灰渣混凝土耐久性能試驗研究

李化建，趙國堂，謝永江，譚鹽賓

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100083)

粉煤灰已經成為鐵路混凝土中不可或缺的組分，對于提高混凝土工作性能、降低混凝土水化熱、提高混凝土體積穩定性起到重要的作用［1-2］。現在滿足技術要求的粉煤灰越來越緊缺，導致鐵路混凝土工程造價增加，且嚴重影響工程工期。按細度、燒失量、需水量比等技術指標同時控制粉煤灰材料質量是制約大量顆粒粗、燒失量小的粉煤灰(以下稱為灰渣)無法使用的根本原因。大量研究表明，燒失量小、細度大的粉煤灰能夠制備出高工作性能、高耐久性能的混凝土。Carette G G等曾對美國8種粉煤灰和兩種波特蘭水泥配制的粉煤灰混凝土的新拌與硬化混凝土各種性能進行系統研究，8種粉煤灰的細度15.3% ～31.9%，燒失量0.30%～2.78%。研究結果表明高摻量粉煤灰混凝土引氣沒有困難，硬化體的氣泡間隔系數＜0.2 mm和比表面積＞25 mm2/mm3。根據ASTM C 666A試驗經1 000次凍融循環后，除一種情況耐久系數為67以外，其它耐久系數均很好;91 d濕養護混凝土的抗氯離子滲透能力，電量均＜650 C;混凝土滲透性很小，透水率接近10-6m/s［3-4］。如果按《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)規定來劃分，文中所用粉煤灰為Ⅱ級和Ⅲ級，在很多工程領域均無法使用。

為拓展粉煤灰資源，系統研究了灰渣的物理化學特性以及灰渣與外加劑的相容性后，證明影響混凝土關鍵指標是灰渣的燒失量，而不是細度［5］。本文在研究灰渣混凝土力學性能的基礎上，探討了灰渣混凝土的耐久性能，以消除人們對灰渣混凝土在工程中應用的擔憂。

1 灰渣混凝土試驗

1.1 原材料

灰渣取自德州華能電廠，其性能如表1所示，水泥采用琉璃河P·O42.5水泥，減水劑采用天津雍陽聚羧酸減水劑，減水率為29%，粗骨料為5～20 mm連續級配，細骨料為天然河砂，細度模數為2.8。

表1 灰渣的性能指標 %

1.2 配合比

通過調整減水劑來控制混凝土的工作性能，灰渣混凝土的目標坍落度180～210 mm，含氣量 2% ～4%。不同混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

混凝土力學性能:按照GB/T 0081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試。

混凝土電通量、氯離子擴散系數按GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行測試。

混凝土抗硫酸鹽干濕循環次數的干濕循環制度為:混凝土試件在20℃硫酸鹽溶液浸泡15 h，然后晾干1 h，接著在60℃條件下烘干6 h，然后冷卻2 h讓混凝土試件降溫至20℃，如此為1次干濕循環。然后混凝土試件再轉入浸泡15 h，繼續重復前述過程，開始下一個循環，總循環次數為150次?；炷量沽蛩猁}干濕循環試驗設備為自行研發混凝土抗硫酸鹽干濕循環試驗機(已授權國家專利)。

2 試驗結果分析

2.1 灰渣混凝土力學性能

混凝土抗壓強度如圖1～圖3所示，灰渣的摻入會降低混凝土抗壓強度絕對值，以28 d抗壓強度為評價標準，摻入30%的灰渣，可以滿足設計強度等級，如設計強度等級為C30的混凝土，摻入30%的灰渣后，強度能夠滿足該強度等級的設計要求。當摻加灰渣的量達到50%時，混凝土強度等級會降低一個強度等級，即設計的C40，摻入50%的灰渣后，其強度等級將降為 C30。

圖1 不摻摻合料混凝土抗壓強度回歸曲線

圖2 摻30%灰渣混凝土抗壓強度回歸曲線

圖3 摻50%灰渣混凝土抗壓強度回歸曲線

由回歸方程可知，無論是否添加灰渣，混凝土的抗壓強度與養護齡期的對數均呈現很好的線性相關性，并且回歸曲線的置信度較高，范圍為0.877 8～0.990 5。不同回歸曲線特征值與置信度如表3所示。由表3可知，對于以C50為基準的混凝土，養護齡期對數的系數隨著灰渣摻量的增加，其系數逐漸增加，即6.310 8(灰渣摻量為0)＜7.616 7(灰渣摻量為30%)＜7.653 3(灰渣摻量為50%)，表明灰渣的摻入能夠增加混凝土后期的抗壓強度;而回歸公式中常數隨著灰渣的摻入而逐漸減小，表明灰渣混凝土的初始強度較低，其原因是灰渣的摻入，可水化的水泥減小，粉煤灰的活化灰活性尚未得到發揮;對于C40為基準的混凝土，養護齡期的系數也隨著灰渣摻量的增加而增加，即7.099 6(灰渣摻量為 0)＜7.570 6(灰渣摻量為30%)＜7.682 0(灰渣摻量為50%);而對于C30為基準的混凝土，養護齡期的系數隨著灰渣的摻量增加而基本呈降低趨勢，即8.205 6(灰渣摻量為0)，5.896 6(灰渣摻量為30%)，6.024 2(灰渣摻量為50%)。其原因與C30混凝土膠凝組分中可以激發灰渣的Ca(OH)2量較少有關。

表3 灰渣混凝土回歸曲線特征值

2.2 灰渣混凝土電通量

表4為灰渣混凝土電通量試驗結果?；以炷? d混凝土電通量很大，有的高達4 400 C，混凝土抗氯離子滲透性屬于較差，但是當養護齡期為56 d時，混凝土電通量降低幅度很大，除了H4001未加摻合料混凝土56 d電通量 ＞1 500 C外，其余的混凝土均 ＜1 500 C，最小為870 C，混凝土抗滲性屬于極低水平。由于灰渣的摻入，灰渣—水泥體系水化較慢，在28 d時，體系中尚未形成致密結構，到56 d，灰渣與水泥水化的氫氧化鈣逐漸發生火山灰反應，形成更多的水化產物，細化體系中的孔結構，增加氯離子在體系中的傳輸位壘。

按照《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(報批稿)［6］的要求，灰渣混凝土可以滿足鐵路工程混凝土大多數要求。

表4 灰渣混凝土電通量試驗結果

2.3 灰渣混凝土抗氯離子滲透系數

灰渣混凝土抗氯離子擴散系數如表5所示。養護齡期從28 d到56 d，混凝土抗氯離子擴散系數顯著降低，對于灰渣混凝土，降低幅度更為顯著。氯離子擴散系數被應用于評價氯鹽侵蝕環境下混凝土的耐久性，《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T 50476—2008)和新修訂的《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》均采用氯離子擴散系數指標［7］。按照《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》對氯離子擴散系數的規定如表6所示，對比可知，除了H4003以外，其它混凝土能夠滿足L1環境等級下設計使用年限為60年的要求，而H5001～H5003能夠滿足 L1，L2，L3環境等級下設計使用年限為100年的要求。

灰渣混凝土氯離子擴散系數較小的原因有兩方面:一是灰渣中鋁含量較高，能夠固化一部分氯離子，這主要是以化學固化為主;二是灰渣的加入，細化了灰渣混凝土孔結構，阻礙了氯離子在體系中的傳輸。

表5 灰渣混凝土抗氯離子滲透性能

表6 氯鹽環境下混凝土抗氯離子滲透性指標

2.4 灰渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土試件在硫酸鹽溶液中自然浸泡直至發生性能劣化和破壞，通常需要很長時間，一般浸泡1～2年后混凝土試件才發生破壞。因此，為快速確定混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，以便指導實際工程應用，采用硫酸鹽干濕循環的辦法。灰渣混凝土抗硫酸鹽干濕循環的性能如表7。由結果可知，混凝土試件在經過150次硫酸鹽干濕循環后，其質量都有少量增加，而未出現質量降低，通過對混凝土試件觀察，發現混凝土試件外觀良好，未出現表面或棱角剝落等情況，如圖4所示。經過干濕循環交替作用的混凝土試件的抗壓強度則低于清水中的對比試件。由圖5可知，在不同循環次數時，經歷干濕循環交替的混凝土試件強度均出現明顯降低，純水泥混凝土試件強度最高損失率達15%，灰渣混凝土強度損失率最高為13%。由此可知，雖然摻灰渣混凝土抗壓強度低于純水泥混凝土，但其在硫酸鹽干濕循環交替作用下的強度損失率基本都低于純水泥混凝土，說明灰渣的摻入能有效提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。

表7 混凝土抗硫酸鹽干濕循環侵蝕性能的影響

3 結論

1)采用添加30% ～50%的灰渣，可以制備出坍落度180～210 mm、含氣量2% ～4%、強度等級 C30～C50的混凝土。

2)在相同膠凝材料下，添加30%的灰渣，混凝土可以達到相同強度級別，當灰渣摻量為50%時，混凝土降低一個強度等級。

圖4 經150次硫酸鹽干濕循環交替作用的灰渣混凝土試件外觀

圖5 混凝土抗硫酸鹽干濕循環抗壓強度損失率

3)灰渣混凝土具有較高的抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽干濕循環性能，可以應用于氯鹽環境和鹽類結晶破壞環境。

［1］趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應用管理技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］MALHOTRA M V.High-erformancehigh-volumeflyash concrete:materials，mixture proportioning，properties，construction practice，and case histories［Z］.Ottawa:2008.

［3］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Mechanical properties of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1993，90(6):535-544.

［4］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Durability of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1994，91(1):3-12.

［5］譚鹽賓，李化建，謝永江，等.燒失量和細度對粉煤灰漿體流變特性的影響［J］.鐵道建筑，2010(2):127-129.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵路混凝土結構耐久性設計規范(報批稿)［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.