鲍忠正 粉煤灰对高强混凝土耐久性的影响

1、粉煤灰对高强混凝土耐久性的影响P. Nath, P. Sarker一、原文内容介绍摘要：粉煤灰作为辅助的胶凝材料增加了混凝土的耐久性，其原理是减少了混凝土生产中二氧化碳的释放量。粉煤灰作为混凝土部分替代物在混凝土耐久性方面所起到的积极作用已经被大量实验验证，而这种提高的程度取决于粉煤灰的性质。在本文的研究中，使用了来自澳大利亚西部的高容量F类粉煤灰，来研究高强混凝土的耐久性。以粉煤灰为总粘合剂30%和40%的混凝土混合物来制造实验样本。确定混凝土控制样本，分别测定抗压强度、干燥收缩、吸水性及快速氯离子渗透性。混凝土28天抗压强度变化范围为65MPa到85MPa。掺入了粉煤灰的混凝土样本比起同样

2、养护了28天的控制样本有更少的干燥收缩。在28天的试验中看到，加入了粉煤灰的试验在很大程度上降低了吸水性和氯离子的渗入，在6个月的时候这种减少更加明显。总之，粉煤灰作为水泥的部分替代品提高了混凝土的耐久性。关键字：氯离子的渗透，干燥收缩，耐久性，粉煤灰，吸水性1、 引言在现在社会中，混凝土是被广泛使用的建筑材料。在长期的使用寿命中，侵蚀环境中的使用是混凝土耐久性主要考虑的问题。混凝土有大量的自然资源组成，包括骨料、水泥和水。水泥的生产消耗了大量的自然资源，引起了世界上7%温室气体的释放。因此，辅助的胶凝材料被使用，他们包括粉煤灰、矿渣、硅灰等，在过去的几十年间被广泛的研究，以提高混凝土的耐久性

3、和可持续性。粉煤灰是煤粉燃烧的一种副产品，是一种火山灰材料。当它与硅酸盐水泥和水混合时，就产生了一种类似于水泥水化产物的物质，它具有更密集的微观结构，因而就有更低的渗透性。对高强混凝土来说粉煤灰的建议替代量是15%-25%，然而，在正常强度混凝土中它的使用量可以超过总体胶凝材料的50%。加拿大矿产和能源技术中心（CANMET）是大体积粉煤灰混凝土研究的先驱。众多的实验报告显示，掺入了F类粉煤灰的大体积混凝土显示出了很好的力学性能和耐久性，如对氯离子等侵入性分子有低渗透率。Cao等人的报告曾写到，比起OPC混凝土，粉煤灰混凝土在抵御氯离子扩散和硫酸根侵蚀方面产生更好的效果。混凝土中的粉煤灰减少了

4、干燥收缩，产生更少的裂缝，保证了混凝土更好的抵御破坏的能力。Chindaprasirt等人发现了使用不同细度的粉煤灰减少的干燥收缩的规律。尽管干燥收缩是由许多因素造成的，但研究结果表明水灰比是主要的因素。替代45%的F类粉煤灰，28天时的观察发现，降低了混凝土的孔隙直径和孔隙度，而粉煤灰水泥浆显示却是增加了孔隙度。Papadakis观察发现，当F类粉煤灰替代水泥时孔隙率增加，当粉煤灰替代骨料时孔隙率降低。Naik等人测试了有70%粉煤灰的混凝土，发现在第91天的时候粉煤灰混凝土减少了的空气和水的渗入。Tasdemir发现混凝土采用高吸水系数的水泥，与正常的混凝土相比在早期加入了水泥用量10%的

5、粉煤灰，同时使用的水跟胶结物的比值是0.6。Camoes等人发现可以通过使用0.25-0.5范围内的水胶比来降低吸水系数，而粉煤灰的用量占了总胶凝材料的60%。在混凝土中掺入粉煤灰能提高混凝土耐久性是成立的，但是提高的幅度取决于混合物的比例和粉煤灰的性能。本研究主要关注的是干燥收缩、吸水性和高强混凝土中氯离子的渗透性，试验采用了从澳大利亚西部获得的F类粉煤灰。含有30%和40%粉煤灰的混凝土作为研究对象，与常规的硅酸盐水泥进行比较。2、试验详情2.1材料表1 水泥和粉煤灰的组分本研究中使用的材料都是在澳大利亚西部能够购买到的。使用的硅酸盐水泥符合澳大利亚的标准（AS3972），使用的F类的粉煤

6、灰同样也来自澳大利亚西部。这些材料的组分列于表1。骨料采用天然砂和压碎的花岗岩石块。除了正常的水之外还使用了高效减水剂，以提高其性能。2.2混合比例根据ACI 211.4R-08的指导，设计了两种混凝土的配比，两种都控制了粉煤灰在整个胶凝材料中的最大值，两个最大值分别是30%和40%。混合配比A通过变化总体胶凝材料用量和水胶比来实现相似的28天的抗压强度。配比B则采用了恒定水胶比和胶凝材料用量。混合比例和实测的不同批次混凝土的塌落度列于表2。表2 混凝土混合比例（kg/m3）2.3试模和试样的制备使用实验室中的锅式混合机来搅拌混凝土。为了进行抗压强度、吸水性和氯离子的渗透测试，制作了直径为10

7、0mm高为200mm的圆柱形混凝土试模。为了进行干燥收缩测试，制作了的菱形试模，图钉放在两端刚好是250mm。试样在浇筑24小时后脱模，然后放在23oC的水中养护28天。在实际的测试中，通过圆柱体试模准备了特殊的试样，与试验的特殊性相一致。3、测试方法混凝土的耐久性的好坏基于其对进入孔隙的侵蚀性物质的抵抗能力。通过干燥收缩、吸水性、氯离子抗渗性这些性能可以对粉煤灰混凝土耐久性的影响进行研究。3.1抗压强度和干燥收缩抗压强度的评估是通过对圆柱体（100×200）试样进行测试得到的，选取试样的龄期分别是3、7、28、56、91和210天。对每一种组合的干燥收缩都基于AS 1012.13标

8、准进行测试。试样在浇筑24小时后脱模，然后放在水中养护7天，记录其初始长度，然后试样放在实验室环境中（230C）中进行干燥，直到6个月后记录其长度的改变。3.2吸水性吸水性测试测量了样品与水接触时的毛细管吸力。吸水性测试也根据ASTM C 1585 标准进行试验。试样在水中养护了28天，然后分别在28天龄期和180天龄期进行试验。制备两个单独的试样，他们是通过在两个单独的圆柱体试样的顶部切下深度50mm得到的。试样在烤箱中烘干到恒重，然后让其一面和水接触，封闭另一表面。在第一个六小时间隔中由于虹吸现象引起的质量增加被量测出来。吸附率是最佳拟合线的斜率，坐标是吸收率与时间的平方。3.3氯离子的渗

9、透氯离子渗透的测试在28天和180天龄期时进行，测试同ASTM C1202-07标准一致。厚度为50mm的试样从圆柱体试样上切割下来。水饱和的试样受到60伏特的电势作用6小时。氯离子的渗透通过在测试期间传入的总的电荷量来表示，这是混凝土氯离子渗透的一个指标性参数。4、结果和讨论4.1抗压强度图1 在方案一（左）和方案二（右）中抗压强度的发展曲线混凝土混合物抗压强度的发展情况列于图1。结果显示，与参照试验的混凝土相比，加入了粉煤灰的混凝土在早期的强度是降低的，但是在后期，或者如方案一那样达到更高的强度或者如方案二那样更接近参照混凝土块的强度。掺入了30%粉煤灰比起掺入40%粉煤灰的混凝土有更高的

10、强度。当实验进行到第56天的时候，两种方案的粉煤灰混凝土都要比参照的混凝土的强度高。56天后在两种方案中的强度增长都变小。在方案A中，粉煤灰混凝土在28天的时候获得了与参照混凝土相似的强度。在第56天时两种方案的粉煤灰混凝土都获得了超过参照混凝土110%的强度。意味着粉煤灰混凝土显著的强度增长是由于28天后的火山灰反应造成的。在方案B中的粉煤灰混凝土的强度比起参照混凝土要小，这是由于水胶比和整体胶结物的量在整个的混合物中是相同的。在28天的时候粉煤灰混凝土达到了超过参照混凝土80%的强度。对于加入30%和40%的粉煤灰的混凝土在第56天时分别达到了参考混凝土强度的92%和96%。粉煤灰混凝土强

11、度的发展趋势与已发表文章中的相似。4.2干燥收缩粉煤灰对混凝土干燥收缩的影响列于图2。从图中可以看到，大部分的收缩发生在样本浇筑后的56天内。为了达到相似的28天的抗压强度，设计采用了可变的水胶比和可变的胶结物总量，这样使得粉煤灰混凝土比起参照混凝土显示出更低的干燥收缩。当方案A的试验进行到第21天的时候，粉煤灰混凝土和参照混凝土的收缩是相同的。21天后，粉煤灰混凝土的收缩率变低了，在第56天的时候收缩率的值低于参照混凝土的10%。在第180天的时候，掺入40%粉煤灰（A40）的混凝土比起掺入30%粉煤灰（A30）收缩稍微降低。在方案B中，粉煤灰混凝土的收缩值（B30和B40）在28天内都要比

12、参照混凝土（B00）的值更大。28天后粉煤灰混凝土的收缩率降低，在56天时达到与控制混凝土的值相似。掺入30%粉煤灰的混凝土比起掺入40%粉煤灰的混凝土有更少的收缩。当试验达到第180天的时候，掺入两种粉煤灰量的混凝土的收缩值都与参照混凝土的收缩值接近。图2 方案A（左）和方案B中（右）粉煤灰对干燥收缩的影响曲线4.3吸水性吸水性的测试结果列于表3和图3。可以看出，在两种方案中，粉煤灰的掺入都导致吸水率的降低。相近的试验结果Camoesetal(2003)曾发表过。粉煤灰混凝土的吸水系数小于129.1mm/s1/2，被认为是混凝土非常好的性能。28天的龄期，粉煤灰混凝土比参照混凝土有更低的吸水

13、性。在180天后，粉煤灰混凝土和参照混凝土的吸水性都进一步降低。在第180天的时候，粉煤灰混凝土的吸水值比参照混凝土的吸水值低。吸水性随着粉煤灰掺量的增加而降低。方案A中的混凝土，在28天的时候达到了相似的强度，由于粉煤灰的加入使其毛细水吸力在很大程度上降低。在28天的时候，加入40%粉煤灰的混凝土比30%粉煤灰的混凝土有更高的吸水性。然而，180天以后加入30%和40%粉煤灰的混凝土的吸水性比起参照混凝土分别降低了25%和37%。另一方面，在方案B中，有恒定的水胶比和总体胶结物的含量，使其吸水性有轻微的降低。对于加入30%和40%粉煤灰的混凝土，与参照混凝土相比其28天吸水性分别降低了6%和

14、20%。在180天龄期的时候，粉煤灰混凝土的吸水性趋于同参照混凝土的相似。表3 吸水性和氯渗透的测试结果4.4 氯离子的渗透总电荷通过快速氯离子渗透试验(RCPT)表明了氯离子在混凝土中的渗透。总电荷在28天和180天通过不同的混凝土样本情况列于图4。粉煤灰混凝土在两个龄期都表现出了很好的抵抗力。在混凝土中氯离子的渗入量随着粉煤灰的增加而减少。在28天龄期的时候，与相应的参照混凝土的湿度的氯离子渗入相比较，粉煤灰混凝土达到了更低的氯离子渗入水平。在180天龄期的时候，粉煤灰混凝土氯离子的渗入量达到了非常低的水平。在这个龄期，粉煤灰混凝土氯离子的渗入量要比相应的参照混凝土的低。与参照混凝土28天

15、时相比，试验A中的粉煤灰混凝土中氯离子降低了35%-45%，而当与180天相比较时，氯离子渗入进一步减少了65%-70%。当粉煤灰的掺入量从30%提高到40%时，抗氯离子侵入的能力也相应提高了。 图3 渗透系数的比较 图4 氯离子渗透试验结果 另一方面，对于试验B，粉煤灰混凝土28天龄期时降低氯离子的渗入达到了24%，在180天时降低了48%。在180天的时候，40%粉煤灰的混凝土比起30%粉煤灰的混凝土氯离子的渗入有些提高。然而，他们都控制了非常低的电流的通过。5、结论本文研究了六组高强混凝土混合物，评估了30%和40%的F类粉煤灰在180天龄期中对混凝土耐久性的影响。下面就是测试结果得出的

16、结论：l 当用粉煤灰替代水泥而不调整水胶比的情况下，28天强度有所下降。高强混凝土当其28天抗压强度为60MPa时，使用的水胶比是0.3，使用了40%的粉煤灰，而其56天的抗压强度甚至可以超过80MPa，粉煤灰混凝土在56天内应力发展是显著的。l 当调整水胶比和胶合物的总量，使粉煤灰混凝土达到参照混凝土28天抗压强度时，粉煤灰混凝土的干燥收缩减少了。l 粉煤灰的掺入降低了混凝土的早期吸水性，在六个月的时候降低的更多。l 在28天和180天的龄期里粉煤灰混凝土产生了更好的抗氯性。因此，通过加入40%的F类粉煤灰，设计出具有更低的渗透性的高强混凝土是可以实现的。二、对该论文有关问题的分析鲍 忠 正

17、粉煤灰是火电厂所用的燃烧物质在燃烧锅炉中燃烧后，在烟道中收集的粉状物质。其主要成分是二氧化硅和三氧化二铝(占70以上)。粉煤灰作为一种资源，其价值主要体现在它具有潜在的活性，因此对于它的应用主要是对其活性的利用，特别是用作建筑材料的原材料，其中用作水泥和混凝土掺合料更为人们重视。粉煤灰的排放量在逐年增加，但粉煤灰的利用率仅仅占总排放量的40%左右，可见粉煤灰的利用率较低。所以，对粉煤灰的研究具有十分重要的意义。本文以粉煤灰为总粘合剂30%和40%的混凝土混合物来制造实验样本，确定混凝土控制样本，分别测定抗压强度、干燥收缩、吸水性及快速氯离子渗透性，以研究粉煤灰对混凝土耐久性的影响。本文进行实验

18、的方法比较值得借鉴，其设计了两种混凝土的配比，两种都控制了粉煤灰在整个胶凝材料中的最大值，两个最大值分别是30%和40%。混合配比A通过变化总体胶凝材料用量和水胶比来实现相似的28天的抗压强度；配比B则采用了恒定的水胶比和固定胶凝材料用量；同时设置了对比组观察实验效果。通过六组混凝土试件的对比实验，本文得出了一些重要结论，包括：1）粉煤灰使得混凝土在56天强度显著提高2）调整水胶比和胶合物的总量，使粉煤灰混凝土达到参照混凝土28天抗压强度，粉煤灰可以使混凝土的干燥收缩减少。3）粉煤灰的掺入使混凝土的早期吸水性降低。4）在28天和180天的龄期里粉煤灰混凝土产生了更好的抗氯子渗透性。但是，本文的实验也存在一定的不足。本