粉煤灰混凝土氣體滲透與微觀結構的時變相關性

章玉容，方潤華，王建東，曹應暉，邵鑫杰

(1.浙江工業大學 土木工程學院，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)

粉煤灰作為燃煤發電的副產品，將其作為摻合料應用于混凝土中，不僅具有重要的經濟效益和環境效益[1]，而且粉煤灰會與水化產物Ca(OH)2反應，形成的水合物能有效形成更致密的基質，進而提高混凝土的耐久性[2]。混凝土的滲透性作為評價混凝土耐久性的重要指標[3]，主要包括透水性、透氣性和透離子性等。隨著混凝土密實性的提高，以氣體為介質的滲透系數測定方法因測試精度較高、測試時間短等優點而被廣泛應用[4]。粉煤灰混凝土的氣體滲透系數具有明顯的時變性，如Naik等[5]研究表明：粉煤灰混凝土氣體滲透性隨著齡期的增長而下降，齡期為91 d，粉煤灰摻量為50%時的混凝土表現出最低的氣滲性；Heede等[6]也發現90 d齡期不同摻量粉煤灰混凝土的氣體滲透性要低于28 d齡期的。粉煤灰混凝土的氣體滲透性雖然具有明顯的時變性，但粉煤灰摻量和齡期對混凝土氣體滲透性的影響是不同的。李剛[7]研究發現：隨著粉煤灰摻量的增加，28 d齡期混凝土的氣體滲透性對其較為敏感，但對于56 d和90 d齡期的影響較小；施惠生等[8]研究發現：在水膠比為0.25，粉煤灰摻量不超過45%時，不同齡期的混凝土氣體滲透系數變化并不明顯，當其摻量超過45%時，氣體滲透系數將明顯增大。因此，有必要通過建立不同齡期下混凝土氣體滲透系數與粉煤灰摻量的計算模型，來預測其氣體滲透系數。同時為了更好地揭示粉煤灰混凝土氣體滲透時變性形成的機理，需進一步分析其微觀結構參數與氣體滲透系數的相關性。

筆者設計了自然養護環境下用粉煤灰分別替代0%，20%，30%，40%，50%質量水泥的混凝土，分別標準養護28，60，90 d，隨后采用基于壓差穩定法的氣體滲透性測試設備測試了不同養護時間下混凝土的氣體滲透系數，同時采用MIP法測定了粉煤灰混凝土的微觀結構參數。在此基礎上，研究粉煤灰對混凝土氣體滲透時變性的影響，并分析其微觀結構參數與氣體滲透系數之間的相關性。通過建立混凝土氣體滲透性與粉煤灰摻量和齡期的計算模型，研究粉煤灰摻量對混凝土氣體滲透系數的時間衰減系數的影響程度。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料與配合比

試驗混凝土選用細度模數為2.4的中河砂為細骨料；最大粒徑為20 mm的礫石為粗骨料；摻合料采用勃氏比表面積為540 m2/kg的Ⅰ級粉煤灰；水泥選用錢潮牌P.C 32.5復合硅酸鹽水泥。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 滲透性測試的試件制備

根據上述配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的長方形試件，測定分析3 個時間點的氣體滲透系數，每個齡期每組混凝土試件個數均為1 個。以上各滲透試件都在標準條件(環境溫度(20±5)℃，相對濕度95%以上)下分別養護28，60，90 d。除滲透性試件之外，同時制備混凝土強度測試的立方體標準試件(邊長為150 mm)，每個齡期每組混凝土試件個數各3 個，在上述相同標準條件下養護28 d后測定其抗壓強度。

1.3 試驗混凝土的氣體滲透性測試方法

混凝土在達到試驗方案預設的齡期后，用自動切石機切割以獲取氣體滲透性試驗測試的樣本，每個規格的樣本數量均為6 片。用壓差穩定法測試裝置測定其氣體滲透系數。

因為氣體具有可壓縮性，所以修正后的混凝土氣體滲透系數為

(1)

式中：μ為氣體(本試驗為N2)的運動黏性系數，s·N/m2；A為試樣的過氣截面面積，m2；Q為試驗過程中單位時間的氣體流量，mL/s；L為試樣厚度，m；P為試驗壓力，N/m2；Pa為大氣壓力，N/m2。

1.4 試驗混凝土的微觀孔結構測試方法

混凝土的微觀孔結構參數采用美國麥克默瑞提克公司的AUTOPORE 9500型壓汞儀測定，用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，質量為2～3 g，試樣中大致保留砂漿和骨料的比例一致。測試前需在105 ℃烘箱中連續干燥2 h。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗混凝土的抗壓強度

混凝土經標準養護28，60，90 d后測試的抗壓強度如圖1所示。由圖1可知：粉煤灰摻量不超過30%時，28 d混凝土的抗壓強度下降較快，60 d和90 d齡期的混凝土抗壓強度下降比較緩慢，主要原因是由于粉煤灰的火山灰反應是一個緩慢的過程，它對強度的貢獻只發生在后期[9]。當粉煤灰摻量超過30%時，60 d和90 d齡期的混凝土抗壓強度下降較快，可能是因為粉煤灰摻量過多后，粉煤灰活性效應將因水化產物Ca(OH)2不足而難以激發，進而導致混凝土強度降低，所以粉煤灰的摻量以不超過30%為宜。

圖1 粉煤灰摻量與養護齡期對混凝土抗壓強度的影響

2.2 試驗混凝土的氣體滲透性

不同養護時間下粉煤灰混凝土氣體滲透系數如圖2所示。圖2為混凝土氣體滲透系數隨齡期和粉煤灰摻量變化的三維圖，從圖2可以看出：混凝土氣體滲透系數隨齡期的增長和粉煤灰摻量的增加均呈下降趨勢，但氣體滲透性隨其摻量的增加下降更加明顯。此外，還可以發現28 d齡期的混凝土氣體滲透系數在粉煤灰摻量為40%時達到最低，90 d齡期時粉煤灰的最佳摻量為50%。出現該現象的原因是由于前期二次水化反應比較慢，粉煤灰摻量越高，水泥漿體中粉煤灰的火山灰反應速率越低[10]。從圖2中還可以看出：當粉煤灰摻量超過30%時，相同齡期的混凝土(A4和A5)氣體滲透系數變化并不太明顯。

圖2 粉煤灰摻量與養護齡期對混凝土氣體滲透系數的影響

2.3 試驗混凝土的氣體滲透時變性分析

混凝土氣體滲透系數隨齡期的增長和粉煤灰摻量的增加總體上都呈下降趨勢，但對于每個齡期粉煤灰最佳摻量又是不同的，因此有必要建立模型來估算不同齡期時的粉煤灰最佳摻量。混凝土的氣體滲透性和氯離子擴散性相似，都具有明顯的時變性[6,9]，兩者之間也存在著相關性[11]，因此氯離子擴散時變性也能間接反映氣體滲透時變性。氯離子擴散系數與時間變化的關系可以用冪函數的形式來表征，所以也可以用冪函數的形式來表征粉煤灰混凝土的氣體滲透系數隨時間變化的關系[12-13]，即

(2)

式中：Kg為氣體滲透系數，nm2；Kg0為混凝土初始氣體滲透系數(28 d)，nm2；t為養護齡期，d；m為氣體滲透系數的時間衰減系數。

研究表明粉煤灰對時間衰減系數的影響與其摻量呈線性關系[14]。因此時間衰減系數m可以表示為

m=ap+b

(3)

式中：p為粉煤灰摻量；a和b為常數。

對于混凝土初始氣體滲透系數Kg0與粉煤灰摻量的關系，通過擬合發現兩者較好地符合線性關系(R2=0.925)，可表示為

Kg0=-25p+39

(4)

根據測得的粉煤灰混凝土氣體滲透系數數據，將式(3，4)代入式(2)，通過曲線擬合發現：不同粉煤灰摻量和不同齡期下，混凝土氣體滲透系數與齡期和粉煤灰摻量較好地符合下列關系(R2=0.948)：

(5)

建立的混凝土氣體滲透系數與養護齡期和粉煤灰摻量的計算模型，可以較好地預測不同齡期下粉煤灰混凝土的氣體滲透系數。

2.4 試驗混凝土的微觀分析

通過壓汞法測得混凝土的總孔隙率和臨界孔徑參數結果如表2所示。探討粉煤灰摻量對總孔隙率和臨界孔徑的影響及其時變規律，從而進一步分析其對混凝土氣體滲透性的影響。從表2可以看出：不同摻量的粉煤灰混凝土的總孔隙率和臨界孔徑隨養護齡期的的延長不斷降低。主要原因是由于隨著水化反應的不斷進行，生成的C—S—H凝膠逐漸增多，填堵了混凝土內部孔隙結構，使孔隙間連通性降低，從而降低了孔隙率和臨界孔徑。從表2中也可以看出：隨著粉煤灰摻量的增加，同齡期混凝土的總孔隙率和臨界孔徑隨粉煤灰摻量的增加有不同程度的降低，且當齡期超過60 d，粉煤灰摻量超過30%時，混凝土(A4和A5)的臨界孔徑降低幅度變化不大。

表2 試驗混凝土微觀孔結構參數

為了進一步分析總孔隙率和臨界孔徑對混凝土氣體滲透性的影響，根據上述測試結果，混凝土A1-A5經過不同養護時間后，總孔隙率和臨界孔徑參數與氣體滲透系數之間的關系如圖3，4所示。

圖3 試驗混凝土氣體滲透系數與總孔隙率的關系

圖4 試驗混凝土氣體滲透系數與臨界孔徑的關系

由圖3，4可知：隨著粉煤灰混凝土氣體滲透系數的減少，其總孔隙率和臨界孔徑也隨之降低，且粉煤灰混凝土的氣體滲透系數與總孔隙率和臨界孔徑存在良好的相關性，相關系數分別為0.748和0.913，所以臨界孔徑與混凝土氣體滲透系數相關性更高，更能反映其氣體滲透時變性。

3 結 論

混凝土的氣體滲透系數隨齡期的增長和粉煤灰摻量的增加均呈下降趨勢，但隨著養護齡期的延長，混凝土氣體滲透性隨粉煤灰摻量的增加下降更加明顯，當粉煤灰摻量超過30%時，相同齡期的混凝土氣體滲透系數變化不太明顯。混凝土的氣體滲透系數隨齡期和粉煤灰摻量變化的關系可以用冪函數的形式進行有效表征，其時間衰減系數隨粉煤灰摻量的增加而增大，較好地符合線性關系。粉煤灰混凝土的總孔隙率和臨界孔徑具有明顯的時變性，與氣體滲透系數都具有良好的相關性，通過臨界孔徑能更好地反映其氣體滲透時變性。