水胶对粉煤灰混凝土徐变性能的影响

水胶对粉煤灰混凝土徐变性能的影响

粉煤灰对混凝土徐变性能影响机理近年来，随着混凝土的追求和高性能化，细矿物混合材料已成为高性能混凝土的不可或缺组成部分之一。其中，最常用的是细磨粉末矿渣和磨损。由于粉煤灰具有活性效应、形态效应和微集料效应,其能够明显提高混凝土的工作性、降低早期水化热、提高耐腐蚀性能,在抵抗各种变形的能力上尤为突出。国内外对粉煤灰混凝土的徐变性能研究较多,从研究的年代以及混凝土的强度来看,这些研究大体可以分为两个阶段,即中、低强度的普通混凝土阶段和高强及高性能混凝土阶段。根据Lohtia、Gsosh、Day、Dhir、Stodola、Alexander和惠荣炎等人的研究,对于中、低强度粉煤灰混凝土而言,粉煤灰影响徐变性能的规律与强度密切相关,当采用等量取代并且水胶比与加载龄期相同时,由于加载时粉煤灰混凝土的强度较基准混凝土低,导致徐变增大;当采用保持工作性相同降低水胶比或者延长加载龄期以求加载时与基准混凝土强度相同时,粉煤灰使混凝土徐变降低。根据吴彬、邹建喜、秦鸿根和李益进等人的研究,对于高强混凝土,即使水胶比相同,同龄期加载,粉煤灰仍使混凝土徐变大大下降。可见,粉煤灰对混凝土徐变性能的影响与混凝土强度密切相关,由于在不同粉煤灰掺量、不同水胶比下混凝土的强度差异较大,因此可以推知粉煤灰对混凝土徐变性能的影响与粉煤灰掺量及水胶比均密切相关。但在以往的研究中,粉煤灰掺量变化对混凝土徐变影响规律尚不系统,水胶比与粉煤灰掺量对混凝土徐变耦合作用的研究尚无报道,因此无法全面揭示粉煤灰影响混凝土徐变的本质规律。徐变是重要和重大土木工程,尤其是预应力结构极为关键的性能之一,一直是粉煤灰能否在桥梁类预应力高性能混凝土中应用的焦点问题。基于此,本文系统地研究了水胶比与粉煤灰掺量对高性能混凝土徐变性能的影响,并结合扫描电镜(Scanningelectronmicroscope,SEM)对粉煤灰与基体界面区的观测和基于纳米压痕技术对粉煤灰和水泥颗粒弹性模量的比较,试分析了粉煤灰掺量和水胶比对高性能混凝土徐变影响的机理。1原材料和试验方法1.1水泥和粉煤灰的化学组成采用华新水泥厂生产的P.II42.5硅酸盐水泥,采用镇江苏源新型建材有限公司生产的苏源牌I级粉煤灰(JGJ28-86),水泥和粉煤灰的化学组成(质量分数)及比表面积见表1。细骨料为赣江河砂,细度模数为2.6,表观密度为2610kg/m3。粗骨料为破碎玄武岩,5～31.5mm连续级配,表观密度为2840kg/m3。减水剂采用苏博特新材料公司生产的聚羧酸高效减水剂,型号JM-PCA,减水率大于30%。1.2混凝土配合比设计在混凝土配合比设计中,粉煤灰掺量(粉煤灰占粉煤灰和水泥总质量的百分率)选定为0、12.5%、25%、40%和60%,水胶比确定为0.31、0.35和0.4。粉煤灰掺量与水胶比完全交叉,参考文献关于高性能混凝土配合比设计原则进行配合比设计,通过调整减水剂用量使混凝土的坍落度为150～180mm。具体配合比、含气量、坍落度、加载龄期及加载时棱柱体强度如表2所示。试件尺寸为100mm×100mm×300mm,其配合比、坍落度及28d棱柱体强度如表2所示。试件标准养护28d后采用弹簧式三杆徐变仪加载,加载值为棱柱体强度的40%,应用机械式应变计测量混凝土的徐变变形,实验室环境为(20±1)℃,相对湿度为(60±5)%。2结果与分析2.1不同水胶比性能混凝土徐变度的变化规律按照国家规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82—85)测试混凝土的徐变度,粉煤灰掺量分别为0、12.5%、25%、40%和60%时不同水胶比高性能混凝土徐变度随加载龄期的变化规律如图1所示。可以看出,在不同粉煤灰掺量下,水胶比对高性能混凝土徐变度的影响规律一致,即水胶比越大,混凝土徐变度越大,这与普通混凝土的徐变规律相同。即,在不同粉煤灰掺量下,降低水胶比均能使混凝土徐变度减小。2.2粉煤灰的用量水胶比分别为0.31、0.35和0.40时不同粉煤灰掺量高性能混凝土的徐变度随加载龄期的变化规律如图2所示。可以看出,总体上,粉煤灰的加入明显抑制了高性能混凝土的徐变。但在不同水胶比下,粉煤灰的对高性能混凝土徐变的抑制程度与影响规律明显不同,水胶比为0.31时,总体上体现出随着粉煤灰掺量越大,其抑制混凝土徐变的能力随之越强的趋势;但是当水胶比为0.4时,混凝土的徐变度随粉煤灰掺量的增加却是先减小而后增加。这说明粉煤灰掺量与水胶比对高性能混凝土徐变性能的影响存在耦合作用。2.3粉煤灰混凝土的徐变度为了分析粉煤灰掺量与水胶比对高性能混凝土徐变性能的耦合作用,表3列出了不同水胶比不同粉煤灰掺量混凝土加载后365天的徐变度。以不掺粉煤灰混凝土的徐变度为基准,4个掺有粉煤灰(即掺量分别为12.5%、25%、40%和60%)的平均徐变度减小率作为粉煤灰效能系数(表征粉煤灰在这一水胶比下抑制徐变的能力),通过比较不同水胶比的粉煤灰效能系数发现,粉煤灰抑制混凝土徐变度的能力确实与水胶比密切相关,水胶比越小粉煤灰抑制混凝土徐变的能力越强。因此,降低水胶比是控制高掺量粉煤灰高性能混凝土徐变性能的有效途径。3理性分析3.1粉煤灰与水泥石原料的相互作用粉煤灰在水泥基材料中的反应程度较低,在高性能混凝土中水泥的水化程度也不高,因此会有大量的未水化的水泥和粉煤灰颗粒存在于体系之中,由于粉煤灰颗粒与水泥颗粒的力学性能存在差异,必然对水泥基材料的物理、力学性能产生不同程度的影响,研究水泥和粉煤灰颗粒的力学性能对于揭示粉煤灰对水泥基材料性能影响机理具有重要意义,尤其对于深入研究微颗粒的“微集料效应”大有裨益。赵庆新等利用纳米压痕技术测试了水泥和粉煤灰颗粒的弹性模量,具体的测量方法见文献。可以看出,在该试验中粉煤灰颗粒弹性模量大约为水泥颗粒弹性模量的2倍,从而,其可通过发挥“微集料效应”抑制混凝土的徐变。不过,微集料能够抑制混凝土变形的前提是其能够与基体牢固的结合在一起,如果这些微集料孤立的存在于体系之中,“微集料效应”便难以发挥,并且可能带来负面效应,因此粉煤灰“微集料”效应的发挥程度同其与水泥石基体间的结合密切相关。所以,下文将对粉煤灰与基体的界面结合情况进行详细分析。3.2粉煤灰的sem形貌采用0.31和0.40的水胶比制备粉煤灰掺量分别为25%、40%和60%的水泥净浆,用20mm×20mm×80mm的模具成型,标准养护90d后,取出试件并剖断,经过抽真空和喷金处理后,在SEM下观察剖断面形貌,如图3、图4所示。对比不同水胶比不同粉煤灰掺量下净浆的SEM形貌,当水胶比为0.40、粉煤灰掺量为25%时,粉煤灰的界面区较为致密,强度较高,破坏几乎不从界面区发生。但是当粉煤灰掺量增加为40%和60%时,可观测到一些粉煤灰界面区的破坏情况,但粉煤灰的二次水化产物与其结合紧密,破坏基本发生在粉煤灰的水化产物之外,即粉煤灰带着二次水化产物从基体中脱离。当水胶比为0.31时,所有粉煤灰掺量下的界面结合均很致密,各粉煤灰掺量下其与基体的界面结合较0.40的情况明显增强。3.3粉煤灰与抗体的界面结合通过以上试验观测分析,可以看出,当水胶比为0.31时,各掺量下粉煤灰与基体的结合良好,能够有效发挥“微集料效应”抑制混凝土的徐变。但是当水胶比为0.40时,粉煤灰掺量为25%的混凝土中粉煤灰与基体结合良好,同样能够有效发挥“微集料效应”抑制混凝土的徐变;然而,粉煤灰掺量为40%和60%的混凝土中粉煤灰与基体结合明显变差,其“微集料效应”不能正常发挥,从而,相对于粉煤灰掺量为25%时的情况其徐变度大大增加。根据以上分析,粉煤灰掺量和水胶比影响混凝土徐变的机理为:粉煤灰颗粒的弹性模量较高,因此可通过发挥“微集料效应”抑制混凝土的徐变,但“微集料效应”的发挥程度受到粉煤灰与基体界面结合情况的影响。水胶比越小,界面结合情况越好,粉煤灰抑制混凝土徐变的能力越强;水胶比较大时,粉煤灰与基体界面结合情况变差,“微集料效应”的发挥程度受到粉煤灰与基体界面结合情况的影响而削弱,粉煤灰掺量较高时这种效应更加显著。4不同水胶比的粉煤灰抑制混凝土徐变性能(1)与普通混凝土的徐变规律类似,在各种粉煤灰掺量下,水胶比越大,高性能混凝土的徐变度越大,减小水胶比能使混凝土徐变度显著下降。(2)总体上,粉煤灰的加入明显抑制了高性能混凝土的徐变,但在不同水胶比下,粉煤灰对高性能混凝土徐变的抑制程度与影响规律明显不同,这说明粉