低鈣粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土抗壓強度的影響

張 揚， 胥青柏， 翟凱勝， 景延會

(南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 南陽 473000)

0 引言

長久以來，火力發(fā)電是我國能源供應(yīng)的重要組成部分，粉煤灰是伴隨火力發(fā)電產(chǎn)生的一種工業(yè)廢渣。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國粉煤灰的排放量逐年增加[1]，而粉煤灰的利用率還有待提高(見圖1)。大量待利用的粉煤灰不僅需要占用稀缺的土地來貯存，濕法排灰還會消耗大量的水，而且粉煤灰給生態(tài)環(huán)境也帶來了諸多不利的影響和巨大的壓力，粉煤灰已成我國最大的單一固體污染源。據(jù)估算，目前我國粉煤灰每年向自然環(huán)境中釋放大量的鎘、鉻、砷、汞、鉛等元素，嚴(yán)重危害環(huán)境安全以及人體健康[2，3]。如何提高粉煤灰的綜合利用率，將其變廢為寶，是我國目前亟須解決的問題。

粉煤灰具有低的火山灰活性[4]，在混凝土中摻加粉煤灰，不僅可以降低成本，避免資源浪費，保護(hù)環(huán)境，而且還可以提高和改善混凝土在某些方面的性能。據(jù)報道，用粉煤灰替代混凝土中10%的水泥，理論上能夠減少25%的CO2排放量[5]。有研究表明[6-10]，粉煤灰混凝土比普通混凝土具有更好的耐久性、更低的水化熱和更高的密實性等諸多優(yōu)良

圖1 我國粉煤灰年排放量與年需求量的變化

的性能。粉煤灰在混凝土中的用量通常不超過10%～15%[11]，當(dāng)粉煤灰摻量超過40%時，稱為高摻量粉煤灰混凝土[12]，目前高摻量粉煤灰混凝土的研究資料還相對欠缺。本文通過試驗的方法對低鈣粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土抗壓強度的影響進(jìn)行了試驗研究，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了有交互作用的方差分析和回歸分析，得到了低鈣粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期等因素對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，以及高摻量低鈣粉煤灰混凝土抗壓強度的經(jīng)驗公式。本文的研究工作對于粉煤灰的再利用、環(huán)境保護(hù)、降低生產(chǎn)成本等方面有重要的意義。

1 實驗

1.1 材料

P.O 32.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級低鈣粉煤灰，其化學(xué)成分見表1所示；中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；碎石，粒徑5～31.5 mm；自來水。

1.2 試塊制備

采用粉煤灰等重量替代水泥的方法在混凝土中摻加低鈣粉煤灰。為了研究低鈣粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期對高摻量低鈣粉煤灰混凝土早期抗壓強度的影響，設(shè)置了4種低鈣粉煤灰摻加水平，分別是0%、50%、70%和90%；設(shè)置了3種水膠比，分別是0.38、0.44和0.50；設(shè)置了3種養(yǎng)護(hù)齡期，分別是7 d、14 d和28 d。首先依據(jù)JGJ 55-2011進(jìn)行普通混凝土(F00W44)的配合比設(shè)計，然后在其配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行高摻量低鈣粉煤灰混凝土的配合比設(shè)計，具體的配合比設(shè)計方案見表2所示。

表1 低鈣粉煤灰的化學(xué)成分

表2 配合比設(shè)計方案

每種混凝土配合比分別制作9個邊長100 mm的立方體混凝土試塊?；炷涟韬衔锊捎脭嚢铏C機械攪拌，為了保證各組分材料的充分混合，采用分步驟加料的方法：先將稱量好的水泥、低鈣粉煤灰、砂預(yù)混，攪拌5 min后加入稱量好的碎石、水，繼續(xù)攪拌至均勻后裝入試模中。裝模完成后，先使用抹刀略加插搗，然后放置于振動臺上持續(xù)振動至表面出漿，再刮除試塊表面多余混凝土，并抹平表面，置于室內(nèi)自然條件下24 h后拆模，之后將試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(20 ℃、95%RH)中分別養(yǎng)護(hù)至7 d、14 d和28 d齡期。

1.3 測試

使用KYES-1000型電液式壓力試驗機，按照GB/T 50081-2002進(jìn)行高摻量低鈣粉煤灰混凝土試塊的抗壓強度測試，加載速度控制在0.3～0.5 MPa/s。取同一組3個試塊抗壓強度的平均值作為該組混凝土試塊的抗壓強度，高摻量低鈣粉煤灰混凝土抗壓強度的試驗結(jié)果見表3和圖2所示。

表3 抗壓強度試驗結(jié)果(單位：MPa)

續(xù)表3 抗壓強度試驗結(jié)果

(單位：MPa)

圖2 抗壓強度試驗結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 方差分析

基于試驗結(jié)果，利用Matlab軟件進(jìn)行兩次有交互的雙因素方差分析(顯著性水平0.05)，分別檢驗雙因素“低鈣粉煤灰摻量+養(yǎng)護(hù)齡期”以及雙因素“水膠比+養(yǎng)護(hù)齡期”是否各因素單獨或交互對混凝土強度有顯著影響，Matlab方差分析結(jié)果分別見表4和表5所示。可以看出，低鈣粉煤灰摻量、水膠比、養(yǎng)護(hù)齡期各因素單獨對混凝土強度都有顯著的影響，且“低鈣粉煤灰摻量+養(yǎng)護(hù)齡期”、“水膠比+養(yǎng)護(hù)齡期”雙因素交互對混凝土強度也有顯著的影響。

表4 “低鈣粉煤灰摻量+養(yǎng)護(hù)齡期”有交互的雙因素方差分析結(jié)果

表5 “水膠比+養(yǎng)護(hù)齡期”有交互的雙因素方差分析結(jié)果

2.2 回歸分析

基于試驗結(jié)果，利用Matlab軟件進(jìn)行兩次回歸分析，均采用二元交叉回歸模型，在顯著性水平0.01下分別得到0.44水膠比時低鈣粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與混凝土抗壓強度之間關(guān)系的經(jīng)驗公式，以及70%低鈣粉煤灰摻量時水膠比、養(yǎng)護(hù)齡期與混凝土抗壓強度之間關(guān)系的經(jīng)驗公式。基于回歸分析經(jīng)驗公式得到的混凝土抗壓強度預(yù)測值與試驗值對比見圖3所示，可見預(yù)測值與試驗值吻合較好，所得經(jīng)驗公式有一定工程參考價值。

0.44水膠比時：fcu=fcu,st(0.6319-0.6848α+0.0141t-0.0129αt)

70%低鈣粉煤灰摻量時：fcu=fcu,0.38(0.5218-0.6089r+0.0639t-0.1095rt)

式中：fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa；fcu,st為0.44水膠比時，基準(zhǔn)普通混凝土28 d立方體抗壓強度，MPa；fcu,0.38為70%低鈣粉煤灰摻量時，0.38水膠比的混凝土28 d立方體抗壓強度，MPa；α為低鈣粉煤灰摻量，即低鈣粉煤灰替代水泥的百分比，%；r為水膠比；t為混凝土養(yǎng)護(hù)齡期，d。

圖3 回歸分析預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.3 結(jié)果討論

由抗壓強度試驗結(jié)果可知：

(1)水膠比0.44時，50%、70%、90%低鈣粉煤灰摻量混凝土的7 d、14 d和28 d抗壓強度分別比相應(yīng)齡期基準(zhǔn)普通混凝土的抗壓強度降低了54.7%、77.9%、92.0%，52.4%、76.5%、92.2%，以及43.7%、76.0%、91.0%?；鶞?zhǔn)(0%)、50%、70%、90%低鈣粉煤灰摻量混凝土的7 d抗壓強度，分別達(dá)到了各自28 d抗壓強度的72.2%、58.1%、66.5%、64.4%。基準(zhǔn)普通混凝土在前7 d強度增長最為迅速，達(dá)到5.139 MPa/d；而高摻量低鈣粉煤灰混凝土在前7 d強度發(fā)展較為緩慢，50%、70%和90%低鈣粉煤灰摻量混凝土在前7 d強度增速分別是2.327 MPa/d、1.138 MPa/d和0.411 MPa/d?；鶞?zhǔn)(0%)、50%、70%、90%低鈣粉煤灰摻量混凝土的14 d和28 d抗壓強度，分別比相應(yīng)的7 d抗壓強度提高了19.3%、25.5%、26.3%、16.7%，以及38.6%、72.2%、50.4%、55.4%?；鶞?zhǔn)普通混凝土7 d后強度增速下降最為顯著，8～28 d強度增速僅為0.661 MPa/d，增速下降了87.1%；而高摻量低鈣粉煤灰混凝土7 d后強度增長下降較為緩慢，8～28 d強度增長分別為0.560 MPa/d、0.191 MPa/d和0.076 MPa/d，增速分別下降了75.9%、83.2%和81.5%。

可見，不同低鈣粉煤灰摻量的混凝土強度在前7 d發(fā)展都較迅猛，之后發(fā)展逐漸放緩；與基準(zhǔn)普通混凝土相比，在混凝土中摻加大量低鈣粉煤灰將減緩混凝土前7 d的強度增長，8～28 d強度增速下降也更平緩，強度發(fā)展的時間效應(yīng)更顯著；混凝土的抗壓強度隨著低鈣粉煤灰摻量的增加而降低，摻加過量的低鈣粉煤灰會顯著降低混凝土的抗壓強度，以致達(dá)不到混凝土工程應(yīng)用的基本強度要求，這主要與粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、火山灰活性低和水化反應(yīng)慢有關(guān)，故低鈣粉煤灰的摻量要控制在適宜的范圍內(nèi)。水膠比0.44時50%低鈣粉煤灰摻量較為適宜，其28 d抗壓強度能達(dá)到C25以上，70%低鈣粉煤灰摻量混凝土的14 d和28 d抗壓強度亦能達(dá)到C10。

(2)低鈣粉煤灰摻量70%時，0.44、0.50水膠比的混凝土7 d、14 d和28 d抗壓強度分別比相應(yīng)齡期0.38水膠比混凝土的抗壓強度降低了23.8%、39.7%，25.6%、38.2%，和47.0%、45.1%。0.38、0.44和0.50水膠比的混凝土的前7 d強度增速分別為1.495 MPa/d、1.138 MPa/d和0.901 MPa/d，14 d和28 d抗壓強度分別比相應(yīng)的7 d抗壓強度提高了29.3%、26.3%、32.5%，和116.0%、50.4%、96.9%，8～28 d強度增速分別為0.578 MPa/d、0.191 MPa/d和0.291 MPa/d，增速分別下降了61.3%、83.2%和67.7%。

可見，不同水膠比的高摻量低鈣粉煤灰混凝土在前7 d強度發(fā)展都較迅猛，8～28 d強度發(fā)展放緩；增大水膠比將減緩高摻量低鈣粉煤灰混凝土在前7 d的強度增長，8～28 d強度增速下降也更急劇些；高摻量低鈣粉煤灰混凝土抗壓強度隨著水膠比的減小而增大，水膠比要控制在適宜的范圍內(nèi)，過大的水膠比會降低混凝土的密實度，對混凝土強度有不利影響，但過小的水膠比又會降低混凝土的工作性。70%低鈣粉煤灰摻量時混凝土水膠比取0.38較為適宜，其28 d抗壓強度能達(dá)到C20以上。

3 結(jié)論

本文對低鈣粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土抗壓強度的影響進(jìn)行了試驗研究，并利用Matlab軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行了考慮交互作用的方差分析和回歸分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在水膠比一定的情況下，不同低鈣粉煤灰摻量的混凝土強度在前7 d發(fā)展都較快，之后強度發(fā)展放緩，其中基準(zhǔn)普通混凝土在前7 d強度發(fā)展和之后放緩都最為迅速，摻加大量低鈣粉煤灰可以減慢混凝土前7 d的強度增長，8～28 d強度增速下降也更平緩，強度發(fā)展的時間效應(yīng)更顯著?；炷恋目箟簭姸入S著低鈣粉煤灰摻量的增加而降低，低鈣粉煤灰摻量要適宜，摻加過量的低鈣粉煤灰會顯著降低混凝土的強度，水膠比0.44時50%低鈣粉煤灰摻量較為適宜，其28 d抗壓強度能達(dá)到C25以上。

(2)在低鈣粉煤灰摻量一定的情況下，不同水膠比的混凝土強度在前7 d發(fā)展都較快，之后強度發(fā)展放緩，增大水膠比將減緩高摻量低鈣粉煤灰混凝土在前7 d的強度增長，8～28 d強度增速下降也更急劇些。高摻量低鈣粉煤灰混凝土抗壓強度隨著水膠比的減小而增大，水膠比要控制在適宜的范圍內(nèi)，過大的水膠比對混凝土的強度不利，過小的水膠比又會降低混凝土的工作性，70%低鈣粉煤灰摻量時混凝土水膠比取0.38較為適宜，其28 d抗壓強度能達(dá)到C20以上。

(3)低鈣粉煤灰摻量、水膠比、養(yǎng)護(hù)齡期各因素單獨對混凝土強度都有顯著的影響，且雙因素交互對混凝土強度也有顯著的影響，基于二元交叉回歸模型得到的經(jīng)驗公式與試驗結(jié)果吻合較好，有一定的工程參考價值。