水膠對粉煤灰混凝土徐變性能的影響

水膠對粉煤灰混凝土徐變性能的影響

粉煤灰對混凝土徐變性能影響機理近年來，隨著混凝土的追求和高性能化，細礦物混合材料已成為高性能混凝土的不可或缺組成部分之一。其中，最常用的是細磨粉末礦渣和磨損。由于粉煤灰具有活性效應、形態(tài)效應和微集料效應,其能夠明顯提高混凝土的工作性、降低早期水化熱、提高耐腐蝕性能,在抵抗各種變形的能力上尤為突出。國內外對粉煤灰混凝土的徐變性能研究較多,從研究的年代以及混凝土的強度來看,這些研究大體可以分為兩個階段,即中、低強度的普通混凝土階段和高強及高性能混凝土階段。根據Lohtia、Gsosh、Day、Dhir、Stodola、Alexander和惠榮炎等人的研究,對于中、低強度粉煤灰混凝土而言,粉煤灰影響徐變性能的規(guī)律與強度密切相關,當采用等量取代并且水膠比與加載齡期相同時,由于加載時粉煤灰混凝土的強度較基準混凝土低,導致徐變增大;當采用保持工作性相同降低水膠比或者延長加載齡期以求加載時與基準混凝土強度相同時,粉煤灰使混凝土徐變降低。根據吳彬、鄒建喜、秦鴻根和李益進等人的研究,對于高強混凝土,即使水膠比相同,同齡期加載,粉煤灰仍使混凝土徐變大大下降?？梢?粉煤灰對混凝土徐變性能的影響與混凝土強度密切相關,由于在不同粉煤灰摻量、不同水膠比下混凝土的強度差異較大,因此可以推知粉煤灰對混凝土徐變性能的影響與粉煤灰摻量及水膠比均密切相關。但在以往的研究中,粉煤灰摻量變化對混凝土徐變影響規(guī)律尚不系統(tǒng),水膠比與粉煤灰摻量對混凝土徐變耦合作用的研究尚無報道,因此無法全面揭示粉煤灰影響混凝土徐變的本質規(guī)律。徐變是重要和重大土木工程,尤其是預應力結構極為關鍵的性能之一,一直是粉煤灰能否在橋梁類預應力高性能混凝土中應用的焦點問題?；诖?本文系統(tǒng)地研究了水膠比與粉煤灰摻量對高性能混凝土徐變性能的影響,并結合掃描電鏡(Scanningelectronmicroscope,SEM)對粉煤灰與基體界面區(qū)的觀測和基于納米壓痕技術對粉煤灰和水泥顆粒彈性模量的比較,試分析了粉煤灰摻量和水膠比對高性能混凝土徐變影響的機理。1原材料和試驗方法1.1水泥和粉煤灰的化學組成采用華新水泥廠生產的P.II42.5硅酸鹽水泥,采用鎮(zhèn)江蘇源新型建材有限公司生產的蘇源牌I級粉煤灰(JGJ28-86),水泥和粉煤灰的化學組成(質量分數(shù))及比表面積見表1。細骨料為贛江河砂,細度模數(shù)為2.6,表觀密度為2610kg/m3。粗骨料為破碎玄武巖,5～31.5mm連續(xù)級配,表觀密度為2840kg/m3。減水劑采用蘇博特新材料公司生產的聚羧酸高效減水劑,型號JM-PCA,減水率大于30%。1.2混凝土配合比設計在混凝土配合比設計中,粉煤灰摻量(粉煤灰占粉煤灰和水泥總質量的百分率)選定為0、12.5%、25%、40%和60%,水膠比確定為0.31、0.35和0.4。粉煤灰摻量與水膠比完全交叉,參考文獻關于高性能混凝土配合比設計原則進行配合比設計,通過調整減水劑用量使混凝土的坍落度為150～180mm。具體配合比、含氣量、坍落度、加載齡期及加載時棱柱體強度如表2所示。試件尺寸為100mm×100mm×300mm,其配合比、坍落度及28d棱柱體強度如表2所示。試件標準養(yǎng)護28d后采用彈簧式三桿徐變儀加載,加載值為棱柱體強度的40%,應用機械式應變計測量混凝土的徐變變形,實驗室環(huán)境為(20±1)℃,相對濕度為(60±5)%。2結果與分析2.1不同水膠比性能混凝土徐變度的變化規(guī)律按照國家規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82—85)測試混凝土的徐變度,粉煤灰摻量分別為0、12.5%、25%、40%和60%時不同水膠比高性能混凝土徐變度隨加載齡期的變化規(guī)律如圖1所示?？梢钥闯?在不同粉煤灰摻量下,水膠比對高性能混凝土徐變度的影響規(guī)律一致,即水膠比越大,混凝土徐變度越大,這與普通混凝土的徐變規(guī)律相同。即,在不同粉煤灰摻量下,降低水膠比均能使混凝土徐變度減小。2.2粉煤灰的用量水膠比分別為0.31、0.35和0.40時不同粉煤灰摻量高性能混凝土的徐變度隨加載齡期的變化規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯?總體上,粉煤灰的加入明顯抑制了高性能混凝土的徐變。但在不同水膠比下,粉煤灰的對高性能混凝土徐變的抑制程度與影響規(guī)律明顯不同,水膠比為0.31時,總體上體現(xiàn)出隨著粉煤灰摻量越大,其抑制混凝土徐變的能力隨之越強的趨勢;但是當水膠比為0.4時,混凝土的徐變度隨粉煤灰摻量的增加卻是先減小而后增加。這說明粉煤灰摻量與水膠比對高性能混凝土徐變性能的影響存在耦合作用。2.3粉煤灰混凝土的徐變度為了分析粉煤灰摻量與水膠比對高性能混凝土徐變性能的耦合作用,表3列出了不同水膠比不同粉煤灰摻量混凝土加載后365天的徐變度。以不摻粉煤灰混凝土的徐變度為基準,4個摻有粉煤灰(即摻量分別為12.5%、25%、40%和60%)的平均徐變度減小率作為粉煤灰效能系數(shù)(表征粉煤灰在這一水膠比下抑制徐變的能力),通過比較不同水膠比的粉煤灰效能系數(shù)發(fā)現(xiàn),粉煤灰抑制混凝土徐變度的能力確實與水膠比密切相關,水膠比越小粉煤灰抑制混凝土徐變的能力越強。因此,降低水膠比是控制高摻量粉煤灰高性能混凝土徐變性能的有效途徑。3理性分析3.1粉煤灰與水泥石原料的相互作用粉煤灰在水泥基材料中的反應程度較低,在高性能混凝土中水泥的水化程度也不高,因此會有大量的未水化的水泥和粉煤灰顆粒存在于體系之中,由于粉煤灰顆粒與水泥顆粒的力學性能存在差異,必然對水泥基材料的物理、力學性能產生不同程度的影響,研究水泥和粉煤灰顆粒的力學性能對于揭示粉煤灰對水泥基材料性能影響機理具有重要意義,尤其對于深入研究微顆粒的“微集料效應”大有裨益。趙慶新等利用納米壓痕技術測試了水泥和粉煤灰顆粒的彈性模量,具體的測量方法見文獻。可以看出,在該試驗中粉煤灰顆粒彈性模量大約為水泥顆粒彈性模量的2倍,從而,其可通過發(fā)揮“微集料效應”抑制混凝土的徐變。不過,微集料能夠抑制混凝土變形的前提是其能夠與基體牢固的結合在一起,如果這些微集料孤立的存在于體系之中,“微集料效應”便難以發(fā)揮,并且可能帶來負面效應,因此粉煤灰“微集料”效應的發(fā)揮程度同其與水泥石基體間的結合密切相關。所以,下文將對粉煤灰與基體的界面結合情況進行詳細分析。3.2粉煤灰的sem形貌采用0.31和0.40的水膠比制備粉煤灰摻量分別為25%、40%和60%的水泥凈漿,用20mm×20mm×80mm的模具成型,標準養(yǎng)護90d后,取出試件并剖斷,經過抽真空和噴金處理后,在SEM下觀察剖斷面形貌,如圖3、圖4所示。對比不同水膠比不同粉煤灰摻量下凈漿的SEM形貌,當水膠比為0.40、粉煤灰摻量為25%時,粉煤灰的界面區(qū)較為致密,強度較高,破壞幾乎不從界面區(qū)發(fā)生。但是當粉煤灰摻量增加為40%和60%時,可觀測到一些粉煤灰界面區(qū)的破壞情況,但粉煤灰的二次水化產物與其結合緊密,破壞基本發(fā)生在粉煤灰的水化產物之外,即粉煤灰?guī)е嗡a物從基體中脫離。當水膠比為0.31時,所有粉煤灰摻量下的界面結合均很致密,各粉煤灰摻量下其與基體的界面結合較0.40的情況明顯增強。3.3粉煤灰與抗體的界面結合通過以上試驗觀測分析,可以看出,當水膠比為0.31時,各摻量下粉煤灰與基體的結合良好,能夠有效發(fā)揮“微集料效應”抑制混凝土的徐變。但是當水膠比為0.40時,粉煤灰摻量為25%的混凝土中粉煤灰與基體結合良好,同樣能夠有效發(fā)揮“微集料效應”抑制混凝土的徐變;然而,粉煤灰摻量為40%和60%的混凝土中粉煤灰與基體結合明顯變差,其“微集料效應”不能正常發(fā)揮,從而,相對于粉煤灰摻量為25%時的情況其徐變度大大增加。根據以上分析,粉煤灰摻量和水膠比影響混凝土徐變的機理為:粉煤灰顆粒的彈性模量較高,因此可通過發(fā)揮“微集料效應”抑制混凝土的徐變,但“微集料效應”的發(fā)揮程度受到粉煤灰與基體界面結合情況的影響。水膠比越小,界面結合情況越好,粉煤灰抑制混凝土徐變的能力越強;水膠比較大時,粉煤灰與基體界面結合情況變差,“微集料效應”的發(fā)揮程度受到粉煤灰與基體界面結合情況的影響而削弱,粉煤灰摻量較高時這種效應更加顯著。4不同水膠比的粉煤灰抑制混凝土徐變性能(1)與普通混凝土的徐變規(guī)律類似,在各種粉煤灰摻量下,水膠比越大,高性能混凝土的徐變度越大,減小水膠比能使混凝土徐變度顯著下降。(2)總體上,粉煤灰的加入明顯抑制了高性能混凝土的徐變,但在不同水膠比下,粉煤灰對高性能混凝土徐變的抑制程度與影響規(guī)律明顯不同,這說明粉