关键词：绝热温升；温度匹配养护；粉煤灰；抗压强度
0 前言
粉煤灰是目前我国最大宗的工业废料之一，作为混凝土的掺合料可以直接使用或只进行简单的处理，因此在建筑领域的应用越来越广。出于施工进度等因素的考虑，很多工程对混凝土的早期强度越来越重视。而目前普遍认为混凝土中掺入粉煤灰会降低早期强度，随着掺量的增大，早期强度降低得越多，这种观点对粉煤灰在混凝土中尤其是结构混凝土中的应用产生了一定的负面影响。
现行混凝土强度检测评价方法，是以实验室条件下成型的试件，放置在标准养护室内或构件旁养护至规定龄期。Idorn[1]曾指出，试验室制备的试件与工程中构件的实际情况存在着明显的差异，温度条件不同是这些差异中的一个重要方面，而温度差异对混凝土的强度发展有着非常重要的影响。研究表明，与20℃时相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快一倍。
近年来随着构件断面尺寸的不断增大，水泥标号的提高和单位用量的增大，导致混凝土硬化过程中内部温升明显加剧。这就使实验室中标准养护温度与实际构件中的温度相差很大，也因此导致实验室测得的试件强度与实际结构中的混凝土强度的差距变大。覃维祖[2]认为，与水泥混凝土相比，粉煤灰混凝土受温度的影响更为显著。因此，在研究粉煤灰对混凝土强度的影响时，更应考虑养护温度因素。
本文以混凝土绝热温升为温度参考依据，模拟混凝土早龄期的变温过程，研究变温条件下掺加粉煤灰对混凝土抗压强度的影响。并根据工程实例，研究了不同养护条件对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度发展的影响。
1 实验
1.1 原材料
试验所用的水泥为北京兴发水泥厂生产的拉法基P·O42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰为内蒙古元宝山发电厂生产的I级粉煤灰，二者的化学组成如表1所示。石子为北京门头沟地区的石灰石碎石，粒径5－20mm。砂为河砂，细度模数为3.0，含泥量小于3％，在使用前用孔径5.0mm的方孔筛筛除大于5mm的颗粒。减水剂采用Sika 3301聚羧酸盐高效减水剂。
表1 原材料的化学组成 %
1.2 变温养护方法
变温养护系统由绝热温升仪、养护箱和控制系统组成，利用变温养护系统来实现所需要的养护温度制度，图1为变温养护系统的示意图。该系统的工作原理是，在绝热温升仪内和混凝土养护箱内都使用温度传感器测试温度，采用温度变送器实现信号转换，直接获得温度变化曲线，利用温度变化曲线，通过计算机控制养护箱内的温度，可以与绝热温升测量同步调整混凝土的养护温度。 混凝土的发热能力可以用绝热温升值来衡量，绝热温升值可以认为是混凝土在实际结构中所能达到的温度上限，因此变温养护制度的上升段采用绝热温升曲线，当达到绝热温升稳定期之后，让养护箱自然散热，使温度逐渐下降，以模拟实际结构中混凝土的温度下降段。变温养护时，试样自成型起，放入养护箱中，24h后拆模，并测试相应的强度。待养护箱内的温度降低到20℃时，把混凝土试样取出放在标准养护室内继续养护至规定龄期，测定其抗压强度。
图1 变温养护系统示意图
1.3 混凝土的配合比
本文对普通混凝土和高强混凝土分别进行了研究，普通混凝土的强度等级为C30，粉煤灰掺量为胶凝材料用量的20%，配合比如表2所示。高强混凝土的强度等级为C80，采用了Metha和Aictin[3]提出的配制高强混凝土的方法。他们认为，为了合理地综合解决强度、工作性及体积稳定性等问题，混凝土合适的浆体和骨料的体积比应为35：65，按此方法设计的高强混凝土配合比如表3所示。
表2 普通混凝土配合比 / (kg/m3)
表3 高强混凝土配合比 / (kg/m3)
1.4 试验结果
混凝土的变温养护曲线如图2和图4所示。图3是普通混凝土抗压强度随龄期发展的曲线，FC30组的1d抗压强度低于C30组，但是3d之后的强度都高于C30组。图4是高强混凝土抗压强度随龄期发展的曲线，FC80组在4d之前的抗压强度小于C80组，但4d之后的强度均高于C80组。J. Payá[4]研究表明，较高的养护温度会促进粉煤灰的反应程度，对强度的贡献不可忽略。江京平[5]测试了四种掺粉煤灰的大体积结构内部混凝土的抗压强度，认为大体积混凝土内部温升对掺粉煤灰混凝土强度增长有利。王甲春[6]的研究表明，高温养护条件下，普通混凝土、高强度混凝土和大掺量粉煤灰混凝土的早龄期抗压强度明显高于标准养护条件下的抗压强度。结合本文的试验结果，可以得出结论，温度是影响混凝土强度发展的重要因素，在检测评价混凝土强度时应重点考虑；当实际构件内部温度较高时，掺入一定量粉煤灰的混凝土早期强度并不降低，并且其后期强度也较高。
张庆欢[7]研究了养护温度对浆体化学结合水量的影响，研究发现，养护温度升高，纯水泥试样和掺粉煤灰的试样的3d化学结合水量较标准养护均有所提高，说明高温养护促进了胶凝材料的水化反应。从大掺量粉煤灰试验组的结合水量发展曲线上能较为明显地观察到了3d后下降的趋势，这说明粉煤灰在高温养护下3d后已经开始消耗Ca(OH)2，即化学活性开始发挥出来。因此，如果构件内的实际温度较高，则粉煤灰的活性能较早地发挥，混凝土早期的强度就会提高。
2 工程实例
中国国际贸易中心三期A阶段工程位于北京市建国门外大街1号国贸中心院内，其主塔楼高330m，地下三层，地上74层。该工程主塔楼基础底板采用桩筏基础，混凝土量为22833m3，混凝土强度等级为C45R60，基础标准厚度为4.5m。为防止温度应力造成大体积混凝土表面开裂，在混凝土材料方面，采用大掺量粉煤灰混凝土以降低温升。混凝土的水胶比0.39，砂率0.43，粉煤灰掺量为45.2%，配合比如表4所示。
表4 大掺量粉煤灰混凝土的配合比 / (kg/m3)
为确定基础在竖直方向的温度场发展规律，进行了足尺模型试验，足尺混凝土模型为4.5×4.5×4.5m立方体。为考察不同养护环境下混凝土的强度发展情况，采用了三种不同的养护条件：标准养护条件；温度匹配养护条件，即把混凝土试块置于养护箱内，采用水热蒸汽养护，并实时调整养护温度，保证与足尺模型中心温度一致；同条件养护，即把混凝土试块置于足尺模型试验现场，上覆塑料薄膜。此外，在足尺模型实时监测至60d时，进行钻芯取样，测定芯部抗压强度，并与三组养护条件下混凝土抗压强度进行对比。
不同养护条件下抗压强度发展曲线如图6所示，从强度发展趋势来看，温度匹配养护的混凝土试块强度增长很快，7d已经达到58.0MPa，而同龄期的同条件养护和标准养护试块强度均不超过30MPa。60d时对足尺模型进行钻芯取样，测得芯部混凝土的抗压强度为63.7MPa，超过了标准养护和同条件养护60d强度。温度匹配养护的强度虽然只测到了28d，但14d以后强度增长便很小，因此至少可以判断，60d的温度匹配养护强度和钻芯取样强度应该很接近。
图6 抗压强度发展曲线
由此可见，养护温度对于混凝土早期强度的影响很大。在实际工程中，构件内部早期的温度往往高于甚至远高于标准养护的温度，因此为准确了解实际构件强度的发展情况，需要重点考虑温度因素。大掺量的粉煤灰可以降低混凝土内部的温升，从而降低温度应力导致开裂的风险；同时，混凝土内部一定的温升又可以加快粉煤灰混凝土早期的强度发展，使之满足设计要求。
3 结论
养护温度对于混凝土强度的发展有重要的影响，检测评价混凝土强度应重点考虑温度的影响。构件内部早期的温度往往高于标准养护的温度，其早期实际强度高于实验室标准养护的试件的强度。养护温度升高能够使粉煤灰的化学活性较早地发挥出来，从而使粉煤灰混凝土的早期强度提高，在混凝土中掺入粉煤灰并不一定降低其早期强度。
[参考文献]
[1GunnarMIdorn.Concretedurability&resourceeconomy.ConcreteInternational,1991,13(7):18~23
[2]覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用技术[J].商品混凝土，2006（2）：13~18
[3]P.K.Matha, P.C.Aitin. Principles underlying production of high-performance concrete. Cement and Aggregate[J]. 1990, 12(2):70~78
[4]J. Payá, J. Monzó and M. V. Borrachero. Mechanical treatment of fly ashes: Part IV. Strength development of ground fly ash-cement mortars cured at different temperatures. Cem. Concr. Res., 2000, 30(4): 543~551
[5]江京平.掺粉煤灰大体积混凝土内部温升对其强度影响的探讨. 粉煤灰，2005（5）:24~25
[6]王甲春. 影响混凝土早龄期开裂特性的材料因素研究[D]. 北京: 清华大学，2005
[7]张庆欢. 粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理[D].北京: 清华大学，2006
