霍建忠

（山西路橋建設(shè)集團有限公司 陽泉分公司，山西 陽泉 045000）

膠凝材料作為混凝土的重要原材料之一，是混凝土強度的主要來源，其質(zhì)量對于新拌及硬化混凝土的性能有著重要影響[1]。混凝土工業(yè)中一般選擇水泥作為主要的膠凝材料，但是水泥的生產(chǎn)過程中不可避免地要產(chǎn)生大量煙塵、粉塵，還生成CO2、SO2等有害氣體，對環(huán)境造成不良影響。粉煤灰是一種具有潛在活性的人工火山灰質(zhì)材料，作為混凝土摻合料，可以改善新拌混凝土的和易性，減少混凝土用水量，抑制堿-骨料反應(yīng)等[2]。隨著環(huán)境保護的加強，粉煤灰被越來越多地用來取代部分水泥作為膠材用于混凝土工業(yè)中[3-5]。因此，本文利用粉煤灰取代部分水泥成型混凝土，通過開展相關(guān)力學(xué)試驗和耐久性相關(guān)試驗，研究了粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度、干縮、吸水率、抗氯離子滲透性的影響，為粉煤灰在實際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

a）膠凝材料 水泥為湖北亞東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；粉煤灰為國電湖北漢川火電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰。兩者的物理力學(xué)性能分別見表1和表2，化學(xué)組成見表3。

表1 水泥的物理性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 原材料的化學(xué)組成

b）細(xì)集料 湖北白沙洲產(chǎn)的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.93，各項物理力學(xué)性能如表4所示。

表4 河砂的物理力學(xué)性能

c）粗骨料 粗骨料選用中建商混某攪拌生產(chǎn)用5～25 mm連續(xù)級配石灰石質(zhì)碎石，各項性能如表5所示。

表5 碎石的物理力學(xué)性能

d）減水劑 江蘇蘇博特聚羧酸高性能減水劑，減水率28.8%。

e）混凝土配合比 如表6所示，粉煤灰以10wt%～40wt%的比例取代水泥。

表6 試驗混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗方法

a）混凝土力學(xué)性能 混凝土抗壓強度根據(jù)GB/T 50081—2002標(biāo)準(zhǔn)[6]的規(guī)定進行測試，試件尺寸為（150×150×150）mm，測定試件 7 d、28 d、56 d、90 d和180 d齡期時的抗壓強度值。

b）干燥收縮 混凝土干燥收縮試驗按照GB/T 50082—2009標(biāo)準(zhǔn)[7]進行測試。干燥收縮測試采用接觸法，試件尺寸為（100×100×515）mm，測試的開始齡期從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護1 d以后開始，試件放置在溫度為20℃±2℃，相對濕度為60%±5%的干燥養(yǎng)護室中，分別測定試件在 1 d、7 d、21 d、28 d、60 d、90 d、120 d和180 d齡期時的干燥收縮值。

c）抗氯離子滲透性 根據(jù)GB/T 50082—2009標(biāo)準(zhǔn)[7]里的電通量法進行測定。試件為直徑φ=100±1 mm、高度h=50±2 mm的圓柱體試塊。測定混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d和180 d齡期時的電通量值（C）。

d）吸水率 混凝土吸水率按照文獻(xiàn)ASTM C1585-13標(biāo)準(zhǔn)[8]中的方法進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

圖1 粉煤灰摻量對混凝土不同齡期抗壓強度的影響

圖1給出了粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。從圖1可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的延長，F(xiàn)0組混凝土早期抗壓強度增加迅速，其7 d齡期抗壓強度為45.1 MPa，28 d抗壓強度達(dá)到57.5 MPa，增加了27.5%。然而，28 d齡期以后，其抗壓強度呈收斂趨勢增加，增加幅度不大，180 d齡期抗壓強度為62.0 MPa。另一方面，對比F0組與F10～F40組混凝土抗壓強度可知，粉煤灰取代水泥減小了混凝土的抗壓強度，F(xiàn)10～F40組混凝土7 d齡期的抗壓強度分別為 39.3 MPa，33.9 MPa，29.2 MPa 和 24.5 MPa，相比F0組減小了13.6%，25.3%，35.2%和46.3%。隨著粉煤灰取代量的增加，混凝土早期強度逐漸減小，這與文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果具有一致性。粉煤灰取代水泥，降低了膠凝材料中水泥的比例，導(dǎo)致早期水化速率變慢，水化產(chǎn)物減少，這是F0～F40組混凝土初期抗壓強度依次遞減的主要原因。粉煤灰對混凝土后期抗壓強度的發(fā)展具有提高作用，其中10wt%和20wt%的粉煤灰摻量分別對混凝土28～56 d和28～90 d齡期的抗壓強度具有明顯的促進作用，而30wt%和40wt%摻量的粉煤灰混凝土28～120 d齡期抗壓強度增加顯著，之后抗壓強度呈穩(wěn)定趨勢。混凝土180 d齡期的抗壓強度F0＞F30＞F10＞F20≈F40。由表1可知，粉煤灰密度為2.4 g/cm3，比表面積為432.7 kg/m2，比水泥擁有更大的比表面積，且含有高含量的無定形活性硅，能夠發(fā)生火山灰反應(yīng)，增多膠結(jié)物數(shù)量，進而增大水化產(chǎn)物的密實度，提高混凝土的抗壓強度[9-10]。

2.2 干縮

圖2 粉煤灰摻量對各組混凝土不同齡期干縮的影響

圖2給出了粉煤灰摻量對混凝土干縮的影響規(guī)律。可以看出，各組試驗混凝土的干縮與齡期具有近似冪函數(shù)關(guān)系，隨著齡期的延長干縮均呈收斂趨勢變化。前2個月，各組混凝土的干縮增加較快，大部分干縮發(fā)生在60 d齡期內(nèi)，F(xiàn)0～F40組混凝土60 d齡期的干縮分別為 560.3×10-6、530.5×10-6、510.6×10-6、500.3×10-6和 410.9×10-6，達(dá)到 180 d 齡期干縮率的90%以上，之后干縮值變得穩(wěn)定。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，相比F0組混凝土，F(xiàn)10～F40組混凝土28 d齡期的干縮分別比同齡期F0組降低了4.2%、21.9%、23.0%和62.5%。60 d齡期的干縮分別比同齡期F0組降低了5.4%、9.3%、10.7%和44.6%，可以看出粉煤灰的加入減小了混凝土的干縮，且摻量較高時對混凝土干縮的抑制效果更顯著。研究表明：影響混凝土的干縮主要因素有水膠比，漿體數(shù)量和水化速率。在本試驗中，F(xiàn)0～F40各組混凝土具有相同水膠比和漿體數(shù)量。然而，在F10～F40組中，粉煤灰取代水泥后減少了膠材中水泥熟料數(shù)量，從而降低了水化反應(yīng)的速度和程度，而粉煤灰的火山灰效應(yīng)需要水泥的水化產(chǎn)物才能夠激發(fā)，因此在初期粉煤灰對水化的抑制作用更加明顯，從而有效地抑制了混凝土的干縮[11]；另一方面，粉煤灰摻量增大，增加了混凝土中有效水灰比，自由水增多，而粉煤灰顆粒的彈性模量也高于水泥，可以起到限制水泥漿體收縮的作用[12]，這些都導(dǎo)致粉煤灰降低了混凝土的收縮，提高了混凝土的體積穩(wěn)定性。

2.3 抗氯離子滲透性

圖3 粉煤灰摻量對各組混凝土不同齡期電通量的影響

電通量是衡量混凝土抗氯離子滲透性的重要指標(biāo)之一，電通量值越小，表明混凝土抗氯離子滲透性越好[13]。圖3給出了粉煤灰摻量對混凝土28 d和180 d齡期電通量的影響規(guī)律。從圖3可以看出，F(xiàn)10～F40組混凝土28 d和180 d齡期的電通量值小于F0，且隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土電通量減小，說明抗氯離子滲透性增強。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，F(xiàn)0組混凝土28 d齡期電通量處于中等水平（2000～4000 C），而加入粉煤灰的F10～F40組混凝土28 d齡期電通量處于低水平（1000～2000 C）。經(jīng)計算可得，F(xiàn)10～F40組混凝土28 d齡期電通量相比同齡期F0組電通量分別降低了28.2%、38.4%、51.5%和60.6%。所有組混凝土180 d齡期的電通量值相比28 d齡期顯著降低，說明隨著齡期延長混凝土的抗氯離子滲透性提高，與已有研究結(jié)果[14-15]較為一致。F10～F40組混凝土180 d齡期電通量相比同齡期F0組電通量分別降低了 6.8%、26.4%、48.0%和52.3%。而F20，F(xiàn)30和F40組混凝土180 d齡期的電通量值都低于1000 C，說明它們抗氯離子滲透性良好[8]。

所有試驗齡期電通量大小為F40＜F30＜F20＜F10＜F0，表明粉煤灰增強了混凝土抗氯離子滲透性，且隨著粉煤灰摻量越大，混凝土抗氯離子滲透性越好。本試驗中各組混凝土抗氯離子滲透性高低差異的主要原因在于一方面粉煤灰由于具有較大的比表面積、更細(xì)的顆粒尺寸，能夠發(fā)揮微集料填充效應(yīng)，提高混凝土的密實性，改善孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率并減少混凝土結(jié)構(gòu)中連通孔的數(shù)量。另一方面，粉煤灰能夠發(fā)揮火山灰效應(yīng)，與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成的C-S-H凝膠，不僅能夠增強混凝土密實度也能提高混凝土對氯離子的物理吸附作用，反應(yīng)生成的水化鋁酸鈣改善了混凝土對氯離子的化學(xué)結(jié)合作用，從而減少了自由氯離子含量[13-17]。因此，粉煤灰摻入混凝土能夠有效提高其抗氯離子滲透性。

2.4 吸水率

圖4 粉煤灰摻量對各組混凝土不同齡期吸水率的影響

圖4給出了粉煤灰摻量對混凝土28 d和180 d齡期吸水率的影響規(guī)律?？梢悦黠@地看出，粉煤灰的加入降低了混凝土的吸水率，兩者具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。F10～F40組混凝土28 d齡期的吸水率分別為0.096 mm/min1/2、0.087 mm/min1/2、0.074 mm/min1/2和0.067 mm/min1/2，相比F0組混凝土吸水率降低了9.1%、16.3%、24.5%和29.0%。隨著養(yǎng)護時間的延長，各組混凝土具有更低的吸水率，180 d齡期吸水率范圍在[0.045，0.069]區(qū)間內(nèi)，這主要是由于較長養(yǎng)護齡期可以使膠凝材料水化更充分，從而減少了體系中毛細(xì)孔數(shù)量，導(dǎo)致吸水率降低。相比F0組，F(xiàn)10～F40組混凝土180 d齡期吸水率分別降低了3.8%、13.2%、28.8%和31.5%。無論28 d齡期還是180 d齡期，混凝土吸水率均有F0＞F10＞F20＞F30＞F40的遞減規(guī)律，這表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土吸水率呈減小趨勢發(fā)展。這主要是因為，相比水泥，粉煤灰顆粒更細(xì)，具有更大的比表面積，能夠發(fā)揮火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)[15-17]，增強混凝土結(jié)構(gòu)密實度，降低孔隙率，減少混凝土中連通孔數(shù)量和體系中毛細(xì)孔數(shù)量，從而降低了混凝土的吸水率，對提高耐久性具有積極作用。

3 結(jié)論

a）粉煤灰的加入降低了混凝土的早期強度，且隨著粉煤灰摻量的增加，強度降低越大。但是粉煤灰摻量在30%wt和40wt%時，混凝土后期強度逐漸提高。

b）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土干縮得到有效抑制，主要是由于粉煤灰取代水泥降低了體系的水化速度和程度。

c）粉煤灰增強了混凝土28 d和180 d齡期的抗氯離子滲透性，降低了混凝土吸水率，主要歸結(jié)于粉煤灰的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)能夠增大混凝土結(jié)構(gòu)的密實度。