摘要: 粉煤灰和膨脹劑同時摻加配制的補償收縮混凝土得到廣泛應用，那么粉煤灰對這樣的補償收縮混凝土的性能具有怎樣的影響?本文研究在粉煤灰不同摻量條件下的水化熱、常溫和高溫下的膨脹性能、力學性能和耐久性能。探討混凝土設計的有關問題及工程應用實例。
關鍵詞： 粉謀灰 膨脹劑 補償收縮混凝土 水化熱 養護制度 膨脹 耐久性
一、前言
高性能混凝土的出現加強了人們對粉煤灰(FA)的應用進行重新認識，粉煤灰對混凝土(尤其對貧混凝土)工作性能的影響人們認識較充分，尤其還具有良好的經濟效益。粉煤灰的高值利用也將為環保和建材的可持續發展具有重要意義
隨著國民經濟的快速發展，大型構筑物的建設尤其地下防水工程不斷增多，這類工程往往又是超長超厚混凝土結構，混凝土標號也高，一般為C40~C50混凝土。要解決許多技術問題，比如①抗裂抗滲;②如何降低水化熱;③如何解決超長超厚混凝土結構的開裂等。除了工程設計上應該注意的問題外，從材料方面現主要使用粉煤灰和膨脹劑配制補償收縮混凝土，由于工程中經常出現一些問題，因此有必要進行深人研究。
2 試驗材料與試驗方法
2.1試驗材料
水泥：山東水泥廠的P.0 42.5;中國建材院基準水泥。
粉煤灰：濟寧電廠的U級灰，其化學成分和物理性能見表1
表1 FA的化學成分及物理性能
|
化學成分（%） |
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 |
膨脹劑：山東建筑科學研究院外加劑廠生產的PNC，符合J C 476-2001。
泵送劑：山東建筑科學研究院外加劑廠生產的泵送劑FNC，符合JC 473-2001,摻1.5%~2%，減水率大于巧%。
砂：泰安河砂，細度模數為2.78，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 440 kg/m3 。
石子：5 m~25 mm碎石，壓碎指標值為12.5%，表觀密度為2 710 kg/m3，堆積密度為1380 kg/m3 。
2.2 實驗方法
主要依據下列標準規范試驗:
混凝土膨脹劑J C 476-2001;混凝土外加劑應用技術規范GBJ 119;普通混凝土力學性能試驗方法GBJ 81;普通混凝土長期性能試驗方法GBJ 82;水泥水化熱試驗方法GB 2022。
粉煤灰和膨脹劑在所有試驗中都采用內摻法，按等量替代水泥率來計算。
3 試驗結果與分析
3.1 水泥水化熱
粉煤灰和膨脹劑同時摻和，充分利用“疊加效應”，可大幅度降低水化熱。參照水泥水化熱試驗方法試驗，結果見表2
表2 水化熱
|
膠結材B（%） |
FNC（%） |
熱峰出現時間（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 |
由表2可見，只摻加8%~10% PNC，水化熱峰出現的時間推遲1.5 h~2 h，水化熱降低9%~10%;摻加20%~30%FA和8%~10 %PNC，水化熱峰出現的時間推遲3.5 h~7.5 h，水化熱3d降低17%~27%，總水化熱降低15%~29%;同時摻加20%~30 % FA, 8%~10%PNC和2 % FNC，水化熱峰出現的時間推遲26.5 h~42.5 h，水化熱3d降低23%~41%，總水化熱降低23%~31%。粉煤灰和膨脹劑同時使用，可推遲水溫溫升峰值出現的時間，并且能降低早期和總的水化熱，這樣就較易控制混凝土內部溫升，控制混凝土內外溫差，膨脹劑的膨脹作用可補償混凝土的后期冷縮和干縮，降低溫度拉應力，達到防止混凝土開裂的目的。
3.2 膨脹率
3.2.1 養護制度對膨脹率的影響
對于大體積混凝土，特別是高標號超厚混凝土，一般水泥用量較高，水泥水化熱溫升既快又高，再加上不易散熱，因此混凝土內部溫度很高，有時高達80℃左右。這類工程雖然常使用同時摻加膨脹劑和粉煤灰的補償收縮混凝土，但在夏季施工還是有可能出現混凝土內部溫升高達80℃的情況的，那么這時混凝土的補償收縮性能又如何呢?
我們設計最高溫度為60℃士1℃和80℃土1℃的養護制度對摻加膨脹劑和粉煤灰的膠砂按JC 476-2001的試驗方法進行試驗。膨脹劑和粉煤灰都是內滲法，在試驗室成型1:2:0.4的膠砂試件，當試件強度達到10 MPa士2 MPa后拆摸，測量試件的初始長度后放人30士1℃ 水中，按制定的養護制度進行養護.7天后測膨脹值。結果見表3
表 3 養護制度對膠砂性能的影響
|
膠凝材B（%） |
膨脹率（%） |
7d抗壓強度（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1.5d,以后每0.5d降10℃，至20℃后一直養護到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 |
| |
由表3可見:對于不摻粉煤灰只摻加膨脹劑的膠砂，在這兩種養護制度下7d的限制膨脹率都和JC 476-2001規定的試驗條件下水養7d的膨脹率差不多，都在0.04%左右;而摻加粉煤灰后，7d的膨脹率顯著減少，在最高養護溫度80℃11℃時減小的幅度更大，但干縮落差明顯減小，有利于發揮補償收縮作用;同時還可以看出，同時摻加粉煤灰和膨脹劑的膠砂(1:2:0.40)強度7d就比只摻加膨脹劑的高。
只摻加膨脹劑的砂膠高溫下膨脹率不降低，可以認為膠砂試件在水中養護(水充分)短時間內持續80℃，不會造成鈣礬石分解。而同時摻粉煤灰和膨脹劑使膨脹率降低，則強度有所提高，可能由于在高溫下粉煤灰的活性能快速被激發，消耗掉硫酸根和Ca(OH)2，從而減少能產生膨脹的鈣礬石的生成，而加速了穩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，生成大量的水化產物，可以認為即使膨脹率降低也能獲得很密實的混凝土結構，對于材料本身防水可以說問題不大。但是，對于超長結構，還是應合理選擇膨脹劑的摻量來提高混凝土的膨脹率，以期達到補償收縮防止開裂的目的。
3.2.2 混凝土膨脹率
對于不同粉煤灰摻加量(等量替換水泥)，按GBJ 119的試驗方法進行補償收縮性能試驗。本次試驗都是高流態混凝土，結果見表4
表 4 混凝土補償收縮性能
|
膠結材B（%） |
W/B |
坍落度(mm) |
抗壓強度（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 |
注:配比膠凝材料總量 B為450 kg/m3砂率為0.40;都摻2%FNC
由表4可見:①14 d膨脹率都大于1.5x10-4 (GBJ 119要求)，并且14d以后膨脹基本穩定;②在20士3℃, 60士5%R.H空氣中養護180 d膨脹率都是正值;③在膨脹劑摻加量相同的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹率逐漸減小;④粉煤灰都摻加20%的情況下，隨著膨脹劑摻量的增加，膨脹率增大。
粉煤灰和膨脹劑復合使用，粉煤灰在硫酸鹽和堿性條件下能表現出很好的火山灰反應，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，使漿體液相的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量的Ca(OH)2的條件下生成的鈣礬石往往以粗柱狀形式結晶，表現出較差的膨脹性能。
隨著粉煤灰的火山灰反應的不斷進行，生成大量的膠凝性質的穩定的水化硅酸鈣凝膠，進一步填充和堵塞孔隙，改善了孔結構和孔的分布，使混凝土結構更加密實，表現出相對較小的膨脹落差，以及后期混凝土具有較高的強度增長率。
3.3 強度和力學性能
表 5 混凝土強度
|
膠結材B（%） |
W/B |
坍落度(mm) |
抗壓強度（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 |
注:膠結材總量為450 kg/m3砂率為0.40;都摻1.5%FNC
由表4, 5可見，在補償收縮混凝土里用粉煤灰等量替換水泥，其28 d強度要降低，取代率為30%時28 d的強度降低的較多;替換率為10%~20%時.雖然28 d強度有所降低，但后期降低較少，可采用60 d或90 d強度作為設計強度進行設計，否則要相應提高膠凝材料的總用量。如表5，按28 d強度考慮，當膠凝材料總量為450 kg/m3，內摻10%膨脹劑時，可配制C50混凝土，而同時再用粉煤灰等量替換10%~20%的水泥，則只能按C40混凝土考慮，因為試配設計要有足夠的富裕強度。
由表6可見，同時內摻粉煤灰、膨脹劑和泵送劑與基準混凝土相比，具有較高的力學性能。
表6 混凝土力學性能
|
膠結材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 |
3.4 耐久性
質量好的粉煤灰具有“火山灰效應”、“微集料效應”、“減水效應”及“比重效應”等綜合作用，再和膨脹劑同時復合使用配制混凝土，能改善混凝土的孔結構，同時具有良好的孔級配，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構，增加了混凝土結構的密實度，因此提高了混凝土的耐久性。
3.4.1 抗滲
膠凝材料總量為450 kg/m3，內摻20%FA, 10%PNC和1.5%FNC的混凝土，其抗滲壓力為3.6 MPa，持續一天后，將試件劈開測滲水高度，只有15mm~35 mm，最高滲水高度的平均值為27 mm。可見混凝土具有非常好的抗滲透能力。
3.4.2 抗碳化
標準碳化箱進行碳化試驗，28 d齡期，基準混凝土碳化深度為6.0 mm；內摻30 % FA和2%FNC時，碳化深度為8.5 mm；而同時摻加30%FA, 10%PNC和2 %FNC時，碳化深度為8.3 mm。可見膨脹劑對粉煤灰混凝土的碳化深度不增加。
一般認為，混凝土的密實度與堿度是影響混凝土碳化的二個最重要的因素。粉煤灰和膨脹劑同時使用，雖然漿體的堿度降低了，但由于混凝土的結構更加密實，較單摻粉煤灰混凝土的碳化實際上會有所改善。由于空氣中的以CO2濃度非常小，較標準碳化箱中CO2濃度低近700倍，因此在實際工程中，混凝土的密度對碳化的影響程度會遠大于堿度的影響。因此，在實際中不會出現碳化速度很快而影響混凝土的耐久性。
3.4.3 鋼筋銹蝕
將Ф16 mm x 50 mm的光面鋼筋段埋人內摻20 % FA和10 %PNC混凝土中，180天破型觀察，鋼筋表面光滑如初，未發現銹點。混凝土密實度的增加，內部界面結構的改善，有利于對鋼筋的保護作用。
4 工程應用
4.1 混凝土設計的幾點體會
摻加粉煤灰的混凝土，尤其同時摻加粉煤灰和膨脹劑的混凝土后期強度增長較大，根據上面的試驗結果可知，60 d較28 d齡期的強度要增長10 MPa以上，雖然《粉煤灰混凝土應用技術規程》GBJ 146-90中講，混凝土設計強度等級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，但實際工程應用中，一般只考慮28 d齡期。通過試驗研究。我們總結以下幾點:
4.1.1膠凝材料計算
根據經驗確定總膠凝材料用量B，為了充分考慮混凝土的強度和膨脹率，FA和PNC都按等量替換水泥率計算，即:B=C+FA+PNC, FA%= (FA/B) x100%, PNC%= (PNC/B) x100%，泵送劑或減水劑也要以總膠凝材料為基準計算用量，如FNC% = (FNC/B) x100%.
4.1.2 粉煤灰和膨脹劑的摻加量
本文只講粉煤灰按等量替換水泥率來計算。粉煤灰的摻量影響混凝土的水化熱、膨脹率以及早期和28 d齡期的強度，因此要綜合考慮粉煤灰的摻量。如用II粉煤灰配制C40混凝土，粉煤灰替換率可考慮在20%左右，用量在(90~100) kg/m3 .
膨脹劑的摻加量根據使用的工程部位設計要求，以及粉煤灰的摻加量等因素來選擇。薄壁結構，不易保濕養護的部位，如地下室外墻，應具有相對較高的膨脹率，一般限制膨脹率要大于3.0 x 10-4，這時膨脹劑的摻加量相對要提高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，這樣對膨脹率的影響相對小些。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:同時內摻20%FA和10 %PNC的混凝土膨脹率大致與只摻8%PNC相當。
4.1.3 水膠比(W/B)的選擇
對于II粉煤灰，同時摻加FA和PNC的混凝土，可直接考慮按W/B設計，而不去追求W/C多大。一般情況下，水膠比要比用鮑羅米公式計算的水灰比要低0.02~0.04。如:當配制C40混凝土，水灰比為0.40左右時，而內摻20 % FA和10 %PNC則水膠比應控制在0.37左右。這樣才能確保28 d齡期混凝土的設計強度，但若允許考慮60 d或90 d強度，水膠比可適當放大，因內摻20 % FA和10%PNC的混凝土60 d強度較28 d要提高10 MPa以上。
4.1.4 水化熱的計算
對于大體積混凝土在施工前要制定施工方案，為了能更加準確的預計施工過程中水化熱溫升，以便控制溫差，減小溫度應力，控制混凝土開裂，一般情況下要先估算混凝土內部可能達到的最高溫升。
對于同時摻加粉煤灰、膨脹劑和泵送劑配制的混凝土的水化熱如何確定呢?我們根據試驗室大量的試驗和工程實踐總結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，k的取值依據FA, PNC, FNC取代水泥率來確定。只摻8%~10 %PNC，則k =0.92~0.88;同時摻8%~10 %PNC和10%~30 % FA，則k = 0. 9~0.75;同時摻8%~10%PNC, 10%~30% FA和1.5%~.0% FNC，則k=0.80~0.70.
4.2 工程應用舉例
我院混凝土外加劑廠近幾年實際年生產PNC膨脹劑都在15 000噸左右，大量用于各類抗裂、防水抗滲工程，高層建筑的地下室、地下人防工程等都屬于超長超厚混凝土結構，同時摻加優質粉煤灰和膨脹劑配制補償收縮混凝土得到廣泛的應用。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用
|
工程名稱 |
混凝土厚度(m) |
混凝土等級 |
FA(%) |
PNC(%) |
施工時間 |
|
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9#10#樓 |
1.2 |
C40、P8 |
20 |
8 |
1999.8 |
|
濟南中房大廈 |
1.4 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.5 |
|
魯能東興里 |
1.2 |
C40、P12 |
25 |
8 |
2000.8 |
|
濟南市中級法院 |
1.5~2.0 |
C40、C45、P8 |
20 |
10(液化) |
2001.5 |
|
山東農大科技大樓 |
1.3 |
C40、P8 |
20 |
10 |
2001.8 |
|
秦皇島人民廣場 |
|
C35、P8 |
20 |
9(液化) |
2001.9 |
5 結束語
①同時摻加粉煤灰和膨脹劑可大幅度降低混凝土的水化熱，有利于控制溫度應力，減少混凝土開裂。同時摻加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粉煤灰會降低補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℃)養護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60℃~80℃ (本試驗的二種養護制度下)時和20℃時的膨脹率差不多。
③粉煤灰和膨脹劑同時摻和，能改善硬化混凝土的孔結構，使大孔減少微孔增多，使孔級配更加合理，改善混凝土內部界面結構，使混凝土結構更加密實。因此，能大幅度提高混凝土的后期強度，同時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，合理地設計混凝土的配合比，可配制出優質的補償收縮混凝土，有效地解決超長超厚大體積混凝土結構的抗裂防滲。
參考文獻
[1] 沈旦申: 粉煤灰混凝土 北京中國鐵道出版社 1989年
[2] 胡建勤、管斌君、何慶豐 粉煤灰混凝土對混凝土補償收縮性能的影響 混凝土與水泥制品2001 (2)
