粉煤灰与膨胀剂对大体积混凝土变形作用机理研究
摘 要：分析了粉煤灰对大体积混凝土变形性能的影响，研究结果表明：掺加50%的粉煤灰可以降低和抑制混凝土变形，养护150d的混凝土收缩约降低了30%，对掺8%膨胀剂混凝土养护180d可降低膨胀变形约40%；通过扫描电镜发现掺粉煤灰对膨胀剂的水化有一定的影响，Ca/Si> 1，水化产物的形状为针状晶体，长径比较大，很少成聚集态，变形较小，混凝土不易产生膨胀剂开裂。
关键词：粉煤灰;膨胀剂;大体积混凝土;变形;机理;
基金：江苏省青年基金（BK20200429）;江西省交通运输厅科技项目（2020H0047）;铜陵交通项目（M20210023）;中国和江苏博士后基金（2020M671485、2020Z321）联合资助;
众所周知，水工混凝土大多为大体积混凝土，为了减少大体积混凝土的收缩开裂，施工部门通常会掺适量的膨胀剂来补偿混凝土的收缩，由于担心膨胀剂的不均匀膨胀和控制不到位而引起的开裂风险，膨胀剂在大体积混凝土中推广应用受到了一定约束[1,2,3]；使用粉煤灰代替部分水泥，可减少大体积混凝土绝热温升、降低其温度收缩应力，减少其收缩开裂[4]。作者在研究不同大体积混凝土的温降开裂过程中发现粉煤灰不仅对降低大体积混凝土收缩变形有抑制作用，对掺膨胀剂大体积混凝土膨胀变形也具有一定抑制作用，可有效抑制膨胀剂在混凝土中过分膨胀[5]，研究粉煤灰对大体积混凝土的收缩变形和掺膨胀剂后混凝土的膨胀变形具有一定理论与现实意义。
本试验采用42.5中热硅酸盐水泥，I级粉煤灰，氧化镁膨胀剂来源于国内，经特殊加工制作而成产品，以上三种原料的化学成分见表1。
试验所用石子采用二种级配，即大石（10～20mm）、小石（5～10mm），比例约为6∶4；河砂细度模数为2.44，聚羧酸高效减水剂来源于南京某公司。
表1 原材料的化学成分 下载原图
%
大体积混凝土膨胀试验采用75mm×75mm×280mm试样，试验方法参照《水工混凝土试验规程》[5](SL/T 352—2020）进行，试样膨胀率：L(%)=(L1-L0）×100%/L0。
收缩变形试验采用Φ150mm×400mm×4 mm的镀锌钢管做成圆柱形状的桶，然后浇注混凝土，混凝土内埋应变计，用密封材料密封试件的顶部和应变计电缆引线出口，最后将桶盖与其侧壁焊接，在恒温中测量混凝土应变，试验装置见图1，配合比见表2。
在相同的养护制度下，粉煤灰对大体积混凝土收缩影响如图2所示。
图1 大体积混凝土变形试验装置 下载原图
表2 大体积混凝土的配合比 下载原图
kg/m3
图2 粉煤灰对大体积混凝土收缩的影响 下载原图
由图2可见：当掺加50%粉煤灰时，大体积混凝土收缩明显少于未掺加粉煤灰的，而掺加粉煤灰后的大体积混凝土的收缩在60d之前明显下降，这对于控制大体积混凝土的表面开裂非常关键。养护150d后，掺50%粉煤灰的大体积混凝土的收缩比没有掺加的减少约30%，掺加粉煤灰与否的大体积混凝土收缩与养护时间有一定的关系：
式中：y0为大体积混凝土收缩（×10-6);x0为养护时间（d）。
相关系数：R02=0.9596
掺加50%粉煤灰大体积混凝土收缩与养护时间的关系：
式中：y50为大体积混凝土的收缩应变（×10-6);x50为养护龄期（d）。
相关系数为：R250=0.9531
在相同的养护制度下，粉煤灰对掺8%膨胀剂的大体积混凝土膨胀影响见图3所示。
图3 粉煤灰对掺8%膨胀剂的大体积混凝土收缩与膨胀的影响 下载原图
由图3可见：当30%和50%的水泥被粉煤灰代替后，大体积混凝土在早期的收缩变形降低了，可有效地减少大体积混凝土的收缩开裂；后期大体积混凝土的膨胀被减弱，降低了大体积混凝土由于MgO膨胀剂过度膨胀而产生的膨胀开裂破坏，在养护180d时，混凝土的膨胀变形分别降低约25%和40%。试验结果表明粉煤灰能降低大体积混凝土变形，掺加50%的粉煤灰比加30%粉煤灰在给定的环境条件下可更有效地降低大体积混凝土变形。
将5%膨胀剂与胶凝材料（含50%与不含粉煤灰）混合，养护28d后在180℃和2MPa压蒸4h，对试样的水化产物进行微观结构观察，结果如图4和图5。
通过SEM观察后发现：膨胀剂水化产物的形貌与胶凝材料的性质有一定的关系。由图4可见，在含有50%粉煤灰的混凝土中，水镁石的形状为针状晶体，而不是六方板状，长度比较长，约0.5m，但直径比较小，长径比较大，很少成聚集态，这种针状的水镁石晶体具有独特的晶体形状、较小的比表面积和微观内应变，见表3[6,7]。
图4 含50%粉煤灰浆体压蒸SEM观察 下载原图
图5 不含粉煤灰浆体压蒸SEM观察 下载原图
表3 水镁石晶体的微观内应变 下载原图
从图5可以发现，不掺粉煤灰膨胀剂的水化产物形状为六方板状晶体，由于这种晶体具有较大的比表面积和微观内应变，产生较大的膨胀应力，混凝土的变形就比较大，当膨胀应力大于其抗拉应力时，混凝土就断裂破坏；由于这种晶体在水泥的水化产物中成聚集态生长，引起孔隙膨胀，改变了原有的微观结构，水化产物之间结合不紧密，出现大的孔隙，使混凝土膨胀量变大、强度下降，图7是其水化产物主要元素含量的能谱。
图7中能谱图的镁元素含量高于图6，可以初步了解在该处水镁石聚集程度明显高于掺加粉煤灰后的浆体，膨胀破坏趋势也就加大，说明了掺粉煤灰可抑制膨胀剂的聚集膨胀，也说明掺加粉煤灰后，膨胀剂水化产物的形貌和聚集状态是决定混凝土变形减少的关键因素。另外，从图7中还可见在高钙、硅情况下，膨胀剂水化产物变形较大，而此时Ca/Si<1；掺粉煤灰后，钙和硅含量下降，Ca/Si>1，膨胀剂水化产生的变形减少。
图6 含50%粉煤灰水化产物能谱图 下载原图
图7 不含粉煤灰水化产物能谱图 下载原图
(1）掺粉煤灰可有效抑制大体积混凝土的收缩变形，减缓早期收缩程度，养护150d，混凝土收缩减少了约30%，变形大小与养护龄期有一定的关系。
(2）粉煤灰还可有效抑制大体积混凝土的膨胀变形，在掺8%膨胀剂的大体积混凝土中掺50%粉煤灰，养护180d，掺膨胀剂的大体积混凝土膨胀约降低了40%，可有效抑制混凝土后期膨胀产生的变形。
(3）膨胀剂的水化产物与胶凝材料的性质有一定的关系，在含有50%粉煤灰混凝土中，膨胀剂中水化产物的形状为针状晶体，长径比较大，很少成聚集态，比表面积和微观内应变较小，提高了大体积混凝土的抗变形能力。
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