~18
[3]P.K.Matha, P.C.Aitin. Principles underlying production of high-performance concrete. Cement and Aggregate[J]. 1990, 12(2):70~78
[4]J. Payá, J. Monzó and M. V. Borrachero. Mechanical treatment of fly ashes: Part IV. Strength development of ground fly ash-cement mortars cured at different temperatures. Cem. Concr. Res., 2000, 30(4): 543~551
[5]江京平.摻粉煤灰大體積混凝土內部溫升對其強度影響的探討. 粉煤灰，2005（5）:24~25
[6]王甲春. 影響混凝土早齡期開裂特性的材料因素研究[D]. 北京: 清華大學，2005
[7]張慶歡. 粉煤灰在復合膠凝材料水化過程中的作用機理[D].北京: 清華大學，2006
關鍵詞：絕熱溫升；溫度匹配養護；粉煤灰；抗壓強度
0 前言
粉煤灰是目前我國最大宗的工業廢料之一，作為混凝土的摻合料可以直接使用或只進行簡單的處理，因此在建筑領域的應用越來越廣。出于施工進度等因素的考慮，很多工程對混凝土的早期強度越來越重視。而目前普遍認為混凝土中摻入粉煤灰會降低早期強度，隨著摻量的增大，早期強度降低得越多，這種觀點對粉煤灰在混凝土中尤其是結構混凝土中的應用產生了一定的負面影響。
現行混凝土強度檢測評價方法，是以實驗室條件下成型的試件，放置在標準養護室內或構件旁養護至規定齡期。Idorn[1]曾指出，試驗室制備的試件與工程中構件的實際情況存在著明顯的差異，溫度條件不同是這些差異中的一個重要方面，而溫度差異對混凝土的強度發展有著非常重要的影響。研究表明，與20℃時相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。
近年來隨著構件斷面尺寸的不斷增大，水泥標號的提高和單位用量的增大，導致混凝土硬化過程中內部溫升明顯加劇。這就使實驗室中標準養護溫度與實際構件中的溫度相差很大，也因此導致實驗室測得的試件強度與實際結構中的混凝土強度的差距變大。覃維祖[2]認為，與水泥混凝土相比，粉煤灰混凝土受溫度的影響更為顯著。因此，在研究粉煤灰對混凝土強度的影響時，更應考慮養護溫度因素。
本文以混凝土絕熱溫升為溫度參考依據，模擬混凝土早齡期的變溫過程，研究變溫條件下摻加粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響。并根據工程實例，研究了不同養護條件對大摻量粉煤灰混凝土抗壓強度發展的影響。
1 實驗
1.1 原材料
試驗所用的水泥為北京興發水泥廠生產的拉法基P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為內蒙古元寶山發電廠生產的I級粉煤灰，二者的化學組成如表1所示。石子為北京門頭溝地區的石灰石碎石，粒徑5－20mm。砂為河砂，細度模數為3.0，含泥量小于3％，在使用前用孔徑5.0mm的方孔篩篩除大于5mm的顆粒。減水劑采用Sika 3301聚羧酸鹽高效減水劑。
表1 原材料的化學組成 %
1.2 變溫養護方法
變溫養護系統由絕熱溫升儀、養護箱和控制系統組成，利用變溫養護系統來實現所需要的養護溫度制度，圖1為變溫養護系統的示意圖。該系統的工作原理是，在絕熱溫升儀內和混凝土養護箱內都使用溫度傳感器測試溫度，采用溫度變送器實現信號轉換，直接獲得溫度變化曲線，利用溫度變化曲線，通過計算機控制養護箱內的溫度，可以與絕熱溫升測量同步調整混凝土的養護溫度。 混凝土的發熱能力可以用絕熱溫升值來衡量，絕熱溫升值可以認為是混凝土在實際結構中所能達到的溫度上限，因此變溫養護制度的上升段采用絕熱溫升曲線，當達到絕熱溫升穩定期之后，讓養護箱自然散熱，使溫度逐漸下降，以模擬實際結構中混凝土的溫度下降段。變溫養護時，試樣自成型起，放入養護箱中，24h后拆模，并測試相應的強度。待養護箱內的溫度降低到20℃時，把混凝土試樣取出放在標準養護室內繼續養護至規定齡期，測定其抗壓強度。
圖1 變溫養護系統示意圖
1.3 混凝土的配合比
本文對普通混凝土和高強混凝土分別進行了研究，普通混凝土的強度等級為C30，粉煤灰摻量為膠凝材料用量的20%，配合比如表2所示。高強混凝土的強度等級為C80，采用了Metha和Aictin[3]提出的配制高強混凝土的方法。他們認為，為了合理地綜合解決強度、工作性及體積穩定性等問題，混凝土合適的漿體和骨料的體積比應為35：65，按此方法設計的高強混凝土配合比如表3所示。
表2 普通混凝土配合比 / (kg/m3)
表3 高強混凝土配合比 / (kg/m3)
1.4 試驗結果
混凝土的變溫養護曲線如圖2和圖4所示。圖3是普通混凝土抗壓強度隨齡期發展的曲線，FC30組的1d抗壓強度低于C30組，但是3d之后的強度都高于C30組。圖4是高強混凝土抗壓強度隨齡期發展的曲線，FC80組在4d之前的抗壓強度小于C80組，但4d之后的強度均高于C80組。J. Payá[4]研究表明，較高的養護溫度會促進粉煤灰的反應程度，對強度的貢獻不可忽略。江京平[5]測試了四種摻粉煤灰的大體積結構內部混凝土的抗壓強度，認為大體積混凝土內部溫升對摻粉煤灰混凝土強度增長有利。王甲春[6]的研究表明，高溫養護條件下，普通混凝土、高強度混凝土和大摻量粉煤灰混凝土的早齡期抗壓強度明顯高于標準養護條件下的抗壓強度。結合本文的試驗結果，可以得出結論，溫度是影響混凝土強度發展的重要因素，在檢測評價混凝土強度時應重點考慮；當實際構件內部溫度較高時，摻入一定量粉煤灰的混凝土早期強度并不降低，并且其后期強度也較高。
張慶歡[7]研究了養護溫度對漿體化學結合水量的影響，研究發現，養護溫度升高，純水泥試樣和摻粉煤灰的試樣的3d化學結合水量較標準養護均有所提高，說明高溫養護促進了膠凝材料的水化反應。從大摻量粉煤灰試驗組的結合水量發展曲線上能較為明顯地觀察到了3d后下降的趨勢，這說明粉煤灰在高溫養護下3d后已經開始消耗Ca(OH)2，即化學活性開始發揮出來。因此，如果構件內的實際溫度較高，則粉煤灰的活性能較早地發揮，混凝土早期的強度就會提高。
2 工程實例
中國國際貿易中心三期A階段工程位于北京市建國門外大街1號國貿中心院內，其主塔樓高330m，地下三層，地上74層。該工程主塔樓基礎底板采用樁筏基礎，混凝土量為22833m3，混凝土強度等級為C45R60，基礎標準厚度為4.5m。為防止溫度應力造成大體積混凝土表面開裂，在混凝土材料方面，采用大摻量粉煤灰混凝土以降低溫升。混凝土的水膠比0.39，砂率0.43，粉煤灰摻量為45.2%，配合比如表4所示。
表4 大摻量粉煤灰混凝土的配合比 / (kg/m3)
為確定基礎在豎直方向的溫度場發展規律，進行了足尺模型試驗，足尺混凝土模型為4.5×4.5×4.5m立方體。為考察不同養護環境下混凝土的強度發展情況，采用了三種不同的養護條件：標準養護條件；溫度匹配養護條件，即把混凝土試塊置于養護箱內，采用水熱蒸汽養護，并實時調整養護溫度，保證與足尺模型中心溫度一致；同條件養護，即把混凝土試塊置于足尺模型試驗現場，上覆塑料薄膜。此外，在足尺模型實時監測至60d時，進行鉆芯取樣，測定芯部抗壓強度，并與三組養護條件下混凝土抗壓強度進行對比。
不同養護條件下抗壓強度發展曲線如圖6所示，從強度發展趨勢來看，溫度匹配養護的混凝土試塊強度增長很快，7d已經達到58.0MPa，而同齡期的同條件養護和標準養護試塊強度均不超過30MPa。60d時對足尺模型進行鉆芯取樣，測得芯部混凝土的抗壓強度為63.7MPa，超過了標準養護和同條件養護60d強度。溫度匹配養護的強度雖然只測到了28d，但14d以后強度增長便很小，因此至少可以判斷，60d的溫度匹配養護強度和鉆芯取樣強度應該很接近。
圖6 抗壓強度發展曲線
由此可見，養護溫度對于混凝土早期強度的影響很大。在實際工程中，構件內部早期的溫度往往高于甚至遠高于標準養護的溫度，因此為準確了解實際構件強度的發展情況，需要重點考慮溫度因素。大摻量的粉煤灰可以降低混凝土內部的溫升，從而降低溫度應力導致開裂的風險；同時，混凝土內部一定的溫升又可以加快粉煤灰混凝土早期的強度發展，使之滿足設計要求。
3 結論
養護溫度對于混凝土強度的發展有重要的影響，檢測評價混凝土強度應重點考慮溫度的影響。構件內部早期的溫度往往高于標準養護的溫度，其早期實際強度高于實驗室標準養護的試件的強度。養護溫度升高能夠使粉煤灰的化學活性較早地發揮出來，從而使粉煤灰混凝土的早期強度提高，在混凝土中摻入粉煤灰并不一定降低其早期強度。
[參考文獻]
[1GunnarMIdorn.Concretedurability&resourceeconomy.ConcreteInternational,1991,13(7):18~23
[2]覃維祖.粉煤灰在混凝土中的應用技術[J].商品混凝土，2006（2）：13~18
[3]P.K.Matha, P.C.Aitin. Principles underlying production of high-performance concrete. Cement and Aggregate[J]. 1990, 12(2):70~78
[4]J. Payá, J. Monzó and M. V. Borrachero. Mechanical treatment of fly ashes: Part IV. Strength development of ground fly ash-cement mortars cured at different temperatures. Cem. Concr. Res., 2000, 30(4): 543~551
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[6]王甲春. 影響混凝土早齡期開裂特性的材料因素研究[D]. 北京: 清華大學，2005
[7]張慶歡. 粉煤灰在復合膠凝材料水化過程中的作用機理[D].北京: 清華大學，2006
