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水膠對(duì)粉煤灰混凝土徐變性能的影響
粉煤灰對(duì)混凝土徐變性能影響機(jī)理近年來(lái),隨著混凝土的追求和高性能化,細(xì)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(xì)磨粉末礦渣和磨損。由于粉煤灰具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng),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(guó)內(nèi)外對(duì)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(qiáng)度來(lái)看,這些研究大體可以分為兩個(gè)階段,即中、低強(qiáng)度的普通混凝土階段和高強(qiáng)及高性能混凝土階段。根據(jù)Lohtia、Gsosh、Day、Dhir、Stodola、Alexander和惠榮炎等人的研究,對(duì)于中、低強(qiáng)度粉煤灰混凝土而言,粉煤灰影響徐變性能的規(guī)律與強(qiáng)度密切相關(guān),當(dāng)采用等量取代并且水膠比與加載齡期相同時(shí),由于加載時(shí)粉煤灰混凝土的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土低,導(dǎo)致徐變?cè)龃?當(dāng)采用保持工作性相同降低水膠比或者延長(zhǎng)加載齡期以求加載時(shí)與基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度相同時(shí),粉煤灰使混凝土徐變降低。根據(jù)吳彬、鄒建喜、秦鴻根和李益進(jìn)等人的研究,對(duì)于高強(qiáng)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?jiàn),粉煤灰對(duì)混凝土徐變性能的影響與混凝土強(qiáng)度密切相關(guān),由于在不同粉煤灰摻量、不同水膠比下混凝土的強(qiáng)度差異較大,因此可以推知粉煤灰對(duì)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(guān)。但在以往的研究中,粉煤灰摻量變化對(duì)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(duì)混凝土徐變耦合作用的研究尚無(wú)報(bào)道,因此無(wú)法全面揭示粉煤灰影響混凝土徐變的本質(zhì)規(guī)律。徐變是重要和重大土木工程,尤其是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵的性能之一,一直是粉煤灰能否在橋梁類預(yù)應(yīng)力高性能混凝土中應(yīng)用的焦點(diǎn)問(wèn)題?;诖?本文系統(tǒng)地研究了水膠比與粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土徐變性能的影響,并結(jié)合掃描電鏡(Scanningelectronmicroscope,SEM)對(duì)粉煤灰與基體界面區(qū)的觀測(cè)和基于納米壓痕技術(shù)對(duì)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(duì)高性能混凝土徐變影響的機(jī)理。1原材料和試驗(yàn)方法1.1水泥和粉煤灰的化學(xué)組成采用華新水泥廠生產(chǎn)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(chǎn)的蘇源牌I級(jí)粉煤灰(JGJ28-86),水泥和粉煤灰的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及比表面積見(jiàn)表1。細(xì)骨料為贛江河砂,細(xì)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(jí)配,表觀密度為2840kg/m3。減水劑采用蘇博特新材料公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,型號(hào)JM-PCA,減水率大于30%。1.2混凝土配合比設(shè)計(jì)在混凝土配合比設(shè)計(jì)中,粉煤灰摻量(粉煤灰占粉煤灰和水泥總質(zhì)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(xiàn)關(guān)于高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原則進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),通過(guò)調(diào)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(shí)棱柱體強(qiáng)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(qiáng)度如表2所示。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后采用彈簧式三桿徐變儀加載,加載值為棱柱體強(qiáng)度的40%,應(yīng)用機(jī)械式應(yīng)變計(jì)測(cè)量混凝土的徐變變形,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為(20±1)℃,相對(duì)濕度為(60±5)%。2結(jié)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(guó)家規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82—85)測(cè)試混凝土的徐變度,粉煤灰摻量分別為0、12.5%、25%、40%和60%時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí),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(qiáng)的趨勢(shì);但是當(dāng)水膠比為0.4時(shí),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(shuō)明粉煤灰摻量與水膠比對(duì)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(duì)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(zhǔn),4個(gè)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(guò)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(shí)與水膠比密切相關(guān),水膠比越小粉煤灰抑制混凝土徐變的能力越強(qiáng)。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(yīng)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(huì)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(xué)性能存在差異,必然對(duì)水泥基材料的物理、力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響,研究水泥和粉煤灰顆粒的力學(xué)性能對(duì)于揭示粉煤灰對(duì)水泥基材料性能影響機(jī)理具有重要意義,尤其對(duì)于深入研究微顆粒的“微集料效應(yīng)”大有裨益。趙慶新等利用納米壓痕技術(shù)測(cè)試了水泥和粉煤灰顆粒的彈性模量,具體的測(cè)量方法見(jiàn)文獻(xiàn)??梢钥闯?在該試驗(yàn)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(guò)發(fā)揮“微集料效應(yīng)”抑制混凝土的徐變。不過(guò),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(jié)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(yīng)”便難以發(fā)揮,并且可能帶來(lái)負(fù)面效應(yīng),因此粉煤灰“微集料”效應(yīng)的發(fā)揮程度同其與水泥石基體間的結(jié)合密切相關(guān)。所以,下文將對(duì)粉煤灰與基體的界面結(jié)合情況進(jìn)行詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90d后,取出試件并剖斷,經(jīng)過(guò)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(duì)比不同水膠比不同粉煤灰摻量下凈漿的SEM形貌,當(dāng)水膠比為0.40、粉煤灰摻量為25%時(shí),粉煤灰的界面區(qū)較為致密,強(qiáng)度較高,破壞幾乎不從界面區(qū)發(fā)生。但是當(dāng)粉煤灰摻量增加為40%和60%時(shí),可觀測(cè)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(chǎn)物與其結(jié)合緊密,破壞基本發(fā)生在粉煤灰的水化產(chǎn)物之外,即粉煤灰?guī)е嗡a(chǎn)物從基體中脫離。當(dāng)水膠比為0.31時(shí),所有粉煤灰摻量下的界面結(jié)合均很致密,各粉煤灰摻量下其與基體的界面結(jié)合較0.40的情況明顯增強(qiáng)。3.3粉煤灰與抗體的界面結(jié)合通過(guò)以上試驗(yàn)觀測(cè)分析,可以看出,當(dāng)水膠比為0.31時(shí),各摻量下粉煤灰與基體的結(jié)合良好,能夠有效發(fā)揮“微集料效應(yīng)”抑制混凝土的徐變。但是當(dāng)水膠比為0.40時(shí),粉煤灰摻量為25%的混凝土中粉煤灰與基體結(jié)合良好,同樣能夠有效發(fā)揮“微集料效應(yīng)”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(jié)合明顯變差,其“微集料效應(yīng)”不能正常發(fā)揮,從而,相對(duì)于粉煤灰摻量為25%時(shí)的情況其徐變度大大增加。根據(jù)以上分析,粉煤灰摻量和水膠比影響混凝土徐變的機(jī)理為:粉煤灰顆粒的彈性模量較高,因此可通過(guò)發(fā)揮“微集料效應(yīng)”抑制混凝土的徐變,但“微集料效應(yīng)”的發(fā)揮程度受到粉煤灰與基體界面結(jié)合情況的影響。水膠比越小,界面結(jié)合情況越好,粉煤灰抑制混凝土徐變的能力越強(qiáng);水膠比較大時(shí),粉煤灰與基體界面結(jié)合情況變差,“微集料效應(yīng)”的發(fā)揮程度受到粉煤灰與基體界面結(jié)合情況的影響而削弱,粉煤灰摻量較高時(shí)這種效應(yīng)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(duì)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(shuō)明粉
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