高摻量粉煤灰對(duì)高性能混凝土體積穩(wěn)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(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)以及微集料效應(yīng)已廣泛應(yīng)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(shí)，改善混凝土的工作性能;降低材料的總水化熱和內(nèi)部絕熱溫升，減輕混凝土的開裂傾向;并通過(guò)摻合材料的微集料效應(yīng)和二次水化反應(yīng)，改善混凝土中最薄弱的水泥石—骨料的界面過(guò)渡區(qū)以及基體的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，減少混凝土中的細(xì)小裂紋，提高混凝土材料的密實(shí)性，從而提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，改善混凝土的體積穩(wěn)定性及耐久性能。長(zhǎng)期以來(lái)，工程界就粉煤灰對(duì)高性能混凝土性能的影響進(jìn)行了大量的研究，得出了許多有關(guān)粉煤灰改善混凝土性能的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高性能混凝土的優(yōu)化配制及應(yīng)用起到了較大的作用。但是，這些研究主要以服務(wù)施工為目的，其中部分根據(jù)前人的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，且研究?jī)?nèi)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(duì)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(shí)(超過(guò)膠凝材料總量的20%)，對(duì)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(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)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(jí)粉煤灰;

3)砂子:河北新樂(lè)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8;

4)石子:河北滿城5～10 mm、10～25 mm二級(jí)配碎石;

5)減水劑:聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 收縮試驗(yàn)方法

試件在3 d齡期從標(biāo)養(yǎng)室取出并立即移入恒溫恒濕室測(cè)定其初始長(zhǎng)度，并在 1、3、7、14、21、28、56、90 d(從移入恒溫恒濕室內(nèi)算起)測(cè)量變形讀數(shù)。

1.2.2 碳化試驗(yàn)方法

試件脫模后，用色筆按與試件成型面平行的方向?qū)⒃嚰上鄬?duì)側(cè)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(zhuǎn)入碳化箱進(jìn)行試驗(yàn)。碳化箱控制溫度20℃ ±3℃，濕度(65±5)%，二氧化碳濃度(80±5)%。到試驗(yàn)齡期后將試件從碳化箱中拿出，將試件在壓力機(jī)上破開，測(cè)定兩面的碳化深度。

1.2.3 抗氯離子滲透性方法

將試件進(jìn)行鉆心取樣后用硅膠涂于試件側(cè)面密封。測(cè)試前進(jìn)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(jī)，啟動(dòng)真空泵，數(shù)分鐘內(nèi)真空度達(dá)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(fù)常壓再繼續(xù)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(yàn)槽內(nèi)，密封后將試驗(yàn)裝置放在20℃～23℃的流動(dòng)冷水槽中，水面低于裝置頂面5 mm。試驗(yàn)在20℃～25℃恒溫室內(nèi)進(jìn)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(cè)的試驗(yàn)槽中，注入氯化鈉溶液的試驗(yàn)槽內(nèi)的銅網(wǎng)連接電源負(fù)極，注入氫氧化鈉溶液試驗(yàn)槽中的銅網(wǎng)連接電源正極。接通電源，對(duì)上述兩銅網(wǎng)施加60 V直流恒電壓，記錄初始讀數(shù)，通電并保持試驗(yàn)槽中充滿溶液。開始時(shí)每隔5 min記錄一次電流值，當(dāng)電流值變化不大時(shí)，每隔10 min記錄一次電流值，當(dāng)電流值變化很小時(shí)，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(yàn)方法

試件在齡期前4 d從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出，進(jìn)行外觀檢查，然后在溫度為15℃ ～20℃的水中浸泡4 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)在2～4 h內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間不小于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4。試件每隔25次循環(huán)做一次橫向基頻測(cè)量。凍融達(dá)到以下三種情況之一即可停止試驗(yàn):

1)已達(dá)到300次循環(huán);

2)相對(duì)動(dòng)彈模下降到60%以下;3)重量損失率達(dá)5%。

1.3 試驗(yàn)用配合比

1.3.1 收縮、抗氯離子滲透與抗凍性試驗(yàn)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(yàn)用混凝土配合比 kg/m3

1.3.2 碳化試驗(yàn)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(jù)混凝土坍落度控制。

表2 碳化試驗(yàn)用混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同粉煤灰摻量對(duì)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(shí)間等多個(gè)因素有關(guān)的重要物理力學(xué)特性，歷來(lái)受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作者的高度關(guān)注［5］。由于混凝土收縮發(fā)生的機(jī)理十分復(fù)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(guī)律。由圖1可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)粉煤灰的摻量低于膠凝材料的25%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的收縮量呈減小的趨勢(shì);當(dāng)粉煤灰的摻量超過(guò)膠凝材料的25%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的收縮量稍有所增加，但當(dāng)90 d齡期時(shí)，其收縮量與粉煤灰25%摻量時(shí)基本趨于一致。

這說(shuō)明，當(dāng)粉煤灰在一定的摻量情況下，其對(duì)高性能混凝土的收縮有較好的改善作用。粉煤灰對(duì)混凝土收縮的改善機(jī)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(tài)向硬化態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡期，水泥石的彈性模量很低，徐變系數(shù)很高，而自收縮的大小取決于毛細(xì)管負(fù)壓，因此隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物減少，臨界半徑增大，毛細(xì)管負(fù)壓降低，產(chǎn)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(chǎn)物在水泥顆粒表面堆積和搭結(jié)程度。粉煤灰替代部分水泥后，減少了參加水化反應(yīng)的水泥量，水泥顆粒表面水化產(chǎn)物的堆積和搭結(jié)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(shí)的水泥石硬化體結(jié)構(gòu)相對(duì)變得疏松，開口毛細(xì)孔的粗孔相對(duì)含量增加，同時(shí)閾值孔徑也增大，彈性模量降低，徐變系數(shù)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(duì)毛細(xì)孔負(fù)壓的變化非常敏感，在相同水化速度下，混凝土收縮增長(zhǎng)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(yīng)，使得摻入粉煤灰的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度得到顯著改善，彈性模量大幅度提高，徐變系數(shù)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(nèi)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(guò)程固相體積增大，擠壓周圍的水泥水化產(chǎn)物，使原來(lái)比較疏松的蠕蟲狀凝膠發(fā)生蠕變，提高水泥石硬化體結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，降低毛細(xì)孔含量，并對(duì)其起到細(xì)化和隔斷作用。另外，粉煤灰水化過(guò)程消耗水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2，降低骨料界面與水泥石中的大顆粒Ca(OH)2結(jié)晶體含量，提高混凝土內(nèi)部的均勻性和密實(shí)性，使得不同粉煤灰摻量的混凝土總收縮值無(wú)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(wěn)定的原因所在。試驗(yàn)同時(shí)也說(shuō)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(nèi)，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(guò)20%后，收縮減少的幅度變小。

2.2 不同粉煤灰摻量對(duì)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?jié)B性與碳化試驗(yàn)結(jié)果

表3為不同粉煤灰摻量混凝土的碳化試驗(yàn)結(jié)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(biāo)的情況下，混凝土的單方用水量逐漸降低，這說(shuō)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?dú)w結(jié)于其形態(tài)效應(yīng)。玻璃體微珠減小拌合物的內(nèi)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?jié)B性越好。但是，試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻量越高，混凝土的抗碳化性能越差，表現(xiàn)為混凝土的碳化深度隨粉煤灰摻量的提高有上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗嗍炝吓c水接觸后開始發(fā)生水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2，粉煤灰取代部分水泥后，水化產(chǎn)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(yīng)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(lái)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(yīng)將消耗掉大量的Ca(OH)2，將使混凝土中的堿儲(chǔ)備、液相堿度等降低。這樣，混凝土中的堿儲(chǔ)備減少，碳化中和作用的過(guò)程縮短，也就導(dǎo)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(dāng)粉煤灰摻量高于30%時(shí)，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(shí)混凝土的抗離子滲透性能變得越來(lái)越好了。因此，從保持混凝土抗碳化能力的角度來(lái)講，粉煤灰的摻量不宜高于膠凝材料的30%以上。這對(duì)暴露于受二氧化碳侵蝕嚴(yán)重的鋼筋混凝土構(gòu)筑物來(lái)講，尤為重要［7］。

2.3 不同粉煤灰摻量對(duì)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(duì)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(lái)源于粉煤灰的密實(shí)填充效應(yīng)，另一方面粉煤灰與水化產(chǎn)物 Ca(OH)2發(fā)生二次水化，生成 C-S-H凝膠，改變孔結(jié)構(gòu)，孔徑細(xì)化，阻斷可能形成的滲透通道;同時(shí)Ca(OH)2減少晶體數(shù)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?jié)B性與齡期成正比，即齡期越長(zhǎng)，其抗?jié)B性能越高，56 d較28 d提高的更為明顯。這說(shuō)明大摻量粉煤灰在后期充分水化后仍能提高抗?jié)B性。這對(duì)于混凝土抵抗外界氯離子向內(nèi)部的滲透遷移是有利的。

2.4 不同粉煤灰摻量對(duì)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(jīng)300次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率。從相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化指標(biāo)來(lái)看，不同粉煤灰摻量的混凝土間的差異不大，這說(shuō)明經(jīng)受300次凍融循環(huán)后，各粉煤灰摻量的混凝土的內(nèi)部損傷情況基本一致;而從重量損失率的指標(biāo)來(lái)看，粉煤灰摻量越大，混凝土的重量損失率越小，即經(jīng)受凍融循環(huán)后，試件的外觀損傷越小，這說(shuō)明其抗凍性能越好。這是因?yàn)榉勖夯业膿搅吭酱螅炷恋目節(jié)B性越好，外界水分不易滲入混凝土內(nèi)部，這樣混凝土內(nèi)部的可凍水總量就較少，當(dāng)經(jīng)受凍融循環(huán)時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力就較小，受到的損失就較小［8］。

3 結(jié)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(nèi)，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(guò)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(dāng)粉煤灰摻量高于30%時(shí)，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(lái)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?jié)B性。

5)從相對(duì)動(dòng)彈性模量來(lái)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(lái)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?yè)搅繎?yīng)根據(jù)構(gòu)筑物所處的具體環(huán)境對(duì)混凝土的性能要求來(lái)確定。當(dāng)處于高碳化環(huán)境時(shí)，粉煤灰的摻量不宜超過(guò)膠凝材料的30%;當(dāng)處于富氯離子環(huán)境時(shí)，粉煤灰的摻量宜超過(guò)膠凝材料的30%。

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