和文超，薛 静，王 伟
（1.长治职业技术学院土木工程系，山西长治 046000；
2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024；
3.太原理工大学土木工程学院，山西太原 030024）
混凝土和水泥一直是建筑行业中主要的建筑材料，但是水泥和混凝土的生产和使用消耗了大量的自然资源，对可持续发展十分不利。为了实现绿色发展的目标，十分有必要寻找替代材料。粉煤灰是煤炭燃烧后的废弃物，由于富含二氧化硅和氧化铝相，具有替代水泥作为胶凝材料的潜力［1］。但是不同类型的粉煤灰具有不同的矿物成分，如空心微珠、残炭、氧化铝和稀有金属元素等，在进行工程应用时需要进行分离和提取［2］。这其中，粉煤灰微珠富含二氧化硅和金属氧化物，具有粒径小、活性高的特点［3］。
许多学者对粉煤灰微珠作为替代胶凝材料的可行性及性能进行了研究。例如王杰等［4］和郭峻驿等［5］分别利用粉煤灰微珠制备低密度的水泥和泡沫混凝土，通过实验证明合理地添加粉煤灰微珠能够改善混凝土的孔隙结构［4］，可以大量掺入以降低材料的生产成本［5］。王雪莲［6］、黄伟等［7］和李宇容等［8］分别对粉煤灰微珠改性混凝土的强度、收缩性能、流动性和保温性能进行了研究，结果表明适当的粉煤灰微珠掺量和水胶质量比（简称水胶比）可以提高混凝土的强度和体积稳定性［6］，适量的粉煤灰微珠也可以改善混凝土的保温性能［7］和流动性能［8］。同时，刘应强等［9］和LI等［10］对含粉煤灰胶凝材料的强度和微观结构进行了研究，证明粉煤灰微珠能够改善胶凝材料的孔隙结构［10］，提高胶凝材料的力学性能［9］。此外，也有学者对粉煤灰微珠应用在聚合物中的可行性［11］以及养护条件［12］对粉煤灰微珠混凝土性能的影响规律进行了研究，并获得了建设性的结论。
由以上内容可知，粉煤灰微珠作为替代胶凝材料制备混凝土时可以获得良好的强度、保温和工作性能。但是在实际工程环境下，混凝土会受载而发生徐变，而目前对粉煤灰微珠混凝土强度发展与受载徐变相关性方面的研究较少。为此，本文利用粉煤灰微珠按照0%、10%、20%和30%（质量分数）替代水泥作为胶凝材料制备了4种不同的混凝土试样，通过力学测试、徐变实验和压汞实验对不同粉煤灰微珠掺量下混凝土试样的强度发展、徐变变形规律和微观结构变化规律进行研究，并从微观结构出发对粉煤灰微珠对混凝土宏观特性的影响进行了解释。
1.1 原材料
实验采用的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，水泥的初凝时间和终凝时间分别为130 min和195 min，水泥的密度和比表面积分别为3 010 kg/m3和2 250 m2/kg，化学成分如表1所示。采用的粉煤灰微珠为西卡公司生产的优质粉煤灰微珠，该微珠的密度为2 440 kg/m3，化学成分如表1所示。微珠和水泥的粒径分布曲线如图1所示，图中C代表水泥，FMB代表粉煤灰微珠，下同。由表1和图1可知，粉煤灰微珠中的二氧化硅和三氧化二铝的含量较高；
粉煤灰微珠的粒径相比于水泥更小。
表1 水泥和粉煤灰微珠的化学成分Table 1 Chemical compositions of cement and fly ash microbeads %
图1 粉煤灰微珠和水泥的粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curves of fly ash microbeads and cement
1.2 试样分组及实验方法
为了研究不同粉煤灰微珠含量的试样的徐变特征，分别用粉煤灰微珠按0%、10%、20%和30%（质量分数）替代水泥作为胶凝材料。细骨料是最大粒径为4.75 mm的河砂；
粗骨料是粒径为4.75～22 mm的碎石；
水胶比为0.4；
同时按照3.5 kg/m3的比例添加了萘系高效减水剂。不同试样的分组和单位体积试样的材料质量配比如表2所示。
表2 试样分组及单位体积试样的配比Table 2 Sample grouping and ratio of samples per unit volume
根据实验内容和目标，每种试样均制备3种不同规格的试件。其中，抗压实验采用的是尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件；
弹性模量测试采用的为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱形试样；
徐变实验则采用尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱试件。参照表2和实验目标进行试样的配比、搅拌、浇筑和养护；
标准养护（温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度为95%以上）到设计龄期后进行性能实验；
强度和弹性模量实验步骤参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》；
徐变实验步骤参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，在徐变实验中试样的竖向荷载分别为4种试样7 d抗压强度的25%；
分别在完成7、14、28、45、60、90、120、150、180 d的标准养护后进行徐变实验。
2.1 抗压强度
不同粉煤灰微珠试样的抗压强度如图2所示。由图2可知，随着龄期的增加，试样的抗压强度均逐渐增加，且在龄期≤28 d时，对照组试样的抗压强度高于掺入粉煤灰微珠试样的抗压强度；
其中，C、FMB10、FMB20和FMB30试样在28 d的抗压强度分别为59.1、55.3、52.4、44.3 MPa。但是与不含粉煤灰微珠试样的对照组相比，掺入粉煤灰微珠后试样的抗压强度长期增长率明显增强；
当龄期达到90 d时C、FMB10、FMB20和FMB30试样的抗压强度分别为64.5、66.5、68.7、57.7 MPa；
同样的，当龄期达到180 d时，FMB10和FMB20试样的强度仍然高于对照组试样C的抗压强度。由此可知，掺入适量的粉煤灰微珠对混凝土的长期强度有利，而且粉煤灰微珠掺量为20%对试样90～180 d的抗压强度最有利。
图2 不同龄期试样的抗压强度Fig.2 Compressive strength at different ages
为了进一步反映粉煤灰微珠对混凝土强度增加的影响规律，分别对7～28 d、28～90 d和90～180 d的抗压强度增长率进行了计算，结果如图3所示。由图3可以看出，试样在7～28 d的强度增长率在粉煤灰微珠掺量分别为0、10%、20%和30%时分别为24.1%、27.3%、30.9%和30.2%。但是在粉煤灰微珠掺量分别为0、10%、20%和30%时，试样在28～90 d的抗压强度增长率分别为9.1%、20.2%、31.3%和30.3%，在90～180 d的抗压强度增长率分别为4.84%、4.58%、4.71%和7.19%。由此可以看出粉煤灰微珠对混凝土早期强度的增长作用较弱；
但是对混凝土28～90 d时强度的增长作用明显，尤其是在掺量≥20%时；
在养护时间大于90 d时，试样的抗压强度增长率均显著下降且随着粉煤灰微珠掺量的增加变化较弱。
图3 不同龄期试样抗压强度增长率Fig.3 Growth rate of compressive strength
2.2 弹性模量
不同粉煤灰微珠掺量下混凝土的弹性模量变化规律与抗压强度的增长规律类似，结果见图4。由图4可知，随着龄期的增长，弹性模量均逐渐增加，且在龄期≤28 d时，对照组的弹性模量最大；
当龄期≥90 d时，FMB20试样的弹性模量最大。这也能说明粉煤灰微珠对混凝土的长期力学性能增长有利。
图4 不同试样的弹性模量Fig.4 Elastic modulus of different samples
但是弹性模量的增长率随着粉煤灰微珠掺量的变化规律与抗压强度随粉煤灰微珠的变化规律稍有不同，结果见图5。由图5可知，混凝土7～28 d和28～90 d的弹性模量增长率随着粉煤灰微珠掺量的增加先增加后降低，且都在粉煤灰微珠掺量为20%时最大。虽然当粉煤灰微珠掺量≥20%时，28～90 d的弹性模量增长率大于7～28 d的弹性模量增长率，但是早期和后期的弹性模量增长率差异较小。当养护龄期达到90～180 d时，试样的弹性模量增长率明显降低；
在粉煤灰微珠掺量分别为0、10%、20%和30%时的弹性模量增长率分别为2.44%、2.37%、3.43%、2.77%；
相比之下，掺量为20%时的弹性模量仍然最大。
图5 不同试样的弹性模量增长率Fig.5 Growth rate of elastic modulus
2.3 徐变特性
试样的徐变特征如图6所示。由图6可知，随着受载时间的增加，试样的徐变变形逐渐增加，整体呈先快后慢的趋势，在60 d后逐渐趋于稳定。相比之下，对照组的徐变变形最大，FMB10次之，而FMB20试样的徐变变形值最小。表明掺入20%的粉煤灰微珠可以有效降低混凝土的徐变变形。
图6 试样的徐变增长规律Fig.6 Law of creep growth
同时从图6还可以看出，徐变变形在28 d内发展最快，几乎占到180 d总徐变变形量的65%。而在28 d内，粉煤灰微珠对混凝土强度增长效应较弱，此时对照组的抗压强度和弹性模量均最大；
但是对照组的徐变变形也大于其他试样。由于徐变变形量不仅与试样的力学特征有关，也和试样所承受的竖向载荷有关，为了更加清晰地反应出4种试样的徐变特性，在此利用徐变应变除以所采用的竖向荷载获得单位竖向应力所对应的应变以便于比较。此应变在此定义为比应变，利用式（1）计算：
式中：εc和σc分别为徐变应变和荷载（σc为7 d抗压强度的25%）。
根据式（1）计算得出4种试样的比徐变，如图7所示。从图7可知，随着受载时间的增加，试样的比徐变也逐渐增加，且前30 d的比徐变增加最快，60 d后的比徐变趋于稳定。但是与徐变变形规律不同，FMB30试样的比徐变值最大，对照组C的比徐变次之，FMB20试样的比徐变最小。由图3和图4可知，虽然FMB30长期强度发展最好，但是在28 d内的强度和弹性模量最小，因此在单位应力下的徐变量最大；
而粉煤灰微珠掺量为20%时，试样的强度和弹性模量以及其增长率均较好，所以在单位应力下的徐变变形最小。这说明单位应力下的徐变变形是力学性能和强度发展综合作用的结果。
图7 不同试样的比徐变增长规律Fig.7 Law of specific creep growth of different samples
由以上内容可知，粉煤灰微珠的加入改变了混凝土的力学和徐变特性。根据已有的研究［6，13］，粉煤灰微珠的加入主要有两方面的作用：第一，粉煤灰微珠的粒径小（本文采用的粉煤灰微珠有80%的粒径小于5 µm），可以对水泥水化产生的微小孔隙进行填充，产生微集料效应；
第二，粉煤灰微珠含有活性SiO2，能够与水泥水化产生的Mg（OH）2和Ca（OH）2发生反应生成硅酸盐凝胶，从而提高试样的力学特性。因此，随着粉煤灰微珠掺量的增加，试样的强度逐渐增加，徐变变形逐渐降低；
但是粉煤灰微珠的活性较水泥低，当掺量超过20%时会对试样的整体水化反应产生不利影响，使得试样的力学特性出现退化，徐变变形也增大。
2.4 孔隙特征分析
混凝土的宏观性能与微观结构有紧密联系，且试样孔隙特征是粉煤灰微珠的微集料效应和水化反应的综合效果。为了分析粉煤灰微珠对混凝土微观孔隙特征的影响规律，利用压汞实验对4种混凝土试样的孔隙结构进了研究，不同试样的孔隙结构特征如图8所示。从图8可知，FMB30试样的孔径分布曲线最高，C次之，而FMB10和FMB20则相对较小。不同孔径的体积和总体积如表3所示。结合图8和表3可知，FMB30试样的各个孔径的孔隙体积和总体积均是最高的，对照组C的大孔隙体积（＞100 nm）较高，总的孔隙体积仅次于FMB30。FMB20试样的小孔隙（＜50 nm）体积多于FMB10，二者的大孔隙（＞100 nm）体积却非常接近；
但是FMB20的中孔隙（50～100 nm）明显少于FMB10。结合徐变和孔隙结构分析可知总孔隙率越高试样的强度越低，徐变变形越大，且中孔隙和大孔隙对混凝土强度和徐变的影响较大。
图8 不同试样的孔隙特征Fig.8 Pore characteristics of different samples
表3 试样不同孔径的孔隙体积Table 3 Pore volume of different pore sizes mL/g
本文通过实验研究了粉煤灰微珠部分替代水泥对混凝土抗压强度、弹性模量和徐变的影响规律，获得了以下结论：1）粉煤灰微珠部分替代水泥会降低试样的早期抗压强度和弹性模量，但是粉煤灰微珠对混凝土长期强度增长率和弹性模量增长率有明显的积极作用，且最佳的粉煤灰微珠掺量为20%；
2）混凝土的徐变变形在30 d内最大，60 d后基本趋于稳定，掺入20%的粉煤灰微珠可以降低混凝土的比徐变，但是过多的粉煤灰微珠会明显降低早期强度，反而会增加混凝土的徐变变形；
3）混凝土的孔隙率越高，混凝土力学特性越弱，加入20%粉煤灰微珠会降低混凝土的中孔隙、大孔隙和总孔隙体积，从而改善混凝土的强度和徐变特性。