摘 要: 研究了粉煤灰( FA)摻量對(duì)不同膠水比的混凝土28 d強(qiáng)度的影響規(guī)律. 研究表明,粉煤灰預(yù)拌混凝土28 d強(qiáng)度與膠水比具有很好的線性相關(guān)性, Bolomy公式對(duì)粉煤灰預(yù)拌混凝土是適用的,但公式中的回歸系數(shù)需要修正;粉煤灰摻量對(duì)不同膠水比的混凝土28 d強(qiáng)度的影響規(guī)律基本相同,提出了粉煤灰強(qiáng)度影響系數(shù)的概念和經(jīng)驗(yàn)公式,并利用影響系數(shù)對(duì)Bolo2my公式進(jìn)行了修正.
關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 預(yù)拌混凝土; 配合比; 強(qiáng)度公式
中圖分類號(hào): TU745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
由于建筑工程對(duì)混凝土性能的要求越來越高,現(xiàn)代混凝土為實(shí)現(xiàn)其高性能化一般需要在膠凝材料中加入化學(xué)外加劑和礦物摻合料,因此,現(xiàn)代混凝土正由傳統(tǒng)的四組分向多組分的方向發(fā)展,是典型的五組分或六組分混凝土. 化學(xué)外加劑(主要是減水劑和高效減水劑)由于能大幅度降低水灰比而保持漿體良好的工作度,已穩(wěn)定地成為混凝土的第五組分,而礦物摻合料由于在混凝土的強(qiáng)度、耐久性、工作性以及水化熱等方面有許多重要的積極作用,也正成為混凝土的第六組分. 化學(xué)外加劑對(duì)強(qiáng)度的影響是通過降低水灰比而間接作用的,對(duì)混凝土的固相本性沒有改變,強(qiáng)度公式中水灰比包含了化學(xué)外加劑的影響. 摻合料具有火山灰活性,它與水泥水化后產(chǎn)生的Ca (OH) 2 發(fā)生火山灰化學(xué)反應(yīng),生成C - S - H凝膠,改變了水泥漿體的結(jié)構(gòu). 摻合料的強(qiáng)度效應(yīng)根源在于摻合料對(duì)材料固相性質(zhì)的改變[ 1 - 3 ] . 粉煤灰作為一種優(yōu)良的活性摻合料, 能有效改善混凝土的和易性及耐久性, 且具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益,是現(xiàn)代混凝土技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的礦物摻合料[ 4 - 6 ] .
傳統(tǒng)的普通混凝土的配合比強(qiáng)度公式中沒有體現(xiàn)摻合料的影響,所以對(duì)于摻合料品種不同、摻量不同的混凝土,都必須試配出其對(duì)應(yīng)的系數(shù)不同的強(qiáng)度方程,因而效率低下. 當(dāng)前,摻加礦物摻合料已成為混凝土改性的重要措施之一,變換摻合料品種和摻量是商品混凝土攪拌站和預(yù)制廠常見的事情. 在這種情況下,普通混凝土強(qiáng)度公式對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐很難起到應(yīng)有的指導(dǎo)作用. 因此,迫切需要發(fā)展出適合多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)用的強(qiáng)度公式. 本研究在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)用強(qiáng)度公式.
1 混凝土配合比強(qiáng)度的幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式
1. 1 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)用強(qiáng)度公式
普通混凝土配合比設(shè)計(jì)用強(qiáng)度公式由瑞士的Bolomy提出,是我國工程界最為熟悉的混凝土強(qiáng)度公式. 除我國在《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中采用了該式配制混凝土外,俄羅斯、日本等國也采用該式配制混凝土. 公式為[ 7 ] :
式中: K1 , K2 均為與集料及工藝有關(guān)的系數(shù); fce為水泥28 d標(biāo)準(zhǔn)膠砂強(qiáng)度; mc /mw 為灰水比.在式(1)中,當(dāng)水泥的強(qiáng)度等級(jí)不變、集料和水泥的品種質(zhì)量穩(wěn)定時(shí), K1 , K2 , fce均為常數(shù),則公式可轉(zhuǎn)化為:
式中: a, b均為與集料、工藝和水泥品種有關(guān)的系數(shù).
式(2)表明強(qiáng)度與灰水比呈線性關(guān)系,可稱之為灰水比強(qiáng)度公式. 此公式被廣泛用于普通混凝土的配合比設(shè)計(jì).
1. 2 含摻合料因素的混凝土強(qiáng)度公式
考慮摻合料影響的混凝土強(qiáng)度公式主要有[ 8 ] :
1) 用摻合料活性系數(shù)和指數(shù)修正的Bolomy公式,即
式中: K1 , K2 均為與集料和成型工藝有關(guān)的系數(shù); fce為水泥28 d標(biāo)準(zhǔn)膠砂強(qiáng)度; k為摻合料的活性系數(shù);
ma 為摻合料用量; q為摻合料的活性指數(shù).
從式(3)的結(jié)構(gòu)看,此式無法從目標(biāo)強(qiáng)度推出試配參數(shù)mc /mw 或ma /mw ,因而只適合用于預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度,無法用以計(jì)算混凝土的配比.
2) 用摻合料膠凝效率系數(shù)修正的公式,即
式(4)中引入了Smith IA提出的膠凝效率系數(shù)k的概念. 其定義是1 kg摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)與k kg水泥的貢獻(xiàn)相當(dāng). 由k的定義,式( 4)中將描述膠結(jié)材料漿體的水灰比參數(shù)mc /mw 改為mw /(mc + kma ) . a, b則均為需通過試驗(yàn)回歸確定的系數(shù).
從式(4)的結(jié)構(gòu)可知,此公式既可用于預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度,也可用于配制混凝土的配比計(jì)算. 但摻合料的強(qiáng)度效應(yīng)與摻量密切相關(guān),有一個(gè)最佳摻量的問題,并非越多越好,也并非越少越好,但摻合料的最佳摻量目前沒有定論.
3) 用摻合料強(qiáng)度效應(yīng)函數(shù)修正的公式,即
式中: fce為水泥標(biāo)準(zhǔn)膠砂抗壓強(qiáng)度; a, b均為回歸系數(shù);Ψ ( P)為摻合料強(qiáng)度效應(yīng)函數(shù); mb 為膠凝材料總量.
在式(5)中,Ψ ( P)是否合理有效是一個(gè)關(guān)鍵. 在實(shí)際應(yīng)用中,Ψ ( P)是通過預(yù)先試驗(yàn)取得的己知函數(shù),它與摻合料品種、質(zhì)量、摻量及水泥品種均有關(guān). 因此,使用式(5)需在配比前預(yù)先試驗(yàn)求得Ψ ( P) .通過分析可以認(rèn)為,目前工程界還沒有統(tǒng)一的含摻合料的混凝土強(qiáng)度公式,各混凝土生產(chǎn)商均采用實(shí)驗(yàn)室試配的方法,試配出其對(duì)應(yīng)的系數(shù)不同的強(qiáng)度方程,因而效率低下.
2 粉煤灰對(duì)預(yù)拌混凝土強(qiáng)度的影響
預(yù)拌混凝土的摻合料主要是粉煤灰,由于礦渣價(jià)格較高,因此,在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中一般應(yīng)用較少.高強(qiáng)混凝土一般還要摻硅粉及超細(xì)粉,本研究提出的強(qiáng)度公式主要針對(duì)摻粉煤灰的預(yù)拌混凝土.粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要通過3個(gè)方面實(shí)現(xiàn).
1) 粉煤灰改變了混凝土的實(shí)際水灰比. 由于摻合料的使用使水化反應(yīng)的實(shí)際水灰比增大,水化反應(yīng)也相應(yīng)受到影響. 比如:在原水灰比mw /mc = 0. 45的混凝土中用等量法摻入20%的粉煤灰,混凝土的水膠比mw /mc + f仍然為0. 45,但實(shí)際水灰比變成0. 562 5,顯然,混凝土實(shí)際水灰比發(fā)生了顯著的變化.
2) 粉煤灰改變了混合物的空隙結(jié)構(gòu). 研究表明[ 9 ] ,粉煤灰的摻入顯著改善了水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu),使得大孔減少而微孔增加. 粉煤灰對(duì)水泥漿體孔結(jié)構(gòu)的改善是由于粉煤灰的密實(shí)效應(yīng)作用的結(jié)果. 在早期,大量細(xì)小的粉煤灰顆粒填充在熟料礦物的水化產(chǎn)物孔隙中,將原來的大孔分割為很多細(xì)小且互不連通的小孔,使硬化漿體的密實(shí)度提高.
3) 粉煤灰的“活性效應(yīng)”. 粉煤灰的活性效應(yīng)是指混凝土中粉煤灰的活性成分所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng),粉煤灰參與水泥的水化硬化過程是:首先將熟料礦物水化,然后把水化放出的Ca (OH) 2 再與粉煤灰的活性組分進(jìn)行反應(yīng)(火山灰反應(yīng)的主要產(chǎn)物是Ⅰ型和Ⅱ型的C - S - H凝膠). 火山灰反應(yīng)產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物交叉連接,對(duì)促進(jìn)強(qiáng)度增長起了重要作用.
3 本研究提出的粉煤灰預(yù)拌混凝土強(qiáng)度公式
由于粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,Bolomy公式是否適用于粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步研究. 本研究引用文獻(xiàn)[ 10 ]中的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明Bolomy公式對(duì)粉煤灰預(yù)拌混凝土的適用性(見圖1). 從圖1可以看出,各摻量粉煤灰預(yù)拌混凝土其28 d抗壓強(qiáng)度與膠水比mc + f /mw 線性關(guān)系明顯,其回歸方程及相關(guān)性見表1.
表1結(jié)果說明,混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與膠水比線性相關(guān),且相關(guān)系數(shù)R2 在0. 94以上,因此,可以認(rèn)為鮑羅米對(duì)粉煤灰預(yù)拌混凝土是適用的,但公式中的回歸系數(shù)需要作修正.圖2為粉煤灰預(yù)拌混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間的關(guān)系曲線,從圖2中可以看出,在相同水膠比條件下,粉煤灰摻量增加,混凝土抗壓強(qiáng)度下降,且28 d抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量存在很好的二次函數(shù)關(guān)系. 其回歸曲線方程見表2. 利用表2的回歸方程可以得到不同膠水比混凝土在不同粉煤灰摻量下的28 d抗壓強(qiáng)度與不摻粉煤灰條件下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的比值,見表3及圖3.
注:表3中粉煤灰摻量取分別0, 10%, 20% , 30% ⋯時(shí), x = 1,2, 3, 4⋯
從表3及圖3可以看出,在不同膠水比條件下,不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相同.通過分析,本研究提出粉煤灰摻量對(duì)預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)K的概念, K是粉煤灰摻量的二次函數(shù). 通過對(duì)圖3進(jìn)行回歸分析得出:
K = - 0. 012 0x2 - 0. 022 3x + 1. 034 2. (6)
式中: x 表示粉煤灰摻量, 粉煤灰摻量分別取0,
10% , 20% , ⋯時(shí), x = 1, 2, 3, ⋯.因此,粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)用抗壓強(qiáng)度公式可以表示為:
式中: Rc 為水泥的實(shí)際強(qiáng)度,MPa; Rh 為混凝土的試配強(qiáng)度,MPa; mc + f /mw 為混凝土的膠水比; K為粉煤灰摻量影響系數(shù); A, B 均為回歸系數(shù).
4 結(jié) 論
1) 在粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)中, 28 d抗壓強(qiáng)度與膠水比之間具有很好的線性相關(guān)性,即鮑羅米公式在粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)中是適用的.
2) 粉煤灰預(yù)拌混凝土Bolomy公式Rh =ARc (mc + f /mw - B )中的回歸系數(shù)A, B 值要作修正.
3) 本研究提出了粉煤灰對(duì)預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)K的概念, K是粉煤灰摻量的二次函數(shù),其方程為K = - 0. 012 0x2 - 0. 022 3x + 1. 034 2.
4) 本研究提出粉煤灰預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)用抗壓強(qiáng)度公式為Rh = KARc (mc + f /mw - B ).
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