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摘要：粉煤灰對混凝土收縮性能影響的研究目前已經很多，但環境溫濕度對收縮性能影響的研究相對較少。為此，針對實際工程所處的高溫高濕高壓環境，選取大體積混凝土原材料，查明這些原材料的物理力學性質。...

不同溫濕度環境粉煤灰混凝土與基準混凝土收縮性能試驗研究

劉志勇

徐州工程學院 江蘇徐州221008

1、工程概況

    徐州礦務集團三河尖煤礦21102工作面曾發生底板突水事故，涌水量穩定在1020m³/h，水溫超過50℃。為治理水害，決定在21102工作面的材料道和運輸道分別施工水閘墻，水閘墻內預埋引水管，實現堵、放相結合的目的。根據徐州礦務集團設計研究院的水閘墻設計，混凝土采用泵送混凝土，設計強度等級為C25，按C28施工。水閘墻段巷道均采用錨噴支護，并采用壁后注漿的方式加固圍巖，壁后注漿終壓為9.00MPa。運輸道和材料道的水閘墻均長64m，縱向分為三部分：里加固段、主體墻段和外加固段，如圖1所示。里加固段長30m，混凝土厚400mm；主體墻段均為多楔倒錐形鋼筋混凝土結構，長為24m，分為3段，僅在混凝土四周和前后布設鋼筋網；外加固段長10m．混凝土厚400mm。運輸道和材料道的水閘墻設計承壓分別為8.32MPa和8.00MPa，兩道水閘墻混凝土澆筑總量約為1772m³。

圖1水閘墻示意圖

2、混凝土原材料的選用

    (1)水泥。采用徐州第二水泥廠生產的32.5級普通硅酸鹽水泥，其技術性能指標見表l。

    (2)粉煤灰。采用徐州華潤粉煤灰開發公司生產的Ⅱ級優質粉煤灰，且采用“等量取代法”取代水泥。粉煤灰質量指標的試驗結果見表2。

    (3)粗細集料。砂采用徐州邳縣產的石英河砂，石子選用徐州漢王采石廠生產的碎石，其篩分析曲線分別如圖2和圖3所示。根據GB/T l4685-93所提供的標準，砂的細度模數Mx=2.40，級配區Ⅱ區，為中砂，碎石為5～31.5的連續級配。

    (4)減水劑。采用南京道鷺建設材料廠生產的 JM一Ⅷ高效減水劑，一般摻量為膠凝材料重量的1．5％～3％，其減水率可達l0％以上。有關物理參數見表3。

    (5)水。拌合用水采用自來水，水質符合《混凝土拌合用水標準》。

表1普通硅酸鹽水泥性能指標

 

表2粉煤灰質量指標試驗結果

質量指標需	細度(0.045mm方孔篩的篩余量)(％)	水量比(％)	燒失量(％)	so3含量(％)	含水量比(％)
試驗結果	ll．2	103	1.98	0．34	0．09

 

表3 JM-Ⅷ高效減水劑物理參數表

3、試驗方案

    本試驗為對比試驗，一方面為粉煤灰混凝土與基準混凝土收縮的對比，為對實際水閘墻工程進行指導，粉煤灰混凝土配方采用與實際工程相同的配方；另一方面為兩種溫濕度環境下收縮的對比，一種是溫度為20±3℃，相對濕度為90％以上的低溫環境，另一種是溫度為60±3℃，相對濕度為90％以上的高溫環境。由于研究的是每個配方在不同環境下的收縮，所以將不同配方、不同環境下的試驗分別進行編號，兩種混凝土配方、兩種養護環境總共需要四個試驗編號，分別用1 1～14四個阿拉伯數字表示，不同試驗號的混凝土配方如表4所示。對于每個試驗號，需要做一組三個收縮試件，對試件分別編號為S— i(S取11～14，i取1、2、3)。

 

    收縮試驗是以l00mm×100mm×515mm的棱柱體試件為標準試件，按表4中不同試驗號的混凝土配方分別打一組三個試件，試件兩端留有埋設測頭的凹槽。然后將試驗號為1 1和12的收縮試件放在溫度為20±3℃、相對濕度為90％以上的標準養護室中養護；將試驗號為l3和14的收縮試件放在溫度為60±3℃、相對濕度為90％以上的沸煮箱內養護。試件在溫濕度不同的各自環境中養護時，均放置在不吸水的擱架上，底面架空，每個試件之間留有不小于30mm的間隙。分別養護2d后拆模，在試件上標相應的記號，并立即用水泥漿粘埋好測頭，已作好標記、埋好測頭的收縮試件如圖4所示。然后再送回原環境養護1d時間(沸煮箱內養護的試件如圖5所示)，取出測定其初始長度。此后按以下規定的時間間隔測量其變形讀數：l、3、7、14、28、45、60、90、120、150d(從測定其初始讀數算起)。

圖5沸煮箱內養護的收縮試件

    試件的變形測量裝置采用混凝土收縮儀，如圖6所示，其測量標距為540mm，裝有精度為0.01mm的百分表，測定中的收縮試件如圖7所示。測量前先用標準桿(長540mm)校正儀表的零點，并在0．5d的測定過程中再復核1～2次(其中一次在全部試件測讀完后)，如復核時發生零點與原值的偏差超過±0.0lmm，調零后重新測定。試件每次在收縮儀上放置的位置、方向均保持一致，試件在放置及取出時均做到輕穩，以免碰撞表架及表桿，如發生碰撞，則取下試件，重新以標準桿復核零點。

 

    εst為試驗期為t時的混凝土收縮值，t從測定初始長度時算起；Lb為試件的測量標距，等于兩測頭內側的距離，即等于混凝土試件的長度(不計測頭凸出部分)減去二倍測頭埋入深度(mm)；Lo為試件長度的初始讀數(mm)；Lt為試件在試驗周期為t時測得的長度讀數(mm)。

    試驗結果取一組三個試件的算術平均值，計算精確到l×10-6

4、試驗結論

    通過對不同試驗期混凝土收縮試件的長度進行測量，得到不同試驗期收縮試件的長度值，然后將所測得試驗數據代人混凝土收縮應變計算公式εst=(Lo-Lt) ：Lb，即可得到不同試驗期t時的混凝土收縮應變εst。

    為了更好地分析粉煤灰和不同養護環境對混凝土收縮性能影響的規律，現把上述11～l4四個試驗編號分別改為FD、JD、FG、JG(F和J分別表示粉煤灰混凝土和基準混凝土，D和G分別表示低溫和高溫環境)，然后取每個試驗號一組三個試件收縮值的算術平均值進行分析，以齡期為橫坐標，以該平均值為縱坐標，得到不同配方及不同養護條件下混凝土收縮應變曲線，如圖8所示。

圖8不同配方及不同養護條件下混凝土收縮應變曲線

    由圖8混凝土的收縮應變曲線可知，不同配方及不同養護條件下混凝土的收縮應變曲線均呈上升趨勢，說明混凝土的收縮隨時問的增長而加大，前期收縮較快，隨著時間的增長，收縮越來越慢。

    具體來說，由圖中可以得出以下五點結論：

    (1)對于相同的養護環境，粉煤灰混凝土的收縮明顯小于基準混凝土的收縮。

    (2)對于相同的混凝土配方，前期低溫養護收縮較小，高溫養護收縮較大；后期低溫養護的還在繼續收縮，不過收縮速率減小，高溫養護的基本上不再收縮，收縮值已經穩定下來。在150d齡期時，高溫養護的收縮值大于低溫養護的收縮值，但還是比較接近的。

    (3)在相對濕度相同的情況下，低溫養護的收縮試件，整個測試時問內都在收縮，前期收縮速率較大，后期收縮速率減慢，由曲線的發展趨勢可知，在150d齡期時收縮值還沒有穩定下來；然而高溫養護的收縮試件，只在前60d齡期內有所收縮，60d齡期之后收縮值基本上穩定下來。

    (4)環境的溫濕度對混凝土的性能有著重要的影響，故在做材料試驗時，一定要實時檢測環境溫濕度的變化。粉煤灰混凝土在特殊溫濕度環境下的研究，為如何研究材料在特殊環境下的性能積累了一定的經驗。

    (5)粉煤灰混凝土與基準混凝土在不同溫濕度環境下的收縮性能差異規律，對實際水閘墻工程施工具有重要的指導價值。

5、原因分析

    首先來看混凝土的收縮機理，一般認為，混凝土的收縮是由水泥凝膠體本身的體積收縮(即所謂的凝縮)和混凝土失水產生的體積收縮(即所謂的干縮)這兩部分組成的，因此，凡是能夠影響這兩部分變形的因素都將對混凝土的收縮產生影響。影響凝縮的因素主要是混凝土中水泥用量。但混凝土的收縮絕大部分是由干縮引起的，一方面，它與混凝土的水膠比或用水量有關。在其他條件一致的情況下，混凝土的水膠比越低，用水量越少，收縮也就越低。另一方面，混凝土的收縮還與水在混凝土中的存在形式有關。如果混凝土中的水存在于較大的孔隙中，水分失去不會引起混凝土較大的體積收縮；如果混凝土中的水存在于較小的毛細孔中，這些水分的失去將產生較大的毛細管張力，引起較大的收縮。

    粉煤灰的摻入，等量取代了部分水泥，減少了混凝土的單方水泥用量，降低了水泥的化學減縮程度，也就減少了水泥凝膠體本身的體積收縮，即減少了凝縮。同時，粉煤灰由于火山灰效應生成了大量CSH凝膠，填充了原有水泥石子結構孔隙，相應補償了HTL隙失水而產生的部分干縮。另外，粉煤灰顆粒的微集料效應亦能在一定程度上抑制混凝土的收縮。本對比試驗采用“等量取代法”取代水泥，且其摻量高達30％。大大降低水泥的化學減縮程度。由粉煤灰質量指標的試驗結果表2可知，所用粉煤灰為Ⅱ級優質粉煤灰，后期的火山灰效應更加明顯，顆粒的微集料效應也較為突出。另外，粉煤灰混凝土強度等級為C28，強度相對較低，也在一定程度上有利于粉煤灰抑制混凝土的收縮。因此，本試驗中，在相同的養護條件下，粉煤灰混凝土的收縮小于基準混凝土的收縮。

    溫度和相對濕度是影響混凝土收縮最主要的外界因素之一，這主要是因為在不同溫濕度養護條件下，混凝土內部結構形成與破壞的狀態不同。本收縮試驗的兩種溫濕度環境，相對濕度幾乎相同，均在90％以上，所不同的只是溫度。對于相同的混凝土配方，在這么高的相對濕度下，無論環境溫度是高還是低，混凝土與周圍介質的濕交換都不是很劇烈，這樣，存在于較小的毛細孔中的水就不容易蒸發出去，就不會產生較大的毛細管張力，也就不會引起較大的收縮。

    只不過，溫度高的，水泥的各種化學反應進行的都較快，水泥凝膠體本身的體積收縮即凝縮也就較快，同時，混凝土與周圍介質的濕交換也較快，混凝土失水產生的體積收縮即干縮也就較快，因而前期收縮速率較大；但很快水泥的各種化學反應幾乎進行完畢，混凝土孔隙中能失去的水分也幾乎散失完畢，這樣收縮值就穩定下來。而溫度低的，水泥的各種化學反應進行的都較慢，水泥凝膠體本身的體積收縮即凝縮也就較慢，同時，混凝土與周圍介質的濕交換也比較慢，混凝土失水產生的體積收縮即干縮也就較慢，因而前期收縮速率不是很大，但隨著水泥各種化學反應速率的逐漸減慢，混凝土與周圍介質的濕交換也逐漸在減慢，混凝土的收縮也逐漸減慢，整個收縮的持續時間也．就較長。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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