粉煤灰和礦渣粉對水下不分散混凝土性能的影響研究

張 鳴，王付鳴，葉 坤，吳正光，曾 毅

(1.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189；2.揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225127；3.深圳為海集團，深圳 518112)

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粉煤灰和礦渣粉對水下不分散混凝土性能的影響研究

張 鳴1,2，王付鳴2，葉 坤2，吳正光2，曾 毅3

(1.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189；2.揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225127；3.深圳為海集團，深圳 518112)

本試驗研究了粉煤灰和礦渣粉復摻時對水下不分散混凝土性能的影響，分析二者不同摻量復摻時對混凝土流動性、抗分散性、力學性能以及抗氯離子滲透性的影響規律。研究表明，與摻合料單摻相比，粉煤灰和礦渣粉復摻時混凝土流動性降低，但是抗分散性和抗氯離子滲透性明顯改善，同時二者復摻時能起到“疊加效應”，使早期強度和后期強度均較高。

水下不分散混凝土； 抗分散性； 流動性； 力學性能； 抗滲性

1 引 言

水下不分散混凝土在水利、橋梁、海洋工程等領域發揮了重要作用，隨著施工質量要求的不斷提高，對水下不分散混凝土的各種性能的研究要求也更高。Higgins[1]和錢覺時[2]提出磨細礦渣混凝土具有較高的抗氯離子滲透能力，在海洋環境中能較高地保護鋼筋性能。Tarun[3]認為只要粉煤灰取代水泥量不大于50%，粉煤灰能降低混凝土的氯離子滲透性。高懷英，馬樹軍[4]等提出，大摻量礦渣能明顯提高混凝土的密實度，從而提高混凝土抗侵蝕能力。劉建忠[5]對粉煤灰和礦渣粉復摻時混凝土抗氯離子侵蝕能力進行了研究，實驗表明，粉煤灰和礦渣復摻時，混凝土的抗氯離子滲透性隨著總摻量的增加而提高。于本田[6]根據ASTM
C1202法，對不同水膠比時復摻粉煤灰和礦渣粉的情況進行試驗，并提出當水膠比為0.38時，混凝土的抗滲性能最好，其中，當粉煤灰和礦渣粉摻量各為15%時混凝土的抗氯離子滲透性能達到最佳。

目前，許多學者[7-9]在摻合料對水下不分散混凝土(Underwater concrete，UWC)性能影響研究主要集中在抗滲透性方面，對抗分散性研究較少，本文在研究粉煤灰和礦渣粉復摻時對混凝土流動性、力學性能影響的同時也研究了對抗分散性以及抗滲性的影響。

2 試 驗

2.1 原材料

P·Ⅱ52.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為313 m2/kg，泰州水泥廠生產；Ⅱ級粉煤灰，比表面積為551 m2/kg，湖北產；礦渣粉，S95級，比表面積449 m2/kg，鹽城產；細骨料，河沙，細度模數2.5，江西產；粗骨料，粒徑5～20 mm，連續級配，武漢產；減水劑，聚羧酸減水劑，蘇州西卡產；抗分散劑，UWB-Ⅱ型，中國石油集團工程技術研究院海洋工程研究所生產。

試驗基準配比如表1所示，不同試驗分組中各摻合料所占比例如表2所示。

表1 水下不分散混凝土基準配合比Tab.1 Basic mix proportion of UWC /kg

表2 不同試驗分組中各摻合料所占比例Tab.2 Proportion of admixtures in UWC

2.2 測試方法

2.2.1 流動性測試

新拌UWC材流動性測試主要包括坍落度測試和坍擴度測試，測試方法參照規程DL/T 5117[10]，試驗步驟如下：將坍落度筒、搗棒用濕布潤濕，放在試驗區中央，將混凝土分三層裝入，每次裝入的高度大致為筒高的1/3，每一層裝入后用搗棍沿螺旋線由坍落度筒邊緣至中心插搗25次，將混凝土表面抹平后緩慢提起坍落度筒，并放置在試樣旁邊，待混凝土停止流動后測坍落度值，量出相互垂直的兩個直徑值，取其平均值作為坍擴度值。

2.2.2 力學性能測試

將新拌混凝土分別在陸地和水下成型150 mm×150 mm×150 mm試件，兩天后拆模，并移至標準養護室內養護分別進行水下和陸地養護至各齡期后，參照規程DL/T 5117[10]，進行力學性能測試，每齡期測試3個試件，取平均值作為最終結果。

2.2.3 抗氯離子滲透性

參照2.2.2節制備與養護混凝土試件，養護至28 d和56 d后，將混凝土取芯φ100×50 mm試件，參照GB-T50082-2009[11]中的電通量法測定混凝土的抗氯離子滲透性。

2.2.4 抗分散性能測試

本文通過pH值試驗、濁度試驗、懸濁物含量試驗3種方法來評價水下不分散混凝土的抗分散性能，參照DL/T 5117[10]，試驗方法如下：在1000 mL燒杯中加入800 mL水，然后取500 g水下不分散混凝土試樣并分成10等份，用小勺子將每一份混凝土從水面投入，使其緩慢自由落下，該操作需在10～20 s內完成，將燒杯靜置3 min。用吸管在1 min內從燒杯中輕輕吸取600 mL的水，注意不要吸入混凝土，將吸出的水作為試驗樣品，分別進行pH值、濁度、懸濁物含量試驗。

3 結果與討論

3.1 粉煤灰和礦渣粉對混凝土流動性的影響

坍落度和坍擴度是衡量混凝土流動性的主要指標。圖1為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時水下不分散坍落度。由圖可知，粉煤灰摻量為40%和礦渣粉摻量為40%時坍落度出現峰值，當粉煤灰摻量40%時坍落度為225 mm，礦渣粉摻量40%時坍落度為245 mm，粉煤灰摻量10%、礦渣粉摻量30%時坍落度最小，隨著礦渣粉摻量減小粉煤灰摻量增加時坍落度明顯增大。

圖2為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時水下不分散坍擴度，由圖可知，粉煤灰和礦渣粉復摻時混凝土坍擴度均小于粉煤灰或礦渣粉單摻時的情況，當粉煤灰摻量10%礦渣粉摻量30%時坍擴度最小，為430 mm，粉煤灰摻量40%時坍擴度最大，為495 mm，隨著礦渣粉摻量減小粉煤灰摻量增加時混凝土坍擴度明顯增大。

圖1 粉煤灰和礦渣摻量不同時的UWC坍落度Fig.1 Slump of UWC mixed with different content of fly ash and slag

圖2 粉煤灰和礦渣摻量不同時的UWC坍擴度Fig.2 Slump flow of UWC mixed with different content of fly ash and slag

3.2 粉煤灰和礦渣粉對混凝土抗分散性的影響

圖3 粉煤灰和礦渣摻量不同時UWC的水樣懸濁物含量Fig.3 Suspension particle content in test water of UWC mixed with different content of fly ash and slag

圖4 粉煤灰和礦渣摻量不同時UWC的水樣pH值Fig.4 pH value of test water UWC mixed with different content of fly ash and slag

圖3為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時水樣懸濁物含量，分析可知，粉煤灰或者礦渣粉單摻時水樣的懸濁物含量均較高，粉煤灰單摻雜時水樣的懸濁物含量最高，為156 mg/L，礦渣粉單摻雜時水樣的懸濁物含量為149 mg/L，當粉煤灰摻量10%礦渣粉摻量30%時懸濁物含量明顯降低，是粉煤灰單摻時懸濁物含量的87.92%，與粉煤灰摻量30%礦渣粉摻量10%相近，當粉煤灰摻量與礦渣粉摻量各為20%時，懸濁物含量最低，為122 mg/L，分別只有單摻粉煤灰和礦渣粉時的78.21%和81.88%。 圖4為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時水樣的pH值，由圖可知，單摻粉煤灰或礦渣粉時水樣的pH最大，分別為11.60和11.58，當礦渣粉摻量30%粉煤灰摻量10%時水樣的pH值由單摻礦渣粉時的11.58下降至11.35，當礦渣粉和粉煤灰摻量相等且均為20%時，水樣的pH值最小，隨著礦渣粉摻量下降為10%粉煤灰摻量提高到30%時水樣的pH值明顯增大。

圖5 粉煤灰和礦渣摻量不同時的水樣濁度值Fig.5 Turbidity of test water of UWC mixed with different content of fly ash and slag

圖5為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時水樣的濁度值，由圖可知，粉煤灰和礦渣粉復摻時濁度值的變化規律與懸濁物含量和pH值變化規律相似，粉煤灰或礦渣粉單摻時濁度值較高，單摻粉煤灰時濁度值最大為468.37 NTU，當礦渣粉和粉煤灰摻量各為20%時水樣的濁度值最低為343.23 NTU，為單摻粉煤灰時濁度值的73.28%。

試驗結果表明，與單摻粉煤灰或礦渣粉相比，粉煤灰和礦渣粉復摻時能顯著提高混凝土的抗分散性能。

3.3 粉煤灰和礦渣粉對混凝土力學性能的影響

圖6為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時陸地和水下成型養護試塊7 d強度，由圖可知，對于在陸地上成型養護的試塊，粉煤灰和礦渣粉復摻時試塊的抗壓強度均高于單摻粉煤灰時的強度。粉煤灰摻量40%時混凝土強度最低，為36.0 MPa，粉煤灰摻量10%礦渣粉摻量30%時強度最高，為51.5 MPa，粉煤灰摻量30%礦渣粉摻量10%時強度為43.5 MPa，是單摻粉煤灰時強度的1.21倍。對于在水中成型養護的混凝土試塊，隨著礦渣粉摻量減小粉煤灰摻量增加試塊的強度逐漸降低，礦渣粉摻量40%時強度最高為40.5 MPa，粉煤灰摻量40%時強度最低為30.8 MPa，因此礦渣粉和粉復摻時混凝土早期強度比單摻粉煤灰時要高。

圖7為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時陸地和水下成型養護試塊28 d強度，由圖可知，對于在陸地上成型養護的試塊，粉煤灰摻量10%礦渣粉摻量30%時強度最高為62.4 MPa，粉煤灰摻量40%時強度最低為50.8 MPa。粉煤灰和礦渣粉復摻，粉煤灰摻量小于20%時強度均高于單摻40%礦渣粉時強度，隨著粉煤灰摻量繼續增加礦渣粉摻量減小試塊強度明顯降低。對于在水中成型養護的試塊，礦渣粉摻量40%時強度最高為62.6 MPa，粉煤灰摻量40%時強度最低為45.9 MPa，粉煤灰摻量10%礦渣粉摻量30%與粉煤灰摻量礦渣粉摻量各為20%時強度相當。

圖6 UWC 7 d水、陸強度Fig.6 7 d compressive strength of UWC cured in air and underwater

圖7 UWC 28 d水、陸強度Fig.7 28 d compressive strength of UWC cured in air and underwater

3.4 粉煤灰和礦渣粉對混凝土抗氯離子滲透性的影響

按照GB-T50082-2009[8]中混凝土電通量試驗，研究粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時混凝土抗氯離子滲透性能的影響規律，表3為混凝土電通量與氯離子滲透性等級關系。

表3 混凝土電通量與氯離子滲透性等級關系Tab.3 Relationship between electric flux and chloride diffusion

圖8為粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時混凝土電通量，由圖可知，28 d齡期時，只摻礦渣粉或只摻粉煤灰的時混凝土電通量較大，按混凝土電通量評價指標此時滲透級別為“中”，當礦粉摻量30%、粉煤灰摻量10%時，混凝土電通量由只摻礦渣粉時的2553.23 C下降到1996.06 C，下降幅度為21.8%，與只摻粉煤灰時的混凝土電通量相比，下降幅度為33.55%，當礦渣粉摻量20%粉煤灰摻量20%時，混凝土電通量為2192.23 C，與只摻粉煤灰或者礦渣粉相比明顯降低，當礦渣粉摻量10%粉煤灰摻量30%時電通量為2392.89 C，只有單摻礦粉或單摻粉煤灰時的93.72%和79.66%，主要是因為粉煤灰摻入混凝土中能夠有效降低其孔隙率，提高混凝土的密實度從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。礦渣粉在混凝土內部堿性環境中活性得以激發，有效改善了混凝土內部結構，降低混凝土孔隙率，使得混凝土的抗滲性能也得到提高。

圖8 不同齡期的混凝土電通量比較Fig.8 Electric flux of UWC cured different duration

當齡期為56 d時，試驗的混凝土電通量數據可知此時測得的混凝土電通量均小于2000 C，對照混凝土電通量與滲透性評價指標可知，混凝土氯離子滲透性由28 d齡期的“中”降為“低”。單摻礦渣粉或粉煤灰時混凝土電通量最大，分別為1970.40 C和1895.11 C，較28 d齡期時分別下降了22.83%和36.91%，礦渣粉和粉煤灰各摻20%時混凝土電通量最小，為1293.47 C，與28 d齡期相比下降了41.1%，當礦渣粉摻量30%粉煤灰摻量10%、礦渣粉摻量10%粉煤灰摻量30%時混凝土電通量分別為1420.67 C和1560.53 C較28 d混凝土電通量分別下降28.83%和34.78%。

試驗結果表明，與單摻粉煤灰或礦渣粉相比，粉煤灰和礦渣粉復摻時水下不分散混凝土抗氯離子滲透性能得到很大的提升，此外，混凝土抗氯離子滲透性與養護齡期也有很大關系，試驗表明，56 d齡期時混凝土電通量比28 d下降至少22.83%。

4 結 論

粉煤灰和礦渣粉不同摻量復摻時，通過對混凝土流動性、抗分散性、力學性能以及抗滲性的測試、分析，得到以下結論：

(1)粉煤灰和礦渣粉復摻時，水下不分散混凝土的流動性弱于二者單摻時的流動性；

(2)粉煤灰和礦渣粉復摻時，水下不分散混凝土的抗分散性顯著提高，且粉煤灰和礦渣粉摻量比1∶1時，水下不分散混凝土抗分散性能最佳；

(3)粉煤灰和礦渣粉復摻時，混凝土強度基本介于單摻粉煤灰或單摻礦渣粉之間，二者同時使用時可以優勢互補，對混凝土早期以及后期強度均起到有利作用；

(4)與單摻粉煤灰和礦渣粉相比，粉煤灰和礦渣粉復摻時對提高混凝土抗滲性的效果更為明顯；摻有摻合料的水下不分散混凝土抗滲性受水化齡期影響顯著，齡期56 d后，摻合料抗滲效果才能充分發揮。

[1] Higgins D.The effectof GGBS on the durabilityof concrete[J].Conerete,1991,25(6):17-20.

[2] 錢覺時,唐祖全,盧忠遠,等.混凝土設計與控制[M].重慶:重慶大學出版社,2005:65-84.

[3] Tarun R,Naik,Shiw S.Singh and Mohammad M.Hossain.Permeability of concerete containing large amounts of fly ash[J].CementandConcreteResearch,1994,5(24):913-922.

[4] 高懷英，馬樹軍,黃國泓.大摻量磨細礦渣混凝土國內外研究及應用綜述[J].海河水利,2006,(3):47-50.

[5] 劉建忠,劉加平,鄧 敏,等.礦物摻合料對混凝土抗壓強度和氯離子滲透性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2005,(4):11-12.

[6] 于本田,王起才,周立霞,等.礦物摻合料與水膠比對混凝土耐久性的影響研究[J].硅酸鹽通報,2012,31(2):9-10.

[7] Han-Young M,Kook-Jae S.Frost attack resistance and steel bar corrosion of antiwashout underwater concrete containing mineral admixtures[J].CementandConcreteResearch, 2007,21(1):98-108.

[8] Raja R H.Underwater half-cell corrosion potential bench mark measurements of corroding steel in concrete influenced by a variety of material science and environmental engineering variables[J].2011,44(1):274-280.

[9] Han Y M,Kook J S.Evaluation on steel bar corrosion embedded in antiwashout underwater concrete containing mineral admixtures[J].CementandConcreteResearch,2006,36(3):521-529.

[10] DL/T 5117-2000.水下不分散混凝土試驗規程[S].北京:中國電力出版社,2001:69-70.

[11] GB-T50082-2009.普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2009:39-43.

Effect of Fly Ash and Slag on Anti-washout Underwater Concrete

ZHANGMing1,2,WANGFu-ming2,YEKun2,WUZheng-guang2,ZENGYi3

(1.School of Material Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;2.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China;3.Shenzhen Weihai Group,Shenzhen 518112,China)

This experiment did some research on the effect of fly ash and slag powder on the performance of anti-washout underwater concrete,analyzed the effects of two different dosage of mixed content on the fluidity, dispersion, mechanical properties and resistance to chloride ion permeability of concrete.It was shown thatcompared with the mixed material, the flow property of the concrete wasslightly lower than the content of the fly ash and slag powder,but the resistance to dispersion and resistance to chloride ion permeability was significantly improved,the composited mineral admixtures play "additive effect", which make concrete obtain both higher early strength and long-term strength.

anti-washout underwater concrete;anti-washout property;fluidity;mechanical property;impermeability

中國博士后科學基金(2015M581702)；住建部項目(2015-K6-001)；江蘇省太湖水污染治理專項資金課題(TH2014204)

張 鳴(1976-)，男，博士，講師.主要從事新型土木工程材料，結構工程方面的研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2611-06