粉煤灰和锰渣对混凝土0～24 h收缩性能的影响*

汪 益，胡 瑜，杨洁珍，吴福飞

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)

混凝土早期容易发生塑性收缩导致建筑物产生开裂[1]。影响收缩的原因有混合料种类[2]、掺量组成[3]、试样尺寸[4]、骨料含量、粒径[5]、温度、施工、养护条件[6-7]等等，这些因素都将导致混凝土收缩产生裂缝。当裂缝超过合理范围将严重影响建筑物的使用寿命，给人们生产生活带来不便[1]。而在建筑行业中用的混凝土通常都是带裂缝工作的[8]，所以为了建筑物能正常使用，我们首先应该控制混凝土的收缩变形[9]。

粉煤灰作为建筑行业常用的材料之一，因其来源广泛，价格低廉，用于建筑中可减少生产成本。据研究，粉煤灰因具有形态效应与微集料效应可以有效抑制混凝土的早期开裂，将粉煤灰应用于混凝土中可以改善混凝土的收缩问题[10]。

高排放、高能耗、高污染的电解锰行业产生的锰渣会对环境造成不利影响[11]，为解决这个问题，国内的研究人员对电解锰行业和锰渣在混凝土中的应用进行了研究，研究发现电解锰产生的锰渣不仅可以用于农业和制作建筑行业中的陶瓷砖[12-13]，还可以用于混凝土行业中。梁骁[14]在锰渣粉配制轻质高强混凝土的试验研究中提出以锰渣为材料的混凝土性能良好，可以有效解决锰渣的处理问题；周代军等[15]在其研究中提出加入锰渣会影响混凝土的收缩性能；国外的MOISés Frias等[16]也对锰渣在混凝土中的应用进行了研究。据向鹏等[17]研究，将粉煤灰和锰渣等矿物投入混凝土应用中可以节约生产成本，保护坏境。另外韩静云等[18]在其研究中提出外加剂对混凝土的塑性收缩和抗裂性能具有不利的影响。综上所述，将粉煤灰、锰渣作为掺合料入混凝土中，不仅可以降低生产成本，也可以促进建筑行业节能减排，保护坏境。所以研究粉煤灰和锰渣对混凝土塑性收缩和抗裂性能的影响具有实际的应用价值。故本文拟通过研究外加剂和粉煤灰、锰渣等掺合料对混凝土0～24 h内塑性收缩的影响，为工程应用中混凝土收缩开裂的控制提供实践依据。

1 实 验

1.1 实验原材料

本实验采用各项指标符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》质量要求的P.O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰由贵州欣恒福黔西加工厂提供，技术等级为Ⅱ级，细度2.62 g/cm3，密度2.58 g/cm3，比表面积3600 cm2/g；锰渣由贵州松桃武陵锰业集团提供，经粉磨筛分得到细度为2.60 g/cm3，密度2.95 g/cm3，比表面积4520 cm2/g。各项材料的矿物组成见表1。外加剂使用聚羧酸减水剂，其固含量30%，减水率30%，推荐剂量0.2%～1.0%；细骨料采用细度模数2.5的天然砂，粗骨料为粒径不大于20 mm的碎石；实验中的水均为自来水。

表1 材料的矿物组成Table 1 Mineral composition of the material

1.2 实验方法

参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》中的接触收缩法，实验成型100 mm100 mm100 mm的立方体试模，使用百分表测量其收缩值。实验条件：温度为(20±2)℃，相对湿度为60%±5%，恒温恒湿条件下带模进行测试，测试时间从加水搅拌30 min开始，之后每隔1 h读取一次百分表的示数并记录，持续时间为24 h。

1.3 实验方案与配合比

为了探究掺合料和聚羧酸减水剂对混凝土塑性收缩性能的影响，经实验调配确定，以砂率为45%、水胶比为0.50的混凝土配合比为对照组，保持水胶比和砂率不变的情况下分别单掺粉煤灰和锰渣，探究其对混凝土塑性收缩的影响。掺合料采用等量取代水泥的方法，粉煤灰及矿粉的掺量分别为0、10%、20%、30%、40%；复掺方面，保证掺合料占胶凝材料总量的20%，只改变基准配合比中锰渣和粉煤灰的相对掺量。配合比见表2。

表2 实验配合比Table 2 Test mix ratio

2 结果与分析

2.1 聚羧酸减水剂对混凝土0～24 h收缩的影响

图1 聚羧酸减水剂掺量对混凝土0～24 h收缩的影响Fig.1 Effect of polycarboxylic acid water reducer content on shrinkage of concrete in 0～24 h

聚羧酸减水剂对混凝土0～24 h收缩的影响规律如下：在混凝土成型2 h前的收缩速率较快，2 h后的收缩速率基本不变。这是由于在相同条件下，掺入减水剂能够降低混凝土的泌水性能。随着自由水的挥发形成空隙，从而影响混凝土的致密性；在水泥硬化过程中，硬化的水泥石由于不受负压作用，导致混凝土变形过大。在图1中表现为0～2 h前的曲线变化速率较快。减水剂掺量为0.4%、0.8%、1.2%时，与对照组相比，各组的相对收缩值分别增加了10%、26%、33%。减水剂的掺量为0.4%和0.8%时，二者对混凝土的收缩影响基本相同。从W4曲线可以看出在21 h后混凝土还存在收缩变化，在24 h时达到其最大收缩值。减水剂掺量为1.2%时，明显增加了混凝土在0～24 h内的收缩值，并使其收缩过程延长；在掺量为0.4%和0.8%时，增大的收缩值基本一致。总结可以得出：减水剂的加入可以有效延缓水泥的水化作用，使混凝土的早期凝结硬化减慢，在水胶比相同的情况下，减水剂掺量越大，混凝土保持塑性的时间越长，流变性越大，可以提高混凝土抵抗收缩变形的能力。

2.2 粉煤灰掺量对混凝土0～24 h收缩的影响

粉煤灰对混凝土0～24 h收缩的影响规律如下：相较与对照组混凝土，当粉煤灰掺量为20%和30%时对混凝土的收缩有抑制作用，且掺量为30%时，抑制效果最佳。两组与对照组混凝土相比，掺量为30%时，其相对收缩值最大降低了10%；而掺量为20%时，虽然有一定的抑制作用，但效果不明显。在粉煤灰掺量为10%和40%时，反而加快了混凝土的塑性收缩。通过在测试龄期为2 h时对曲线纵向比较可知，在同一龄期，该掺量下的混凝土的纵坐标值更大。通过对已有资料的整理：混凝土的收缩主要与水泥的水化反应和体积变形有关，当采用粉煤灰等量取代水泥后，由于粉煤灰的火山灰效应和微集料效应，火山灰反应的时间较长，它的活性成分与水泥水化产物发生反应，生成的水化产物成为凝胶的一部分，使得胶凝体系的水化程度降低，混凝土早期的有效水灰比增大，最终在混凝土内部形成较为均匀的结构；另一方面，当粉煤灰掺量较大时，由于粉煤灰具有微集料效应，在拌和混凝土时，随着搅拌的进行粉煤灰将分散到水泥浆体中填充部分颗粒空隙，由此改善混凝土内部孔结构。但是当掺量为40%时，过量的粉煤灰会影响混凝土的内部结构，因为没有完全反应而留在混凝土内部导致混凝土原有的致密均匀的结构被破坏，从而增大了混凝土的收缩；掺量为10%时，粉煤灰等量取代水泥的量较少，自身的特性不明显，由于其与减水剂发生协同作用，促进了减水剂的减水效果，所以混凝土的收缩量也有相应程度的增加。由此可见掺入粉煤灰可对混凝土的塑性收缩起一定抑制作用，但抑制效果不与粉煤灰掺量成正相关。在李贞、王新杰、武强等的研究中，使用的粉煤灰对混凝土的收缩也有类似的作用。研究表明[19-21]：在一定掺量下，随着粉煤灰掺量的增加，塑性收缩降低，但是粉煤灰掺量较大时，塑性收缩有增加的趋势。因此对粉煤灰的使用还需要针对不同的情况，选取一个合适的掺量。

图2 粉煤灰掺量对混凝土0～24 h收缩的影响Fig.2 Effect of fly ash content on shrinkage of concrete in 0～24 h

2.3 锰渣掺量对混凝土0～24 h收缩的影响

图3 锰渣掺量对混凝土0～24 h收缩的影响Fig.3 Effect of manganese slag content on shrinkage of concrete in 0～24 h

锰渣对混凝土0～24 h收缩的影响规律如下：随着锰渣掺量的增加，与对照组相比，其余各组混凝土的收缩值都有不同程度的降低。当掺量为40%时，混凝土的收缩值最小，在4～20 h内的收缩值为0.19 mm，与掺入粉煤灰(30%)抑制效果最好的实验组比较，粉煤灰在4～20 h内的收缩值为0.39 mm，两者差了0.2 mm；结合图2和图3分析可知，掺锰渣时混凝土降低的最大收缩值是55%，掺粉煤灰时降低的最大收缩值是10%，两者相差了45%。可见掺入锰渣对混凝土0～24 h的收缩抑制作用优于粉煤灰。随着锰渣掺量的增加，混凝土的收缩值依次降低了47%、27.5%、50%、55%，其中最大降低了55%，由此可见锰渣对混凝土的收缩存在一个最佳掺量的选择。综上，可以发现锰渣对混凝土的收缩有很好的抑制作用。据研究[22-23]：锰渣对水泥的水化过程与硅酸盐水泥的水化过程相似，其主要区别在于水泥中的锰渣的水化过程和水化产物，掺有20%锰渣的水泥在水化早期的水化产物和未水化颗粒相互穿插存在，可以密实混凝土的孔隙结构，从而有效地降低了混凝土的收缩。结合实验过程及数据分析，随着锰渣掺量增加，减少了水泥用量的同时，由于锰渣的有效成分和水泥大致相同，在混凝土终凝之前，减少了混凝土内的惰性成分，使混凝土能够保持良好的体积稳定性，能够较好的抑制混凝土的塑性收缩。但是由于实验中锰渣的比表面积较大，且锰渣具有高吸水性，其掺量过大会导致混凝土不易成型，影响混凝土的力学性能，在实验时须加以高效减水剂或使用较大的水胶比才能保证混凝土的和易性。

2.4 复掺粉煤灰和锰渣对混凝土0～24 h收缩的影响

图4 复掺粉煤灰和锰渣对混凝土0～24 h收缩的影响Fig.4 Effect of mixed fly ash and manganese slag on shrinkage of concrete in 0～24 h

复掺掺和料对混凝土0～24 h收缩的影响规律如下：当粉煤灰和锰渣的相对掺量为10%、10%和14%、6%时(掺合料占胶凝材料总量的20%)，二者对混凝土0～24 h的收缩影响基本一致，在0～2 h前混凝土的收缩变化速率较快，之后的龄期内趋于平缓。与未加入掺合料的实验组相比，这两种情况下混凝土的最大相对收缩值都降低了42.2%。当粉煤灰和锰渣的相对掺量为16%、4%时，对混凝土的收缩也有一定的抑制作用，但在5 h前混凝土仍有较大的变形。分析曲线的变化可知，随着粉煤灰相对掺量的增加，混凝土的收缩值变化不大。在粉煤灰和锰渣的相对掺量为12%、8%时，其曲线变化与基准实验组基本一致，而且在6 h后的曲线变化中可以发现，存在某些时间点的收缩值要略大基准实验组，说明在该掺量下，复掺掺合料对混凝土的收缩基本没有影响，还可能会有相应程度的促进。

与单掺粉煤灰相比，复掺条件下混凝土的最大收缩值增加了32.5%。与单掺锰渣相比，其最大收缩值降低了12.5%。由此可见，本实验中复掺粉煤灰和锰渣对混凝土的收缩抑制效果优于单掺粉煤灰，但劣于单掺锰渣。分析本文粉煤灰和锰渣对混凝土塑性收缩作用，可知，在同一水胶比条件下，粉煤灰和锰渣等质量替代水泥，能改善混凝土内部微观结构，使粗毛细孔含量增加，细毛细孔含量降低，降低塑性收缩；而锰渣能使混凝土保持良好的体积稳定性，较好的抑制混凝土的塑性收缩。锰渣和粉煤灰的掺入使得浆体孔结构细化的同时也降低了孔隙的连通性，阻止了毛细孔水分的过多蒸发，能有效抑制混凝土塑性收缩，故双掺混凝土的塑性收缩低于对照组混凝土，当粉煤灰和锰渣掺加总量不变时，随着粉煤灰相对掺量的增大，混凝土的收缩值有一定程度的增加。表明混凝土的塑性收缩不仅与掺合料的种类，矿物组成有关，还与其相对掺量有密切的联系。

3 结 论

(1)水胶比相同时，减水剂掺量越大，混凝土的变形越大，混凝土塑性收缩的时间越长。对混凝土塑性收缩性能影响最大的减水剂掺量为1.2%；

(2)单掺法条件下，粉煤灰的最佳掺量为30%，锰渣的最佳掺量为40%。实验表明：不同种类的掺合料对混凝土收缩抑制效果不同，锰渣对混凝土塑性收缩的抑制作用优于粉煤灰；

(3)复掺粉煤灰和锰渣对混凝土塑性收缩的抑制效果优于单掺粉煤灰，劣于单掺锰渣。改变粉煤灰和锰渣的相对掺量对混凝土塑性收缩的影响较大，粉煤灰掺量为二者总量的10%和14%时(掺和料占胶凝材料总量的20%)，抑制作用最强。