粉煤灰不同摻量對高性能混凝土耐久性影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.022

摘 要：為了研究粉煤灰摻量對高性能混凝土材料耐久性影響，在P·O42.5級高性能混凝土中摻入10%、20%、30%、50%的粉煤灰。設計混凝土、粉煤灰摻量的試驗配合比，將粉煤灰摻量和高性能混凝土配合比作為正交試驗的2個變量。試驗結(jié)果表明，正常環(huán)境下10%、20%、30%時的混凝土滲透率較低，抗壓強度大，50%的混凝土滲透率較高且抗壓強度有所減小，凍融環(huán)境下的各個數(shù)據(jù)值均小于正常環(huán)境，說明適量摻入粉煤灰摻量能夠提高混凝土材料耐久性。通過對試驗數(shù)據(jù)整理可知，使用所研究方法混凝土滲透率、抗壓強度與統(tǒng)計數(shù)據(jù)均存在最大僅為1%和0.1 MPa的誤差，能夠?qū)⒃囼炑芯拷Y(jié)果作為實際工程可行的條件。

關鍵詞：粉煤灰摻量；高性能混凝；正交試驗；電量測量

中圖分類號：TU582.2" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0080-04

Research on the influence of fly ash content on the durability of high performance concrete materials in civil engineering

GAO Peng1，CHEN Xing1，WANG Wei1，DENG Mingke1

（1.School of CivilEngineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China;

2.China Construction Fifth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Changsha 410007，China）

Abstract：In order to study the effect of fly ash content on the durability of high-performance concrete materials，10%，20%，30%，and 50% fly ash were added to P·O42.5 grade high-performance concrete.Design the experimental mix ratio of concrete and fly ash content，using the fly ash content and high-performance concrete mix ratio as two variables in the orthogonal experiment，and observe the concrete pore size using the JC-XSP-A model microscope.Analyze the permeability of concrete according to the ASTMC1202 electricity measurement method.The test results show that under normal conditions，the permeability of concrete is low at 10%，20%，and 30%，and the compressive strength is high.50% of concrete has a high permeability and a decrease in compressive strength.The various data values under freeze-thaw conditions are lower than those in normal conditions，indicating that the appropriate amount of fly ash can improve the durability of concrete materials.By organizing the experimental data，it can be seen that there are maximum errors of only 1% and 0.1 MPa in the permeability，compressive strength，and statistical data of concrete using the research method，which can be used as feasible conditions for practical engineering.

Key words：fly ash content；high performance coagulation；orthogonal experiment；electricity measurement

近幾年來，工程界對粉煤灰摻入高性能混凝土進行了大量研究工作，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，這對于高性能混凝土的制備和使用具有重要意義。然而，目前已有的工作大都立足于工程實踐，并基于前期有關工作積累，多數(shù)工作集中在低摻量（通常小于20%）條件下，對于高摻量粉煤灰的高性能混凝土工作特性缺乏深入了解。如提出了不同養(yǎng)護方式對混凝土抗壓強度的影響分析方法，以水泥漿體率、粉煤灰摻入率等為主要測試指標，系統(tǒng)地開展封閉養(yǎng)護、標準養(yǎng)護措施，在這種措施下分析了混凝土的抗壓強度^[1]；提出了不同強度等級下的粉煤灰摻量對混凝土性能影響分析方法^[2]。為了更精準地分析影響效果，提出了土木工程中粉煤灰摻量對高性能混凝土材料耐久性影響研究方法。該方法結(jié)合正交試驗和電量測量方法，從混凝土滲透率、抗壓強度角度研究混凝土材料的耐久性。

1"試驗研究

1.1"實驗原材料

高性能混凝土所使用的凝膠材料為湖南鑫鼎力新材料廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，凝結(jié)的混凝土在2 d時抗壓強度就能達到27 MPa，在25 d時抗壓強度能夠達到45 MPa。

粉煤灰選擇成都廣川實業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，細度為25%，煅燒損失量6.0%，需水量為98%。高性能混凝土和粉煤灰的化學組成成分，如表1所示。

所用的碎石是由自然的細沙和中等砂粒組成，碎石的質(zhì)量比為0.1∶0.5，減水率為16%。

1.2"試驗工具

主要試驗工具：HJW-60攪拌機，河南科賽威機械設備有限公司；PE塑料膜，泰安市綠泰建材有限公司；WDW-50E試驗機，揚州市源峰檢測設備有限公司;ABS/高沖料模具，河北鴻鋼模具制造有限公司。

采用橫軸混合器來拌和混凝土，出機時，其坍落度為（150±15） mm，150 mm×150 mm×150 mm的試塊，成形后的試件要馬上被塑料薄膜包裹起來，在常溫下進行1 d的固化，然后拆除模板。放入溫度為（20±2） ℃、相對濕度為95%的貯藏箱中進行固化，直至達到一定的齡期^[3]。使用2 000 kN的抗壓性能測試裝置來測量混凝土的抗壓強度，根據(jù)各階段的加載速率，取0.45～0.6 MPa/s。

針對所研究的方法應用到的試驗儀器包括：（1）TDR-16凍融試驗機；（2）HP-4.0型混凝土滲透儀；（3）YYW-2型石灰土無側(cè)限抗壓儀。

使用水凍水融法，利用循環(huán)的冷凍液對試件進行重復冷卻和加熱，定期將試件中的水凍結(jié)和溶解。

使用抗?jié)B儀對整個系統(tǒng)輸壓，通過分析電接點壓力測試試件抗?jié)B性能。

壓力計是一種多用途的測試紙盒品質(zhì)的儀器，適用于各種瓦楞紙盒的壓力測試，也適用于其他材質(zhì)的包裝物的壓力測試。

1.3"試驗配合比

對于高性能混凝土配合比的設計，配置的C30混凝土強度計算公式為：

對于粉煤灰摻量的設計，采用水泥、粉煤灰、外加劑和水按一定比例進行稱重，粉煤灰摻量分別替代10%、20%、30%、50%的水泥，其他配比基本一致。之后，加入一定量的水分與起泡劑，經(jīng)過2 min的攪拌，制成了一種漿液，再用制泡機迅速攪拌3 min，使泡沫變得均勻而穩(wěn)固；最終，將糊液注入到模具里^[5-7]。將模子的外表抹去，放置24 h，再將樣品放在一個具有90%相對濕度的標準干燥室內(nèi)干燥28 d。

2"耐久性影響試驗方法設計

一般的抗?jié)B等級方法不能檢測出高強度的高性能混凝土的滲透率，所以采用了一種正交和電量測定的試驗方法。其中正交試驗設計中粉煤灰摻量和高性能混凝土配合比作為正交試驗的2個變量，變量測定是以高性能混凝土氯離子擴散系數(shù)為研究對象，分析粉煤灰摻量對高性能混凝土孔徑和滲透率影響。

2.1 粉煤灰摻量對高性能混凝土孔徑影響的正交試驗

為了分析不同粉煤灰摻量下的高性能混凝土微觀孔徑，使用了JC-XSP-A型號顯微鏡觀察，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，粉煤灰的加入能夠有效地降低連通孔的大小，從而達到對孔隙進行改進和優(yōu)化的效果。當粉煤灰摻入量達到50%時，連通孔大量增加，導致孔隙變大，材料軟化嚴重。

2.2"粉煤灰摻量對氯離子擴散影響的電量測定試驗

測試采用美國ASTMC1202中的測試方式，其步驟為：將30 d后的水泥樣品用巖心切削器切削為50 mm厚的樣品^[8-13]。將樣品置于吸收器中進行吸氣，再灌入蒸餾水，直到樣品充滿一定質(zhì)量為止。把浸透的樣品表面擦干，再用石蠟封住樣品的表面和兩側(cè)。將封存好的樣品放入夾具，連接引線，在正極溶液罐中加入適量質(zhì)量分數(shù)為0.3%NaOH，在負極溶液罐中加入2 L的質(zhì)量濃度為2.5%的NaCl^[14]。再用50 V的直流供電，測量所需的電流，并計算出所需的電能。

不同粉煤灰摻入量對高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響，如表2所示。

由表2可知，用等量粉煤灰代替水泥，在加入粉煤灰后，可以顯著地減少混凝土中的氯離子滲透率。在不同的摻入率下水泥基材料的耐氯鹽滲透性能也有不同程度的提高。通過改變孔結(jié)構(gòu)，能夠?qū)紫冻叽邕M行了細化，從而堵塞了可能產(chǎn)生的滲透通道^[15]。在此過程中，氫氧化鈣可使結(jié)晶度及粒徑減小，從而使多孔介質(zhì)的多孔性下降。混凝土的抗?jié)B性隨時間而增加，56 d的抗?jié)B透能力相對于28 d的增強效果更加顯著。這表明，隨著水泥漿體的充分水化，大量摻入的粉煤灰仍然可以改善水泥漿體的抗?jié)B透性能，這有助于抑制外部氯鹽在混凝土中的滲入和運移。

3"試驗結(jié)果與分析

將試驗設置為3種情況，分別是凍融環(huán)境和正常環(huán)境，分析3種情況下混凝土的抗?jié)B透性能和抗壓強度，以此驗證粉煤灰摻量對高性能混凝土材料耐久性影響研究方法的可行性。

3.1"抗?jié)B透性試驗數(shù)據(jù)分析

分析不同養(yǎng)護方式、不同強度等級下的粉煤灰摻量對混凝土性能影響與正交試驗研究方法的抗?jié)B透性能，如圖2所示。

由圖2（a）可知，3種方法的研究結(jié)果均顯示在粉煤灰摻量為10%、20%、30%時的混凝土滲透率均低于50%，使用正交試驗研究方法與統(tǒng)計數(shù)據(jù)最接近，在30%時，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在最大為2%的誤差，其余均一致。而使用不同養(yǎng)護方式和強度等級，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別存在最大為10%和20%的誤差。當粉煤灰摻量為50%時，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示滲透率變高達到了42%，使用不同強度等級和正交試驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)接近，使用所研究的正交試驗方法與統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差最小，使用不同養(yǎng)護方式與統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差最大。

由圖2（b）可知，混凝土受到熱脹冷縮影響，在凍融環(huán)境下混凝土滲透率比實際環(huán)境要小。其中，使用正交試驗分析結(jié)果與統(tǒng)計數(shù)據(jù)誤差最小，誤差數(shù)值為1%。

3.2"抗壓強度試驗數(shù)據(jù)分析

為了對比分析混凝土的抗壓強度，將3種方法與統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。

由圖3（a）可知，使用3種方法的抗壓強度變化趨勢與統(tǒng)計數(shù)據(jù)變化趨勢一致，其中使用不同養(yǎng)護方式的研究方法與統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差最大，其中最大誤差為2.8 MPa；使用不同強度等級的研究方法與統(tǒng)計數(shù)據(jù)最大誤差為1.8 MPa；使用正交試驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)在粉煤灰摻量為30%時存在最大為0.1 MPa的誤差。

由圖3（b）可知，使用不同養(yǎng)護方式和不同強度等級的研究方法，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)不一致，在粉煤灰摻量為30%時，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別存在最大為0.4 MPa和0.6 MPa的誤差。使用正交試驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本一致，只在粉煤灰摻量為30%時，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別存在最大為0.01 MPa的誤差。

4"結(jié)語

（1）在JC-XSP-A型號顯微鏡下，能夠清晰觀察混凝土孔徑；

（2）通過使用正交試驗，能夠分析出不同粉煤灰摻量對高性能混凝土滲透性影響；

（3）采用電力計量法，可以用來研究粉煤灰用量對高性能混凝土抗壓強度的影響。

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收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-06

作者簡介：高"鵬（1982-），男，高級工程師，研究方向：高延性混凝土;E-mail：1435026802@qq.com。

引文格式：高"鵬，王"維，陳"星，等.粉煤灰不同摻量對高性能混凝土耐久性影響研究[J].粘接，2024，51（2）：80-83.