高摻量粉煤灰對高性能混凝土體積穩定性及耐久性的影響

劉 輝

(中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070)

粉煤灰因其良好的形態效應、活性效應以及微集料效應已廣泛應用于高性能混凝土的配制［1-4］。粉煤灰的加入，可在降低混凝土單方用水量的同時，改善混凝土的工作性能;降低材料的總水化熱和內部絕熱溫升，減輕混凝土的開裂傾向;并通過摻合材料的微集料效應和二次水化反應，改善混凝土中最薄弱的水泥石—骨料的界面過渡區以及基體的毛細孔結構，減少混凝土中的細小裂紋，提高混凝土材料的密實性，從而提高混凝土的抗滲性和抗凍性，改善混凝土的體積穩定性及耐久性能。長期以來，工程界就粉煤灰對高性能混凝土性能的影響進行了大量的研究，得出了許多有關粉煤灰改善混凝土性能的經驗，對高性能混凝土的優化配制及應用起到了較大的作用。但是，這些研究主要以服務施工為目的，其中部分根據前人的相關經驗，且研究內容大多以粉煤灰在較低的摻量情況下(一般低于膠凝材料總量的20%)，而對高摻量粉煤灰高性能混凝土性能的研究較少。因此，本文主要研究了粉煤灰在較高摻量時(超過膠凝材料總量的20%)，對混凝土收縮性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能及抗凍性能的影響。

1 試驗研究方法

1.1 試驗用原材料

1)水泥:河北故城 P·O42.5低堿水泥;

2)粉煤灰:山東茌平Ⅰ級粉煤灰;

3)砂子:河北新樂中砂，細度模數2.8;

4)石子:河北滿城5～10 mm、10～25 mm二級配碎石;

5)減水劑:聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 收縮試驗方法

試件在3 d齡期從標養室取出并立即移入恒溫恒濕室測定其初始長度，并在 1、3、7、14、21、28、56、90 d(從移入恒溫恒濕室內算起)測量變形讀數。

1.2.2 碳化試驗方法

試件脫模后，用色筆按與試件成型面平行的方向將試件兩相對側面各劃10條等分線，到齡期后將試件放入烘箱(105℃)中烘48 h，再將試件表面不劃線部分用石蠟密封，然后轉入碳化箱進行試驗。碳化箱控制溫度20℃ ±3℃，濕度(65±5)%，二氧化碳濃度(80±5)%。到試驗齡期后將試件從碳化箱中拿出，將試件在壓力機上破開，測定兩面的碳化深度。

1.2.3 抗氯離子滲透性方法

將試件進行鉆心取樣后用硅膠涂于試件側面密封。測試前進行真空保水，將試件放入1 000 ml燒杯中一起放入真空干燥機，啟動真空泵，數分鐘內真空度達133 Pa以下。保持真空3 h后，維持這一真空度并注入足夠的蒸餾水，直至淹沒試件，試件浸泡1 h后恢復常壓再繼續浸泡(18±2)h。從水中取出試件抹去多余水份，將試件安裝于試驗槽內，密封后將試驗裝置放在20℃～23℃的流動冷水槽中，水面低于裝置頂面5 mm。試驗在20℃～25℃恒溫室內進行。將濃度為0.3%的氯化鈉和0.3 mol/L的氫氧化鈉溶液分別注入試件兩側的試驗槽中，注入氯化鈉溶液的試驗槽內的銅網連接電源負極，注入氫氧化鈉溶液試驗槽中的銅網連接電源正極。接通電源，對上述兩銅網施加60 V直流恒電壓，記錄初始讀數，通電并保持試驗槽中充滿溶液。開始時每隔5 min記錄一次電流值，當電流值變化不大時，每隔10 min記錄一次電流值，當電流值變化很小時，每隔30 min記錄一次電流值，直至通電6 h。

1.2.4 抗凍性試驗方法

試件在齡期前4 d從養護地點取出，進行外觀檢查，然后在溫度為15℃ ～20℃的水中浸泡4 d后進行凍融試驗。每次凍融循環在2～4 h內完成，其中用于融化的時間不小于整個凍融時間的1/4。試件每隔25次循環做一次橫向基頻測量。凍融達到以下三種情況之一即可停止試驗:

1)已達到300次循環;

2)相對動彈模下降到60%以下;3)重量損失率達5%。

1.3 試驗用配合比

1.3.1 收縮、抗氯離子滲透與抗凍性試驗用配合比(見表1)

1)膠材用量490 kg/m3;

2)粉煤灰占膠凝材料的總量分別為10%、20%、25% 、30% 、40%;

3)固定用水量和減水劑用量。

表1 收縮、抗氯離子滲透與抗凍性試驗用混凝土配合比 kg/m3

1.3.2 碳化試驗用配合比(見表2)

1)膠材用量400 kg/m3;

2)摻合材料用量分別為粉煤灰單摻20%、30%、40%;

3)固定減水劑用量，用水量根據混凝土坍落度控制。

表2 碳化試驗用混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及分析

2.1 不同粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響(見圖1)

混凝土收縮是混凝土材料與時間等多個因素有關的重要物理力學特性，歷來受到國內外相關研究工作者的高度關注［5］。由于混凝土收縮發生的機理十分復雜，主要有四種:塑性收縮(plastic shrinkage)、自生收縮(autogeneous shrinkage)，碳化收縮(carbonation shrinkage)和干燥收縮(drying shrinkage)。

圖1 混凝土隨齡期的收縮

圖1反映了不同摻量的混凝土隨齡期的收縮變化規律。由圖1可以發現:當粉煤灰的摻量低于膠凝材料的25%時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的收縮量呈減小的趨勢;當粉煤灰的摻量超過膠凝材料的25%時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的收縮量稍有所增加，但當90 d齡期時，其收縮量與粉煤灰25%摻量時基本趨于一致。

這說明，當粉煤灰在一定的摻量情況下，其對高性能混凝土的收縮有較好的改善作用。粉煤灰對混凝土收縮的改善機理可概括為［5-6］:由于粉煤灰的加入，減少了水泥用量，降低了混凝土硬化速度。早期的混凝土尚處在從塑性態向硬化態轉變的過渡期，水泥石的彈性模量很低，徐變系數很高，而自收縮的大小取決于毛細管負壓，因此隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土內部水化產物減少，臨界半徑增大，毛細管負壓降低，產生的自收縮量減少。其后，水泥的水化速度主要取決于自由水剩余量與水化產物在水泥顆粒表面堆積和搭結程度。粉煤灰替代部分水泥后，減少了參加水化反應的水泥量，水泥顆粒表面水化產物的堆積和搭結程度減弱，剩余自由水含量提高，有利于未水化水泥的水化。而此時的水泥石硬化體結構相對變得疏松，開口毛細孔的粗孔相對含量增加，同時閾值孔徑也增大，彈性模量降低，徐變系數增大。因此1 d至3 d齡期范圍摻入粉煤灰的混凝土自收縮對毛細孔負壓的變化非常敏感，在相同水化速度下，混凝土收縮增長幅度隨粉煤灰摻量的增加而有所增大。

3 d后，不同粉煤灰摻量的混凝土的水化速度基本相同。隨著水泥水化的深入與粉煤灰的填充效應，使得摻入粉煤灰的混凝土內部結構密實度得到顯著改善，彈性模量大幅度提高，徐變系數大幅度下降。7 d后粉煤灰顆粒參與水化，使體系的水化速度隨粉煤灰摻量的增加而提高，混凝土內部的自干燥速度也隨粉煤灰摻量的增加而增大。但粉煤灰水化過程固相體積增大，擠壓周圍的水泥水化產物，使原來比較疏松的蠕蟲狀凝膠發生蠕變，提高水泥石硬化體結構的密實度，降低毛細孔含量，并對其起到細化和隔斷作用。另外，粉煤灰水化過程消耗水泥水化產物Ca(OH)2，降低骨料界面與水泥石中的大顆粒Ca(OH)2結晶體含量，提高混凝土內部的均勻性和密實性，使得不同粉煤灰摻量的混凝土總收縮值無明顯差異。這也是各摻量粉煤灰混凝土在90 d后，其收縮值趨于穩定的原因所在。試驗同時也說明，并不是粉煤灰摻量越多，混凝土的收縮性能改善越大。粉煤灰摻量在0～25%范圍內，混凝土收縮隨著粉煤灰摻量的增加而減少，但粉煤灰摻量超過20%后，收縮減少的幅度變小。

2.2 不同粉煤灰摻量對混凝土抗碳化性能的影響(見表3)

表3 不同粉煤灰摻量混凝土的坍落度、抗滲性與碳化試驗結果

表3為不同粉煤灰摻量混凝土的碳化試驗結果。由表3可見:隨著粉煤灰摻量的增加，在保持相近坍落度工作性能指標的情況下，混凝土的單方用水量逐漸降低，這說明粉煤灰具有一定的減水效果，且摻量越高，其減水效果越明顯。粉煤灰的減水效果主要歸結于其形態效應。玻璃體微珠減小拌合物的內摩阻力，起到減水、分散和勻化作用。

表3還表明:粉煤灰的摻量越高，其電通量值越低，表明混凝土的抗滲性越好。但是，試驗也發現粉煤灰的摻量越高，混凝土的抗碳化性能越差，表現為混凝土的碳化深度隨粉煤灰摻量的提高有上升的趨勢。這是因為水泥熟料與水接觸后開始發生水化反應，生成Ca(OH)2，粉煤灰取代部分水泥后，水化產物中的 Ca(OH)2將與粉煤灰玻璃體中的活性成分 SiO2和Al2O3反應生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，從而降低了混凝土中的重要堿度來源Ca(OH)2。因此，粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土的二次反應將消耗掉大量的Ca(OH)2，將使混凝土中的堿儲備、液相堿度等降低。這樣，混凝土中的堿儲備減少，碳化中和作用的過程縮短，也就導致粉煤灰混凝土抗碳化性能的降低，隨粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土碳化速度增加，當粉煤灰摻量高于30%時，混凝土的碳化速度迅速增加，抗碳化能力顯著降低，盡管此時混凝土的抗離子滲透性能變得越來越好了。因此，從保持混凝土抗碳化能力的角度來講，粉煤灰的摻量不宜高于膠凝材料的30%以上。這對暴露于受二氧化碳侵蝕嚴重的鋼筋混凝土構筑物來講，尤為重要［7］。

2.3 不同粉煤灰摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響(見表4)

表4 不同摻量粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由表4可以得出，粉煤灰等量替代水泥摻入后能大幅度降低混凝土的氯離子滲透性，且隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗氯離子滲透性越高。其原因一方面來源于粉煤灰的密實填充效應，另一方面粉煤灰與水化產物 Ca(OH)2發生二次水化，生成 C-S-H凝膠，改變孔結構，孔徑細化，阻斷可能形成的滲透通道;同時Ca(OH)2減少晶體數量和尺寸，降低基體的孔隙率。

由表4還可以看出，混凝土的抗滲性與齡期成正比，即齡期越長，其抗滲性能越高，56 d較28 d提高的更為明顯。這說明大摻量粉煤灰在后期充分水化后仍能提高抗滲性。這對于混凝土抵抗外界氯離子向內部的滲透遷移是有利的。

2.4 不同粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的影響(見表5)

表5 不同粉煤灰摻量混凝土的抗凍性能

表5為不同粉煤灰摻量混凝土在28 d和56 d齡期經300次凍融循環后的相對動彈性模量和質量損失率。從相對動彈性模量的變化指標來看，不同粉煤灰摻量的混凝土間的差異不大，這說明經受300次凍融循環后，各粉煤灰摻量的混凝土的內部損傷情況基本一致;而從重量損失率的指標來看，粉煤灰摻量越大，混凝土的重量損失率越小，即經受凍融循環后，試件的外觀損傷越小，這說明其抗凍性能越好。這是因為粉煤灰的摻量越大，混凝土的抗滲性越好，外界水分不易滲入混凝土內部，這樣混凝土內部的可凍水總量就較少，當經受凍融循環時，混凝土內部產生的應力就較小，受到的損失就較小［8］。

3 結論

1)粉煤灰具有一定的減水效果，且摻量越高，其減水效果越明顯。

2)粉煤灰摻量在0～25%范圍內，混凝土收縮隨著粉煤灰摻量的增加而減少，但粉煤灰慘量超過20%后收縮減少的幅度變小。

3)隨粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土碳化速度增加，當粉煤灰摻量高于30%時，混凝土的碳化速度迅速增加，抗碳化能力有所降低，從保持混凝土抗碳化能力的角度來講，粉煤灰的摻量不宜高于膠凝材料的30%。

4)摻入粉煤灰能大幅度降低混凝土的氯離子滲透性，且隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗氯離子滲透性越高。而且，大摻量粉煤灰在后期充分水化后仍能大幅提高混凝土的抗滲性。

5)從相對動彈性模量來看，各粉煤灰摻量的混凝土的抗凍性能差異不大;但從重量損失率來看，粉煤灰摻量越大，重量損失率越小，抗凍性能越好。

6)粉煤灰的合理摻量應根據構筑物所處的具體環境對混凝土的性能要求來確定。當處于高碳化環境時，粉煤灰的摻量不宜超過膠凝材料的30%;當處于富氯離子環境時，粉煤灰的摻量宜超過膠凝材料的30%。

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［8］胡江，黃佳木，李化建，等.摻合料混凝土抗凍性能及氣泡特征參數的研究［J］.鐵道建筑，2009(6):124-127.