王 輝，劉旭輝，蔡升宇，張 武

(1.北方工業(yè)大學土木工程學院,北京 100144；2.廣州市市政集團有限公司,廣州 510060；3.廣東省水利電力勘測設計研究院,廣州 510635)

0 引 言

珠江三角洲水資源配置工程是珠江流域綜合規(guī)劃的重要水資源配置工程，其盾構隧洞采用襯砌管片、鋼管內襯以及其間填充的混凝土組成的新型復合襯砌結構形式，其中填充的混凝土采用高性能自密實混凝土進行澆筑。自密實混凝土(self-compacting concrete)，亦稱高流態(tài)混凝土(highly fluidized concrete)，是一種免振搗、具有高流動性且使用時不會發(fā)生泌水離析現(xiàn)象的一種高性能混凝土[1-2]。自密實混凝土往往需使用大量的粉體材料以滿足其工作性能，水泥作為自密實混凝土的主要粉體材料，在生產及使用過程中均會帶來嚴重的環(huán)境污染問題。已有研究表明，粉煤灰已經成為混凝土的一種重要礦物摻合料[3]。對于工程實際而言，經濟性是一個極為重要的指標，利用粉煤灰作為自密實混凝土的粉體用料可帶來一定的經濟效益，且粉煤灰對混凝土的工作性能、抗壓強度和耐久性能等有著顯著的影響[4-5]。因此，研究水泥與粉煤灰復合使用下的自密實混凝土抗壓強度發(fā)展規(guī)律具有重要意義。目前，國內外對摻粉煤灰普通混凝土的抗壓強度增長與齡期的關系已有相關研究，張揚等[6]研究了粉煤灰摻量為50%、75%和100%(體積分數(shù))時混凝土抗壓強度的變化規(guī)律；周玲珠等[7]通過等體積替代水泥的方法，研究了不同高粉煤灰摻量對混凝土工作性能和抗壓強度的影響規(guī)律；Dong等[8]研究了不同養(yǎng)護條件下高粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響，并建立了考慮粉煤灰摻量和成熟度函數(shù)的混凝土抗壓強度發(fā)展的經驗公式。而大摻量粉煤灰對高性能自密實混凝土抗壓強度影響方面的研究較少[9]，本文依托實際工程通過粉煤灰摻量為30%、45%、60%(體積分數(shù))的高性能自密實混凝土配合比試驗，分析研究了自密實混凝土在不同粉煤灰摻量下抗壓強度的變化規(guī)律，以期為工程應用提供指導。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為廣東英德海螺水泥有限責任公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.16 g/cm3；粉煤灰為廣東佛山某公司生產的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.51 g/cm3，拌合水為自來水；外加劑選用聚羧酸高效減水劑。根據JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[10]中的規(guī)定對骨料性能進行檢測，粗骨料為天然碎石，最大粒徑為20 mm，含水率為0.63%，連續(xù)級配，表觀密度為2.62 g/cm3；細骨料為普通天然河砂，細度模數(shù)為2.58，屬于Ⅱ區(qū)中砂，含水率為3.12%，級配良好，表觀密度為2.60 g/cm3，骨料的篩分曲線如圖1所示。

圖1 骨料篩分曲線Fig.1 Screening curves of fine aggregate and coarse aggregate

1.2 自密實混凝土配合比

采用日本東京大學崗村甫教授提出的自密實混凝土配合比設計方法，詳見文獻[11]。根據現(xiàn)場原材料特性，設定混凝土中石子體積用量為330 L/m3，將混凝土看作是由石子和砂漿組成的混合物，可以得到砂漿的體積用量為670 L/m3；將砂漿看作是砂和凈漿的混合物，取砂率(砂與砂漿的體積比)為45%，得到凈漿的體積用量；最后根據水灰比以及粉體材料之間的摻和比例計算用水量和粉體材料用量。水灰比即粉體與水的體積比分別采用1.05、1.15、1.25，粉煤灰摻量為30%、45%、60%(體積分數(shù))，設計了9組自密實混凝土配合比。采用CECS203—2006 《自密實混凝土應用技術規(guī)程》[12]中所推薦的坍落擴展度試驗、V漏斗試驗、U型箱試驗、L形儀試驗進行工作性能測試，以評價高性能自密實混凝土的流動性、填充性及間隙通過性。自密實混凝土配合比及工作性能結果如表1所示。由表1可知，各工況下自密實混凝土的坍落擴展度(USF)均在650～700 mm之間，V漏斗時間(tv)在5～25 s，U型箱填充高度在320 mm以上，L形儀比例也基本滿足要求，混凝土自密實性能等級為二級[8]。水灰比為1.05時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土流動性逐漸降低，粘性逐漸增大，工作性能變差；水灰比為1.15和1.25時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土流動性逐漸增大，粘性逐漸減小，工作性能有所改善。制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊在標準條件下養(yǎng)護，分別測定3 d、7 d、28 d、90 d立方體抗壓強度，按規(guī)范[13]要求乘以0.95系數(shù)換算成邊長為150 mm的標準試塊的抗壓強度。

表1 自密實混凝土配合比及試驗結果Table 1 Mix proportion and test results of self-compacting concrete

2 結果與討論

2.1 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度發(fā)展的影響

3 d、7 d、28 d、90 d的立方體試塊平均抗壓強度試驗結果如表2所示。由表2可以看出，相同水灰比下，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實混凝土抗壓強度增長速率不同， 3 d、7 d抗壓強度增長較快，后期增長速率減緩。3 d齡期抗壓強度可達到28 d抗壓強度的43.7%～53.1%，7 d齡期抗壓強度可達到28 d抗壓強度的51.2%～70.4%，90 d齡期抗壓強度較28 d抗壓強度可提高14%～50%。

表2 高性能自密實混凝土抗壓強度結果Table 2 Compressive strength results of high performance self-compacting concrete

三種水灰比3 d、7 d、28 d、90 d的平均抗壓強度隨粉煤灰摻量變化規(guī)律曲線見圖2。從圖2中可以看出，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d、7 d、28 d、90 d抗壓強度均減小。三種水灰比3 d/28 d、7 d/28 d、90 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量變化規(guī)律曲線見圖3。從圖3中可以看出， 3 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加變化不大；7 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加逐漸減小但減幅不大；90 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加而增加，說明粉煤灰對自密實混凝土早期強度影響較小，對28 d后抗壓強度有顯著提升作用。

圖2 抗壓強度隨粉煤灰摻量變化關系曲線Fig.2 Curves of compressive strength changingwith fly ash content

圖3 強度比隨粉煤灰摻量變化關系曲線Fig.3 Curves of strength ratio changing with fly ash content

2.2 摻粉煤灰自密實混凝土抗壓強度規(guī)律分析

自密實混凝土的抗壓強度增長速率的影響因素較多，齡期、高效減水劑、大摻量的粉煤灰、水灰比的影響相互耦合。為探究不同粉煤灰摻量對自密實混凝土抗壓強度的具體影響關系，需考慮水泥與粉煤灰復合粉體對自密實混凝土的抗壓強度作用。歐洲規(guī)范CEB-FIP考慮水泥種類影響的因素，提出了抗壓強度隨時間的變化規(guī)律為：

(1)

式中:fcu(t)為t齡期時混凝土的抗壓強度值；t為混凝土齡期；s為水泥種類影響系數(shù)；fcu，28為混凝土28 d的抗壓強度。

本文借鑒式(1)提出了考慮粉煤灰影響的自密實混凝土抗壓強度隨時間的預測公式，即式(2)，并對表2中抗壓強度進行擬合，結果如圖4所示，其中Test piece 1、2、3分別指三個試件，為了減小誤差，取三個相同配合比試件的平均值進行擬合。

圖4 自密實混凝土抗壓強度隨時間變化曲線Fig.4 Changing curves of compressive strength of self-compacting concrete with time

(2)

式中:a為復合粉體對抗壓強度影響系數(shù)。

由圖4中的回歸方程將自密實混凝土28 d抗壓強度與系數(shù)a列于表3，并對數(shù)據回歸分析，如圖5所示。系數(shù)a表示復合粉體對抗壓強度影響系數(shù)，回歸分析可以得到：

在30%煤灰摻量下，系數(shù)a的回歸函數(shù)(相關系數(shù)R2=0.979)：

a=8.295×10-4fcu,28+0.346

(3)

在45%粉煤灰摻量下，系數(shù)a的回歸函數(shù)(相關系數(shù)R2=0.956)：

a=8.410×10-3fcu,28+0.116

(4)

在60%粉煤灰摻量下，系數(shù)a的回歸函數(shù)(相關系數(shù)R2=0.855)：

a=2.326×10-2fcu,28-0.120

(5)

表3 自密實混凝土28 d強度值對應的系數(shù)aTable 3 Coefficient a corresponding to 28 d strength value of self-compacting concrete

圖5 不同粉煤灰摻量下系數(shù)a與28 d強度變化關系Fig.5 Relationship between coefficient a and 28 d compressive strength under different fly ash content

由以上線性函數(shù)可以看出，在粉煤灰摻量30%與45%下，系數(shù)a與自密實混凝土28 d的抗壓強度均呈現(xiàn)較好的相關關系，相關系數(shù)均大于0.95；然而，在粉煤灰摻量到60%下，其相關系數(shù)為0.855，介于0.8和0.9之間，說明此時粉煤灰對混凝土抗壓強度影響較大，此時回歸分析得到的公式可靠性有所降低但仍具有一定參考性。

3 結 論

(1)粉煤灰摻量的增加極大改善了自密實混凝土的工作性能，并對不同齡期的混凝土抗壓強度造成影響。隨粉煤灰摻量的增加，自密實混凝土抗壓強度均減小。

(2)隨粉煤灰摻量的增加，3 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加變化不大，7 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加有所減小，90 d/28 d強度比值隨粉煤灰摻量的增加而增加。說明粉煤灰對自密實混凝土早期強度影響較小，對后期強度提升作用較大。

(3)水灰比與粉煤灰摻量會影響試件抗壓強度增長速率，不同摻量粉煤灰對齡期影響程度不同，同一水灰比下，粉煤灰摻量越大的自密實混凝土，其抗壓強度影響系數(shù)越大。