摘要：通过试验手段阐述粉煤灰、减水剂和膨胀剂三类外掺料分别在大体积混凝土施工中的作用和共同掺入后的试验效果。以此指导“三掺”技术配置低热补偿收缩混凝土在大体积混凝土的施工应用。
关键词：粉煤灰；减水剂；膨胀剂；“三掺”技术；大体积混凝土
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1673—0496(2005)02—0031—03
１引言
随着我国城市建设和大型工矿企业的发展，各种采用大体积混凝土的结构形式得到越来越多的应用。大体积混凝土由于结构厚、混凝土量大，施工过程中因收缩和温度变形容易出现结构裂缝。有效控制大体积混凝土结构裂缝是～个复杂综合的系统工程，采用“三掺”技术配置低热补偿收缩混凝土是适用有效的方法之一。
“三掺”技术即往混凝土中掺加粉煤灰、减水剂和膨胀剂三类物质使之形成低热补偿收缩混凝土，充分利用掺加剂各自的性能优点进行相互补充起到有效控制混凝土裂缝的作用。本文通过试验手段来阐述粉煤灰、减水剂和膨胀剂三类外掺料作用和共同掺入后的应用效果，以资工程参考。
2 “三掺”技术在大体积混凝土施工中的作用机理
粉煤灰是从煤粉炉烟道气中收集到的粉末，属人工火山灰质材料，颗粒很小，多呈球形(通称微珠)。掺入混凝土中，它的颗粒形态具有滚珠效应产生润滑作用，可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性，并能补充泵送混凝土中颗粒在0．315mm以下的细集料达到15％的要求，改善其可泵性。粉煤灰的微集料效应产生致密势能和火山灰质效应产生活化势能，能提高混凝土的密实性，且龄期越长反应越完全，混凝土越密实，强度越高，能提高耐久性和抗渗能力，减少收缩。粉煤灰掺入混凝土还可以有效减少水泥用量，节省水泥，更重要的是可以使混凝土早期水化热明显降低，并有效地降低内部温升。
现高效减水剂主要有以萘磺酸盐甲醛缩合物为代表的磺化煤焦油系和以三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物为代表的树脂系两类，以第一种居多，产品型号有FDN、NF、UNF等。高效减水剂属阴离子表面活性剂，在其碳氢链上含有大量极性基，当它吸附在水泥颗粒表面时，在水泥颗粒周围形成扩散双电位层，使水泥颗粒相互排斥呈分散状态，提高了水泥浆体的流动性。缓凝减水剂可减少混凝土单位用水量，满足稠度要求，提高混凝土的和易性，延缓混凝土的凝结时间，降低水化热。
目前应用较多的膨胀剂是以无水硫铝酸钙(oA爆)或硫酸铝(A12(SOI)，)为早期膨胀源，明矾石为中期膨胀源，在混凝土的水化硬化过程中生成较多的结晶水化物一钙钒石(3CaO·A1203·3CaSO~·321-120)，使混凝土产生较大的膨胀。加入膨胀剂的混凝土在水泥凝胶和钙钒石相互促进和制约下，使混凝土的膨胀和强度协调发展，其膨胀组分在限制条件下补偿混凝土体系的体积收缩并提高密实性和抗渗性能。
掺加粉煤灰：减水剂、膨胀剂三类物质就是针对大体积混凝土施工对混凝土的要求，发挥外掺料各自在混凝土中的作用特点，进行相互作用相互补充，改善混凝土的性能，起到低热补偿收缩等作用，更好地满足大体积混凝土施工要求。
3试验
3．1试验材料
(1)水泥：江南赣南铁石牌42．5级普通硅酸盐水泥。
(2)沙：赣江产河砂，级配符合Ⅱ区中砂，细度模数2．9，表观密度2630k∥缸，堆积密度1 450k∥l证。
(3)石子：赣南南康产碎石，石子粒径扣25mm／表观密度2 800kg柑，堆积密度1 460kg／ITf。
(4)粉煤灰：原状粉煤灰化学成分(％)见表1。
表1 粉煤灰化学成分
(5)膨胀剂：UEA—E型混凝土膨胀剂。
(6)减水剂：FDN4}0缓凝高效减水剂。
3．2试睑设计
按照《普通混凝土配合比设计规程》基准配合比计算进行配合比设计，在基准配合比基础上进行掺入缓凝高效减水剂0．5％，用粉煤灰和膨胀剂取代部分水泥。粉煤灰取代量分别为0％、15％、20％、25％，膨胀剂取代量分别为0％、10％、15％、20％。分类配置的混凝土进行性能鉴定、强度分析、水化热分析和变形分析。
3．3试验过程
(1)原则上按照工程施工中实际操作状况进行混凝土的原材料选择、配比设计、制作、搅拌等。
(2)对原材料进行材质检验：水泥：强度测定，初凝时间、终凝时间确定，安定性检验。沙子：测定细度模数，表观密度、堆积密度，含水率等。石子：测定筛分析，表观密度、堆积密度，含水率，空隙率等。
(3)每盘混凝土搅拌量取30升，先试拌，检查拌合物和易性，调整混凝土用水量等及找出满足C40混凝土强度实验的基准配合比。
(4)在基准配合比基础上掺入缓凝高效减水剂，用粉煤灰和膨胀剂不同比例取代部分水泥，分类制作混凝土试块。
(5)检查各自混凝土塌落度和塌落度损失及保水性、粘聚性、含气量、容重和凝结时间等。
(6)经标准养护至规定龄期进行抗压试验、水化热试验、限制膨胀率试验并进行统计分析。
4试验结果分析
4．1新拌混凝土性能分析
拌和混凝土性能见表2。
表2 混凝土和易性
(1)塌落度、粘聚陛和保水性：从实验结果来看，掺加粉煤灰对混凝土性能的改善十分明显，各掺量粉煤灰混凝土的塌落度均大于基准混凝土。初始塌落度均在200rm左右，混凝土粘聚性良好并且没有泌水，说明外掺物有效地维持了混凝土的流动性、可泵性、粘聚性和保水性。新拌混凝土可以满足现场施工对流动性、可泵性、粘聚性和保水性的要求。
(2)塌落度损失：不同配比混凝土其塌落度损失速度不同，抽选两组结果如表3。
表3 塌落度损失速度
从表3可看出，在一定掺量范围，随着掺入粉煤灰数量增加混凝土塌落度损失减慢，掺入膨胀剂比不掺膨胀剂塌用。加入外掺料后其塌落度损失l小时不大：：~40mm，能满足大体积混凝土泵送的要求。
4．2强度分析
不同掺量粉煤灰和膨胀剂的混凝土强度试验结果见表4。
表4 不同掺量下的混凝土强度
从表4可看出，不管是否掺入膨胀剂，随着粉煤灰的掺量增加混凝土早期强度都在下降，特别当掺量超过20％时，下降幅度较大，但28天强度却下降较少。掺入粉煤灰后不管是否掺有膨胀剂其28天强度至60天强度增长幅度都能超过未掺粉煤灰的28天至60天强度。试验结果可知粉煤灰掺量25％早期强度较低，则抗裂度就低，因此掺入粉煤灰量过大会引起混凝土早期裂缝的出现。而粉煤灰掺量为15％和20％时强度发展较好，说明掺入该粉煤灰最佳掺量为15％一20％。因此在大体积混凝土施工中，使用掺入粉煤灰的混凝土宜以60天强度作为评定标准。这样可减少水泥用量，降低水泥水化热引起的温升，既可减小混凝土温度应力，又可降低混凝土施工生产成本。
还可看出，当粉煤灰掺量相同，掺入10％UEA膨胀剂和未掺膨胀剂相同龄期时强度值接近，这说明掺人10％UEA膨胀剂后没有引起强度降低，而掺量在15％～25％时早期强度下降很快。这说明UEA膨胀剂在同时满足补偿收缩混凝土性能和混凝土强度良好发展之间有一个最佳掺量。
4．3水化热分析
参照国家标准(GB2022•80)的直接法进行水化热试验，
试验结果如表5。
对于大体积混凝土，混凝土凝结硬化期间水泥水化产生的水化热不易传导到外界，这些热量会导致混凝土内部温度不断上升，由于水泥水化热大部分在水化7天内产生，因此，在混凝土浇筑初期其温度上升较快，在2—3天内达到最高值，而包裹内部混凝土的外部混凝土由于与空气的热交换，其温度要比内部混凝土低得多，特别是在混凝土浇筑初期，当遇到寒流或气温显著变化时，内外温差将在混凝土表面产生很大的拉应力，当这部分拉应力超过混凝土的抗拉强度时，会在混凝土表面产生裂缝。从表5结果可看出，随着掺加粉煤灰数量的不同，混凝土7天龄期内水化热和基准配合比混凝土相应7天龄期水化热比值不同，随粉煤灰掺量的增加，早期水化热明显降低，有显著的降峰效应。高效减水剂的缓凝作用和粉煤灰的火山灰效应使水化反应的减速期和稳定期较不掺更长，这对混凝土的温控有利。
4．4变形分析
按照GBJll9-88《混凝土外加剂应用技术规范》规定的“膨胀混凝土的膨胀率及干缩率的试验方法”，分别测量各龄期混凝土块的限制变形量。表6是混凝土试件水中养护14天，转空干养护180天的限制膨胀率。
表6 各龄期混凝土块的限制膨胀率
从表6可看出混凝土试件膨胀率在水养条件下随龄期延长而发展，7天时达到峰值，14天略有下降。180天龄期掺10％、15％、20％膨胀剂混凝土的收缩分别是基准配合比混凝土的81％、50％、42％，这说明混凝土的补偿收缩性能和膨胀剂的掺量有直接关系。由于膨胀剂的掺人，混凝土产生膨胀，在钢筋和邻位约束作用下，膨胀能作功产生预压应力，抵消全部或部分限制收缩产生的拉应力，推迟收缩产生过程，提高抗拉强度。当混凝I--~始收缩时，其抗拉强度已得到增加，可以抵抗收缩产生的拉应力，起到防止和减少收缩裂缝的出现。
参考文献：
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