粉煤灰混凝土滲透相關性的試驗研究

王建東，呂 萌1，章玉容1，吳 嘉1，張俊芝

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310023)

粉煤灰由于具有良好的火山灰效應和微集料效應而被廣泛應用于水工混凝土中[1]，它可以提高混凝土的耐久性能。目前，對粉煤灰混凝土滲透性(尤其是氯離子擴散方面)的研究比較多[2-3]，但是針對混凝土的水、氣體滲透性的研究不多，而且關于滲透性與其氯離子擴散性能之間的相關性研究成果很少[4]。以這三種滲透介質反映混凝土滲透性的結果各具優缺點[5-6]：水滲透作為介質不易被壓縮，可直接評價混凝土滲透性，但當混凝土密實度較高時透水性低，目前常用的水壓法測試得到的混凝土水滲透性結果并不理想[7]；RCM法測試過程中存在電極極化的問題[8]；而氣體作為滲透介質又具有可壓縮性等。因此，利用粉煤灰混凝土的水、氣體與其氯離子擴散性之間的關系，可以更全面地評價混凝土氯離子擴散性能[9]，并為粉煤灰混凝土耐久性設計提供參考。

筆者采用穩定滲流法[10]、Cembureau氣體滲透法和ASTM C1202直流電量法，分別測試了試驗混凝土的水、氣體滲透系數以及氯離子擴散系數等抗滲性參數；分析了降低混凝土的水滲透性、氮氣滲透性以及氯離子擴散性能的粉煤灰最佳摻量；研究了水、氣滲透性與氯離子擴散性之間的相關性，并以壓汞法[11](Mercury intrusion porosimetry)數據為依據，從微觀角度分析粉煤灰的最佳摻量。

1 試驗材料與測試方法

1.1 試驗原材料與配合比

試驗選用細度模數為2.4、表觀密度為2 600 kg/m3的中細河沙為細骨料；粗骨料最大粒徑20 mm，其表觀密度為2 700 kg/m3；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰；試驗中所用的拌合水以及養護用水均為杭州地區的自來水，密度取為1 000 kg/m3。水泥為P.C 32.5復合硅酸鹽水泥，其安定實驗合格，終凝時間為320 min，試驗混凝土配合比如表1所示。

表1 試驗混凝土的配合比

1.2 混凝土水、氣體滲透性的測試方法

根據上述中的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的混凝土試件，每個規格試件的數量為2 個。經標準環境下養護28 d后，用SCQ-U自動切石機切割制備滲透性測試樣本。其中，每個試件切出6 片分別進行水和氣體滲透性測試(3 片用于水滲透測試，3 片用于氣體滲透測試)，即每個規格的混凝土的水和氣體滲透測試的試件數量均為6片，以此消除混凝土材料隨機性對測試結果的影響[12]。水、氣體滲透試驗的理論依據為Darcy定律[13]，即

(1)

通過代入邊界條件并考慮介質流速修正系數，得到混凝土水和氣體滲透系數公式，即

(2)

(3)

式中：μw為水的運動黏性系數10-6kPa·s；Q為通過混凝土的平均流量，m3/s；h為試件厚度，m；A為試件的過水(氣)截面面積，m2；ΔP為試件上下表面的水壓差，MPa；μg為N2的運動黏性系數，Pa·s；V為N2的體積流量，L；P表示氣體滲透試驗壓力，MPa；Pa為大氣壓力，MPa。由于氣體具有可壓縮性，因此在計算氣體流速時進行了修正[14]。

水滲透試驗采用穩態滲流法，將對應試件進行18 h真空飽水，取出后在中心位置保留80 mm×80 mm的過水面積，為保證水、氣體在混凝土內單向流動，對其余表面進行封蠟處理。由HS-4型自動恒壓水滲透儀從0加壓至穩定2 MPa的水壓，待滲流穩定后進行讀數。

氣體滲透試驗采用Cembureau氣體滲透法，將氣體滲透試驗試件放入YF101-2A型鼓風干燥箱進行48 h烘干處理，烘干溫度為(85±5)℃，取出后冷卻并采取封蠟處理(處理方式同水滲透實驗試件)，采用高純度氮氣逐級加壓至0.3 MPa，待30 min(即氣體流速達到穩定狀態)后讀數[12]。

1.3 混凝土氯離子擴散系數的測試

混凝土的氯離子擴散系數試驗參照美國試驗與材料協會(ASTM)提供的標準試驗方法，利用ASTM C1202直流電量法測定。在制備上述用于水、氣體滲透性測試的混凝土的同時，每個摻量同時制備6 個直徑100 mm，高度50 mm的圓柱體標準試件，標準養護28 d后進行電通量測試，并通過換算得到氯離子擴散系數值[15]，即

D=(0.004 92×Q+2.582)×10-12

(4)

式中：D示混凝土氯離子擴散系數，m2/s；Q表示試驗混凝土總導電量值，C。

1.4 壓汞法(MIP)測試混凝土的孔隙率及孔徑分布

試驗采用美國麥克默瑞提克公司的AUTOPO-RE 9500型壓汞儀測定。用手持切割機從每個試件中隨機切出尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣，質量保持在2.4 g左右，試樣中保留砂漿和骨料，并盡可能保證粗骨料所占的比例相同。為確保試驗不受試樣內部水分影響，測試前將試樣放入恒定溫度(105±5)℃的YF101-2A型鼓風干燥箱中連續干燥2 h，再進行壓汞測試。

2 試驗結果與分析

根據公式(2～4)，得出粉煤灰混凝土的水滲透系數Kw、氣體滲透系數Kg及氯離子擴散系數D，按照格拉布斯(Grubbs)準則[16]進行數據處理，得到的平均值作為混凝土水和氣體滲透系數及氯離子擴散系數，如圖1，2所示。

圖1 混凝土水、氣體滲透系數與粉煤灰摻量的關系

圖2 氯離子擴散系數與粉煤灰摻量的關系

2.1 混凝土滲透性能與粉煤灰摻量的關系

由圖1，2可知：摻加粉煤灰對養護28 d的混凝土的水、氣體滲透系數及氯離子擴散系數的影響大體規律是一致的。與試驗對比組1(未摻粉煤灰)相比，摻加粉煤灰的2，3，4，5四組混凝土的水、氣體滲透系數及氯離子擴散系數有明顯的降低，其中2組混凝土水、氣體滲透系數及氯離子擴散系數較試驗對比1組分別降低了15.64%，10.18%及4.76%。說明在水膠比為0.40的情況下，摻加粉煤灰對提升混凝土耐久性具有良好的正面效應。當粉煤灰摻量超過30%后，水、氣體滲透系數及氯離子擴散系數沒有明顯下降，且隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗滲性有了降低的趨勢。其中，降低混凝土的氣體滲透系數和氯離子擴散系數的粉煤灰最佳摻量均為40%，而降低水滲透系數的粉煤灰最佳摻量為30%。

粉煤灰混凝土抗滲性能降低的主要原因是粉煤灰具有火山灰效應和密實填充效應。粉煤灰具有良好的細度，可以有效填充混凝土內部的孔隙。在早期28 d時，混凝土內一部分粉煤灰發生二次水化反應生成具有膠凝性質的C—S—H并進一步填充、細化孔隙，提高混凝土的抗滲能力。由于二次水化反應降低了混凝土中Ca(OH)2含量，改善了界面結構，不利于氯離子的結合[3]；另一方面，粉煤灰的摻入降低了混凝土中水泥的含量，減少了C—S—H凝膠的生成，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。將有利因素和不利因素結合起來分析，前者發揮了更大的作用，所以摻加粉煤灰有利于提高混凝土抗氯離子滲透能力。而當粉煤灰摻量超過30%以后，由于粉煤灰摻量較大，水泥含量過少，且二次水化反應進行得比較緩慢，混凝土中還有大量未水化的粉煤灰顆粒，導致混凝土內部結構不夠密實，因此混凝土的抗滲透性能降低，導致水、氣滲透系數及氯離子擴散系數增大，但相比不摻粉煤灰的對比組還是具有良好的抗滲能力。

2.2 混凝土滲透性的相關性

雖然混凝土的水氣滲透性以及氯離子擴散性的機理不同，且粉煤灰引起的混凝土內微觀結構的改變對水氣滲透性及氯離子擴散性的影響也不同，但是試驗數據中水和氣滲透系數以及氯離子擴散系數是具有相同的整體規律的。一般來說，混凝土中水、氣及氯離子任一項的滲透性差，那么其他兩項的滲透性也會差。已有文獻研究結論表明：混凝土中水、氣滲透系數及氯離子擴散系數之間存在一定的相關性[4-5,12]。

根據上述測試結果，混凝土的氯離子擴散系數、水和氣體滲透系數與粉煤灰摻量的關系如圖3所示。由圖3可知：隨著混凝土氯離子擴散系數的增加，水和氣體滲透系數隨之增加，粉煤灰混凝土的水和氣體滲透系數與其氯離子擴散系數存在良好的相關性，相關系數R2分別為0.957和0.961。

圖3 試驗混凝土氯離子擴散系數與水、氣體滲透系數的關系

氯離子等不利于混凝土耐久性的物質大多是以水作為介質傳輸，混凝土的水滲透系數與氯離子擴散系數存在著較高的相關性。但混凝土的水滲透測試周期長，在高壓作用下混凝土內部存在繼續水化、物質遷移甚至微觀孔結構破壞的情況。而混凝土的氣體滲透測試周期相對較短，且氮氣分子的動力學尺寸為0.364 nm(水分子直徑為4×10-10m，即0.4 nm)，相較于水分子可以通過更加細微的孔隙，混凝土的氣體滲透系數與氯離子擴散系數的相關程度要稍微高于其與水滲透系數的相關程度。因此，以氣體滲透性評價粉煤灰混凝土的氯離子擴散性能更加合適。

2.3 粉煤灰對孔隙率及孔徑分布影響

一般地，將混凝土內部的空隙按大小可分為超微孔(直徑d<10 nm)、微毛細孔(10 nm1 000 nm)4 個區間，通過MIP測試法得試件孔隙率，結果如表2所示。

表2 試驗混凝土孔隙率及孔徑分布

由表2可知：摻入粉煤灰后，混凝土樣本總孔隙率下降。隨著粉煤灰摻量的增加，孔隙率總體呈現下降的趨勢，但當粉煤灰摻量達到40%后，孔隙率呈現增加的趨勢。

結合表中孔徑分布數據，非毛細孔所占總孔隙率的比率在粉煤灰30%摻量內是逐漸降低的，微毛細孔、大毛細孔的占比相較于不摻加粉煤灰的混凝土有所增加。這是由于在早期混凝土中，適量的粉煤灰可較好地發揮密實填充效應和二次水化效應，使孔隙由大孔的孔徑區間向孔徑較小的孔徑區間轉化。當粉煤灰摻量超過30%后，部分小孔(特別是超微孔)被粉煤灰填充，但大毛細孔、非毛細孔占總孔隙率的比率明顯增加，混凝土的滲透性能還是明顯高于不摻粉煤灰的混凝土。其原因首先是粉煤灰混凝土的總孔隙率與不摻粉煤灰的混凝土相比是降低的，而總孔隙率的降低導致大孔占比的變化更為敏感，大孔占比的增加提高了滲透性能；其次，粉煤灰的二次水化反應比較緩慢，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土中未水化的粉煤灰顆粒增多，導致早期混凝土內水化產物的總量減少，混凝土不夠密實，大孔占比增加。

3 結 論

粉煤灰對混凝土早期的抗滲性能有積極作用，當混凝土中粉煤灰摻量在30%以內時，水、氣體及氯離子三種滲透介質的滲透性有明顯的降低，超過30%時，三種滲透介質的滲透性有所回升，但仍優于試驗對比組；降低混凝土水、氣體滲透系數及氯離子擴散系數的粉煤灰最佳摻量有所不同，為降低混凝土的氣體滲透系數和氯離子擴散系數，粉煤灰最佳摻量均為40%，而降低水滲透系數的最佳摻量為30%；粉煤灰混凝土中水、氣體滲透系數與氯離子擴散系數均存在良好的相關性，相關系數分別為0.957和0.961，以氣體滲透性評價粉煤灰混凝土的氯離子擴散性能更加合適；粉煤灰早期可以改善混凝土內部孔徑區間分布，使混凝土更加密實，從微觀角度分析，粉煤灰摻量30%為最佳。