綠色粉煤灰商品混凝土耐久性能研究及機理分析

喬宏霞 李 宇 何忠茂 陳丁山 孫 斌 向美玲

（1蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050;3甘肅土木工程科學研究院，甘肅 蘭州 730020）

混凝土是現代建筑的主要材料之一，其用量多，范圍廣，隨著城市化發展的進程加快，國家對節能、減排的政策提倡，綠色粉煤灰商品混凝土得到了更為廣泛的應用，在當今商品混凝土快速發展的今天，加強對其研究顯得的尤為重要，而提高混凝土強度主要是研究混凝土的耐久性，混凝土的耐久性[1-2]又包括抗滲性、抗凍性、抗侵蝕、后期強度增長等性能。混凝土強度、耐久性的研究直接關系到結構的安全與使用壽命，混凝土結構在其服務期間應維持所需的強度和其他功能，混凝土結構還必須能經受住各種各樣的侵蝕破壞，這常被稱為混凝土具有耐久性，目前，混凝土耐久性破壞占到混凝土結構破壞的主體地位[3]。因此，加強混凝土強度、耐久性的研究已成為建筑工程技術人員所面臨的重要課題之一。

目前，蘭州地區商品混凝土大多數只重視混凝土強度及其他力學性能和拌合物性能，忽視了混凝土的長期性能和耐久性要求，使混凝土的性能和壽命得不到充分的重視。在基于國家現行《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）6.2.5條中對耐久性有設計要求的混凝土應進行相關耐久性試驗驗證。因此，我們對蘭州地區商品混凝土做了耐久性試驗檢測，以此引起大家對商品混凝土耐久性的關注，深入開展這方面的研究并找到提高商品混凝土耐久性的有效措施。針對上述商品混凝土耐久性的研究存在的關鍵技術和理論問題，本文研究了蘭州地區某商品混凝土站的有耐久性設計要求的混凝土的抗滲性、后期強度和抗凍性等一系列耐久性能。

1 試驗

1.1 原材料和混凝土配合比

本次試驗的商品混凝土配合比采用普通硅酸鹽水泥、中砂、破碎卵石、摻和料、外加劑和水，配制了強度等級為C30、C35、C40、C45的混凝土試件。

1.2 水泥：采用大通河水泥廠生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，性能指標見表1所示，化學成分見表2所示。

1.3 粗集料

蘭州沙建司破碎卵石，粒徑為4.75～31.5mm連續級配，按GB/T14685-2011評定類別為II類，性能指標見表3。

表1 水泥的各項性能指標

表2 水泥的化學成分（%）

表3 破碎卵石性能指標

表4 粉煤灰性能指標（%）

表5 粉煤灰化學成分（%）

表6 混凝土配合比參數（重量比）

1.4 細集料

蘭州河口、臨洮砂按照1：1的比例混合，細度模數Mx=2.7，屬于II區中砂，堆積密度1540/m3，表觀密度2660kg/m3，其中大于10mm顆粒占5.1%。

1.5 礦物摻和料

蘭州西固熱電廠產II級粉煤灰，性能指標見表4，化學成分見表5，混凝土配合比見表6。

1.6 外加劑

天成減水劑，NF-G型高效減水劑，減水率為20%。

1.7 水：自來水，水質要求符合《混凝土拌合用水標準》（JGJ63-2006）。

2 檢測方法及評價參數

2.1 抗滲性試驗

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）所述混凝土抗滲試驗，將混凝土試件標準養護28d后，測試混凝土試件的抗滲等級。

抗滲等級按下式計算：

式中 P—抗滲等級；

H—6個試件中有3個滲水時的水壓力，MPa。

2.2 后期強度試驗

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行混凝土抗壓強度測試。本次試驗測試了混凝土的7d、28d、60d、90d、120d齡期時的抗壓強度。

本研究對試件后期強度選用的評價參數為相對28d抗壓強度df，計算方法為：

式中nf——混凝土nd齡期的抗壓強度（MPa）；

f28——混凝土28d齡期的抗壓強度（MPa）；

n——養護齡期（d）。

2.3 抗凍性試驗

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082-2009）中的慢凍法進行試驗和眾多學者的混凝土硫酸鹽腐蝕試驗研究[4]，采用無破損檢測試驗方法。在凍融循環每25次、50次、100次及以后每隔25次后測試件的動彈性模量和重量指標，計算相對動彈性模量和相對重量，對凍融循環結果進行分析。

相對動彈性模量按下式計算：

式中：rE—經過N次凍融循環后試件的相對動彈性模量，以三個試件的平均值計算（%）；

En—N次凍融循環后試件的動彈性模量（GPa）；

E0—凍融循環前測得的試件的動彈性模量（GPa）；

相對重量計算公式如下：

式中：rW—經過N次凍融循環后試件的相對重量，以三個試件的平均值計算（%）；

Wn—N次凍融循環后試件的重量（kg）；

W0—凍融循環前測得的試件的重量（kg）；

本研究對試件的抗凍性能參考了喬宏霞[5-6]設計的凍融損傷評價指標ω'，計算方法為：

ω'的破壞標準為：ω'＞1，混凝土強化；ω'＜1時，混凝土凍融損傷；ω'＜0時，混凝土破壞。

3 檢測結果及數據分析

3.1 C45混凝土耐久性檢測結果

選取強度等級為C45的混凝土配合比C45-II試件，采用HS-40型混凝土抗滲儀測得混凝土C45-II的抗滲等級為P10，后期強度發展規律見圖1所示，凍融損傷評價見圖2所示。

抗滲等級為P10的混凝土C45-II應該有較好的孔隙結構，密實性較好，有較好的抗滲性；圖1可見，該混凝土也具有較好的后期強度發展，在120d齡期時抗壓強度相對28d抗壓強度增長約30%，這是因為混凝土C45-II中摻加的II級粉煤灰發揮的火山灰效應，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細孔隙，提高了混凝土的后期強度；圖2可見，混凝土C45-II的凍融損傷評價指標'ω在125次凍融循環過程中先升高后降低，但始終大于1，說明混凝土C45-II在125次凍融循環過程中未受到損傷，可見混凝土C45-II有較好的抗凍性。

圖1 混凝土后期強度發展規律

圖2 混凝土凍融損傷評價

結合混凝土C45-II的抗滲性、后期強度發展和抗凍性三方面的綜合評價，該混凝土具有較好的耐久性。

3.2 C40混凝土耐久性檢測結果

選取強度等級為C40的混凝土配合比C40-II試件，采用HS-40型混凝土抗滲儀測得混凝土C40-II的抗滲等級為P8，后期強度發展規律見圖3所示，凍融損傷評價見圖4所示。

抗滲等級為P8的混凝土C40-II應該有較好的孔隙結構，密實性較好，有較好的抗滲性；圖3可見，該混凝土也具有較好的后期強度發展，在120d齡期時抗壓強度相對28d抗壓強度增長40%以上，這是因為混凝土C40-II中摻加的II級粉煤灰發揮的火山灰效應，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細孔隙，提高了混凝土的后期強度；圖4可見，混凝土C40-II的凍融損傷評價指標'ω在125次凍融循環過程中圍繞1上下波動，說明混凝土C40-II在125次凍融循環過程受到凍融損傷，但損傷程度并不嚴重，應該說混凝土C40-II的抗凍性較好。

圖3 混凝土后期強度發展規律

圖4 混凝土凍融損傷評價

結合混凝土C40-II的抗滲性、后期強度發展和抗凍性三方面的綜合評價，該混凝土具有較好的耐久性。

3.3 C35混凝土耐久性檢測結果

選取強度等級為C35的混凝土配合比C35-II試件，采用HS-40型混凝土抗滲儀測得混凝土C35-II的抗滲等級為P8，后期強度發展規律見圖5所示，凍融損傷評價見圖6所示。

抗滲等級為P8的混凝土C35-II應該有較好的孔隙結構，密實性較好，有較好的抗滲性；圖5可見，該混凝土也具有較好的后期強度發展，在120d齡期時抗壓強度相對28d抗壓強度增長接近40%，這是因為混凝土C35-II中摻加的II級粉煤灰發揮的火山灰效應，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細孔隙，提高了混凝土的后期強度；圖6可見，混凝土C35-II的凍融損傷評價指標'ω在175次凍融循環過程中一致處于升高趨勢，評價指標'ω始終大于1，說明混凝土C35-II在175次凍融循環過程中未受到損傷，可見混凝土C35-II有很好的抗凍性。

圖5 混凝土后期強度發展規律

圖6 混凝土凍融損傷評價

結合混凝土C35-II的抗滲性、后期強度發展和抗凍性三方面的綜合評價，該混凝土具有很好的耐久性。

3.4 C30混凝土耐久性檢測結果

選取強度等級為C30的混凝土配合比C30-II試件，采用HS-40型混凝土抗滲儀測得混凝土C30-II的抗滲等級為P8，后期強度發展規律見圖7所示，凍融損傷評價見圖8所示：

圖7 混凝土后期強度發展規律

圖8 混凝土凍融損傷評價

抗滲等級為P8的混凝土C30-II應該有較好的孔隙結構，密實性較好，有較好的抗滲性；圖7可見，該混凝土也具有較好的后期強度發展，在120d齡期時抗壓強度相對28d抗壓強度增長接近50%，這是因為混凝土C30-II中摻加的II級粉煤灰發揮的火山灰效應，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細孔隙，提高了混凝土的后期強度；圖8可見，混凝土C30-II的凍融損傷評價指標'ω在150次凍融循環過程中先升高后降低，但始終大于1，說明混凝土C30-II在150次凍融循環過程中未受到損傷，可見混凝土C30-II有較好的抗凍性。

結合混凝土C30-II的抗滲性、后期強度發展和抗凍性三方面的綜合評價，該混凝土具有良好的耐久性。

3.5 檢測結果的耐久性評價

對強度等級為C30～C45的混凝土試件的抗滲性、抗凍性、后期強度進行測試，測試結果表明，所選商品混凝土配合比均具有較好的耐久性能。

所選混凝土試件配合比的抗滲等級均能達到P8以上，在一般的工業民用建筑的使用環境中均符合抗滲性要求。試件均能承受0.8MPa以上的壓力水頭，應該具有較好的孔隙分布和較小的孔隙率，根據抗滲性評價，混凝土應該具有較好的耐久性能。

所選混凝土試件配合比試樣的后期強度發展規律顯示：所選混凝土配合比的120d齡期抗壓強度相對于各自28d抗壓強度增長達到30%～50%，均具有較好的后期強度儲備。后期強度發展的主要原因是混凝土配合比中均摻加25%～26%的粉煤灰，該粉煤灰中活性成分SiO2含量為60.0%，活性成分Al2O3含量為21.02%，這些活性成分能與水泥的水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應。

所選混凝土試件的凍融損傷評價指標'ω在試驗過程中約大于等于1，說明混凝土配合比在125次凍融循環中均無明顯損傷，可見粉煤灰的加入提高了混凝土的抗凍性。

文中的混凝土試件拌和時采用高效減水劑，水膠比都很小，游離水較少，形成的毛細孔較少，從所選試件的抗滲等級可以看出這一點。由于粉煤灰的加入使混凝土更加密實，所選試件的孔隙率較低，而且粉煤灰的加入也會細化混凝土的孔隙結構，所以在水飽和狀態下混凝土的含水率并不高，從而導致所選試件均有較好的抗凍性。

通過對文中所選試件耐久性的檢測結果分析，在本研究的商品混凝土配合比均具有良好的耐久性能。

5 結論

1）文中不同等級混凝土試塊的抗滲等級均在P8以上，120d抗壓強度相對28d抗壓強度增長率均在30%以上，在125次的凍融循環過程中性能無明顯損傷，測試結果表明，所選蘭州地區某商品混凝土站的商品混凝土配合比均具有較好的耐久性能。

2）文中所選粉煤灰，以其良好的微觀形態和化學構成，成為提高該混凝土試件耐久性能的重要原因。

3）混凝土試件拌和時由于采用高效減水劑，水膠比都很小，游離水較少，形成的毛細孔較少，因此提高了混凝土的耐久性能。

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