鮑忠正 粉煤灰對(duì)高強(qiáng)混凝土耐久性的影響

1、粉煤灰對(duì)高強(qiáng)混凝土耐久性的影響P. Nath, P. Sarker一、原文內(nèi)容介紹摘要：粉煤灰作為輔助的膠凝材料增加了混凝土的耐久性，其原理是減少了混凝土生產(chǎn)中二氧化碳的釋放量。粉煤灰作為混凝土部分替代物在混凝土耐久性方面所起到的積極作用已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而這種提高的程度取決于粉煤灰的性質(zhì)。在本文的研究中，使用了來自澳大利亞西部的高容量F類粉煤灰，來研究高強(qiáng)混凝土的耐久性。以粉煤灰為總粘合劑30%和40%的混凝土混合物來制造實(shí)驗(yàn)樣本。確定混凝土控制樣本，分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度、干燥收縮、吸水性及快速氯離子滲透性?；炷?8天抗壓強(qiáng)度變化范圍為65MPa到85MPa。摻入了粉煤灰的混凝土樣本比起同樣

2、養(yǎng)護(hù)了28天的控制樣本有更少的干燥收縮。在28天的試驗(yàn)中看到，加入了粉煤灰的試驗(yàn)在很大程度上降低了吸水性和氯離子的滲入，在6個(gè)月的時(shí)候這種減少更加明顯。總之，粉煤灰作為水泥的部分替代品提高了混凝土的耐久性。關(guān)鍵字：氯離子的滲透，干燥收縮，耐久性，粉煤灰，吸水性1、 引言在現(xiàn)在社會(huì)中，混凝土是被廣泛使用的建筑材料。在長(zhǎng)期的使用壽命中，侵蝕環(huán)境中的使用是混凝土耐久性主要考慮的問題。混凝土有大量的自然資源組成，包括骨料、水泥和水。水泥的生產(chǎn)消耗了大量的自然資源，引起了世界上7%溫室氣體的釋放。因此，輔助的膠凝材料被使用，他們包括粉煤灰、礦渣、硅灰等，在過去的幾十年間被廣泛的研究，以提高混凝土的耐久性

3、和可持續(xù)性。粉煤灰是煤粉燃燒的一種副產(chǎn)品，是一種火山灰材料。當(dāng)它與硅酸鹽水泥和水混合時(shí)，就產(chǎn)生了一種類似于水泥水化產(chǎn)物的物質(zhì)，它具有更密集的微觀結(jié)構(gòu)，因而就有更低的滲透性。對(duì)高強(qiáng)混凝土來說粉煤灰的建議替代量是15%-25%，然而，在正常強(qiáng)度混凝土中它的使用量可以超過總體膠凝材料的50%。加拿大礦產(chǎn)和能源技術(shù)中心（CANMET）是大體積粉煤灰混凝土研究的先驅(qū)。眾多的實(shí)驗(yàn)報(bào)告顯示，摻入了F類粉煤灰的大體積混凝土顯示出了很好的力學(xué)性能和耐久性，如對(duì)氯離子等侵入性分子有低滲透率。Cao等人的報(bào)告曾寫到，比起OPC混凝土，粉煤灰混凝土在抵御氯離子擴(kuò)散和硫酸根侵蝕方面產(chǎn)生更好的效果?；炷林械姆勖夯覝p少了

4、干燥收縮，產(chǎn)生更少的裂縫，保證了混凝土更好的抵御破壞的能力。Chindaprasirt等人發(fā)現(xiàn)了使用不同細(xì)度的粉煤灰減少的干燥收縮的規(guī)律。盡管干燥收縮是由許多因素造成的，但研究結(jié)果表明水灰比是主要的因素。替代45%的F類粉煤灰，28天時(shí)的觀察發(fā)現(xiàn)，降低了混凝土的孔隙直徑和孔隙度，而粉煤灰水泥漿顯示卻是增加了孔隙度。Papadakis觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)F類粉煤灰替代水泥時(shí)孔隙率增加，當(dāng)粉煤灰替代骨料時(shí)孔隙率降低。Naik等人測(cè)試了有70%粉煤灰的混凝土，發(fā)現(xiàn)在第91天的時(shí)候粉煤灰混凝土減少了的空氣和水的滲入。Tasdemir發(fā)現(xiàn)混凝土采用高吸水系數(shù)的水泥，與正常的混凝土相比在早期加入了水泥用量10%的

5、粉煤灰，同時(shí)使用的水跟膠結(jié)物的比值是0.6。Camoes等人發(fā)現(xiàn)可以通過使用0.25-0.5范圍內(nèi)的水膠比來降低吸水系數(shù)，而粉煤灰的用量占了總膠凝材料的60%。在混凝土中摻入粉煤灰能提高混凝土耐久性是成立的，但是提高的幅度取決于混合物的比例和粉煤灰的性能。本研究主要關(guān)注的是干燥收縮、吸水性和高強(qiáng)混凝土中氯離子的滲透性，試驗(yàn)采用了從澳大利亞西部獲得的F類粉煤灰。含有30%和40%粉煤灰的混凝土作為研究對(duì)象，與常規(guī)的硅酸鹽水泥進(jìn)行比較。2、試驗(yàn)詳情2.1材料表1 水泥和粉煤灰的組分本研究中使用的材料都是在澳大利亞西部能夠購買到的。使用的硅酸鹽水泥符合澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)（AS3972），使用的F類的粉煤

6、灰同樣也來自澳大利亞西部。這些材料的組分列于表1。骨料采用天然砂和壓碎的花崗巖石塊。除了正常的水之外還使用了高效減水劑，以提高其性能。2.2混合比例根據(jù)ACI 211.4R-08的指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了兩種混凝土的配比，兩種都控制了粉煤灰在整個(gè)膠凝材料中的最大值，兩個(gè)最大值分別是30%和40%?；旌吓浔華通過變化總體膠凝材料用量和水膠比來實(shí)現(xiàn)相似的28天的抗壓強(qiáng)度。配比B則采用了恒定水膠比和膠凝材料用量。混合比例和實(shí)測(cè)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試模和試樣的制備使用實(shí)驗(yàn)室中的鍋式混合機(jī)來攪拌混凝土。為了進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、吸水性和氯離子的滲透測(cè)試，制作了直徑為10

7、0mm高為200mm的圓柱形混凝土試模。為了進(jìn)行干燥收縮測(cè)試，制作了的菱形試模，圖釘放在兩端剛好是250mm。試樣在澆筑24小時(shí)后脫模，然后放在23oC的水中養(yǎng)護(hù)28天。在實(shí)際的測(cè)試中，通過圓柱體試模準(zhǔn)備了特殊的試樣，與試驗(yàn)的特殊性相一致。3、測(cè)試方法混凝土的耐久性的好壞基于其對(duì)進(jìn)入孔隙的侵蝕性物質(zhì)的抵抗能力。通過干燥收縮、吸水性、氯離子抗?jié)B性這些性能可以對(duì)粉煤灰混凝土耐久性的影響進(jìn)行研究。3.1抗壓強(qiáng)度和干燥收縮抗壓強(qiáng)度的評(píng)估是通過對(duì)圓柱體（100×200）試樣進(jìn)行測(cè)試得到的，選取試樣的齡期分別是3、7、28、56、91和210天。對(duì)每一種組合的干燥收縮都基于AS 1012.13標(biāo)

8、準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。試樣在澆筑24小時(shí)后脫模，然后放在水中養(yǎng)護(hù)7天，記錄其初始長(zhǎng)度，然后試樣放在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中（230C）中進(jìn)行干燥，直到6個(gè)月后記錄其長(zhǎng)度的改變。3.2吸水性吸水性測(cè)試測(cè)量了樣品與水接觸時(shí)的毛細(xì)管吸力。吸水性測(cè)試也根據(jù)ASTM C 1585 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。試樣在水中養(yǎng)護(hù)了28天，然后分別在28天齡期和180天齡期進(jìn)行試驗(yàn)。制備兩個(gè)單獨(dú)的試樣，他們是通過在兩個(gè)單獨(dú)的圓柱體試樣的頂部切下深度50mm得到的。試樣在烤箱中烘干到恒重，然后讓其一面和水接觸，封閉另一表面。在第一個(gè)六小時(shí)間隔中由于虹吸現(xiàn)象引起的質(zhì)量增加被量測(cè)出來。吸附率是最佳擬合線的斜率，坐標(biāo)是吸收率與時(shí)間的平方。3.3氯離子的滲

9、透氯離子滲透的測(cè)試在28天和180天齡期時(shí)進(jìn)行，測(cè)試同ASTM C1202-07標(biāo)準(zhǔn)一致。厚度為50mm的試樣從圓柱體試樣上切割下來。水飽和的試樣受到60伏特的電勢(shì)作用6小時(shí)。氯離子的滲透通過在測(cè)試期間傳入的總的電荷量來表示，這是混凝土氯離子滲透的一個(gè)指標(biāo)性參數(shù)。4、結(jié)果和討論4.1抗壓強(qiáng)度圖1 在方案一（左）和方案二（右）中抗壓強(qiáng)度的發(fā)展曲線混凝土混合物抗壓強(qiáng)度的發(fā)展情況列于圖1。結(jié)果顯示，與參照試驗(yàn)的混凝土相比，加入了粉煤灰的混凝土在早期的強(qiáng)度是降低的，但是在后期，或者如方案一那樣達(dá)到更高的強(qiáng)度或者如方案二那樣更接近參照混凝土塊的強(qiáng)度。摻入了30%粉煤灰比起摻入40%粉煤灰的混凝土有更高的

10、強(qiáng)度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第56天的時(shí)候，兩種方案的粉煤灰混凝土都要比參照的混凝土的強(qiáng)度高。56天后在兩種方案中的強(qiáng)度增長(zhǎng)都變小。在方案A中，粉煤灰混凝土在28天的時(shí)候獲得了與參照混凝土相似的強(qiáng)度。在第56天時(shí)兩種方案的粉煤灰混凝土都獲得了超過參照混凝土110%的強(qiáng)度。意味著粉煤灰混凝土顯著的強(qiáng)度增長(zhǎng)是由于28天后的火山灰反應(yīng)造成的。在方案B中的粉煤灰混凝土的強(qiáng)度比起參照混凝土要小，這是由于水膠比和整體膠結(jié)物的量在整個(gè)的混合物中是相同的。在28天的時(shí)候粉煤灰混凝土達(dá)到了超過參照混凝土80%的強(qiáng)度。對(duì)于加入30%和40%的粉煤灰的混凝土在第56天時(shí)分別達(dá)到了參考混凝土強(qiáng)度的92%和96%。粉煤灰混凝土強(qiáng)

11、度的發(fā)展趨勢(shì)與已發(fā)表文章中的相似。4.2干燥收縮粉煤灰對(duì)混凝土干燥收縮的影響列于圖2。從圖中可以看到，大部分的收縮發(fā)生在樣本澆筑后的56天內(nèi)。為了達(dá)到相似的28天的抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用了可變的水膠比和可變的膠結(jié)物總量，這樣使得粉煤灰混凝土比起參照混凝土顯示出更低的干燥收縮。當(dāng)方案A的試驗(yàn)進(jìn)行到第21天的時(shí)候，粉煤灰混凝土和參照混凝土的收縮是相同的。21天后，粉煤灰混凝土的收縮率變低了，在第56天的時(shí)候收縮率的值低于參照混凝土的10%。在第180天的時(shí)候，摻入40%粉煤灰（A40）的混凝土比起摻入30%粉煤灰（A30）收縮稍微降低。在方案B中，粉煤灰混凝土的收縮值（B30和B40）在28天內(nèi)都要比

12、參照混凝土（B00）的值更大。28天后粉煤灰混凝土的收縮率降低，在56天時(shí)達(dá)到與控制混凝土的值相似。摻入30%粉煤灰的混凝土比起摻入40%粉煤灰的混凝土有更少的收縮。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到第180天的時(shí)候，摻入兩種粉煤灰量的混凝土的收縮值都與參照混凝土的收縮值接近。圖2 方案A（左）和方案B中（右）粉煤灰對(duì)干燥收縮的影響曲線4.3吸水性吸水性的測(cè)試結(jié)果列于表3和圖3?？梢钥闯觯趦煞N方案中，粉煤灰的摻入都導(dǎo)致吸水率的降低。相近的試驗(yàn)結(jié)果Camoesetal(2003)曾發(fā)表過。粉煤灰混凝土的吸水系數(shù)小于129.1mm/s1/2，被認(rèn)為是混凝土非常好的性能。28天的齡期，粉煤灰混凝土比參照混凝土有更低的吸水

13、性。在180天后，粉煤灰混凝土和參照混凝土的吸水性都進(jìn)一步降低。在第180天的時(shí)候，粉煤灰混凝土的吸水值比參照混凝土的吸水值低。吸水性隨著粉煤灰摻量的增加而降低。方案A中的混凝土，在28天的時(shí)候達(dá)到了相似的強(qiáng)度，由于粉煤灰的加入使其毛細(xì)水吸力在很大程度上降低。在28天的時(shí)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參照混凝土分別降低了25%和37%。另一方面，在方案B中，有恒定的水膠比和總體膠結(jié)物的含量，使其吸水性有輕微的降低。對(duì)于加入30%和40%粉煤灰的混凝土，與參照混凝土相比其28天吸水性分別降低了6%和

14、20%。在180天齡期的時(shí)候，粉煤灰混凝土的吸水性趨于同參照混凝土的相似。表3 吸水性和氯滲透的測(cè)試結(jié)果4.4 氯離子的滲透總電荷通過快速氯離子滲透試驗(yàn)(RCPT)表明了氯離子在混凝土中的滲透?？傠姾稍?8天和180天通過不同的混凝土樣本情況列于圖4。粉煤灰混凝土在兩個(gè)齡期都表現(xiàn)出了很好的抵抗力。在混凝土中氯離子的滲入量隨著粉煤灰的增加而減少。在28天齡期的時(shí)候，與相應(yīng)的參照混凝土的濕度的氯離子滲入相比較，粉煤灰混凝土達(dá)到了更低的氯離子滲入水平。在180天齡期的時(shí)候，粉煤灰混凝土氯離子的滲入量達(dá)到了非常低的水平。在這個(gè)齡期，粉煤灰混凝土氯離子的滲入量要比相應(yīng)的參照混凝土的低。與參照混凝土28天

15、時(shí)相比，試驗(yàn)A中的粉煤灰混凝土中氯離子降低了35%-45%，而當(dāng)與180天相比較時(shí)，氯離子滲入進(jìn)一步減少了65%-70%。當(dāng)粉煤灰的摻入量從30%提高到40%時(shí)，抗氯離子侵入的能力也相應(yīng)提高了。 圖3 滲透系數(shù)的比較 圖4 氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果 另一方面，對(duì)于試驗(yàn)B，粉煤灰混凝土28天齡期時(shí)降低氯離子的滲入達(dá)到了24%，在180天時(shí)降低了48%。在180天的時(shí)候，40%粉煤灰的混凝土比起30%粉煤灰的混凝土氯離子的滲入有些提高。然而，他們都控制了非常低的電流的通過。5、結(jié)論本文研究了六組高強(qiáng)混凝土混合物，評(píng)估了30%和40%的F類粉煤灰在180天齡期中對(duì)混凝土耐久性的影響。下面就是測(cè)試結(jié)果得出的

16、結(jié)論：l 當(dāng)用粉煤灰替代水泥而不調(diào)整水膠比的情況下，28天強(qiáng)度有所下降。高強(qiáng)混凝土當(dāng)其28天抗壓強(qiáng)度為60MPa時(shí)，使用的水膠比是0.3，使用了40%的粉煤灰，而其56天的抗壓強(qiáng)度甚至可以超過80MPa，粉煤灰混凝土在56天內(nèi)應(yīng)力發(fā)展是顯著的。l 當(dāng)調(diào)整水膠比和膠合物的總量，使粉煤灰混凝土達(dá)到參照混凝土28天抗壓強(qiáng)度時(shí)，粉煤灰混凝土的干燥收縮減少了。l 粉煤灰的摻入降低了混凝土的早期吸水性，在六個(gè)月的時(shí)候降低的更多。l 在28天和180天的齡期里粉煤灰混凝土產(chǎn)生了更好的抗氯性。因此，通過加入40%的F類粉煤灰，設(shè)計(jì)出具有更低的滲透性的高強(qiáng)混凝土是可以實(shí)現(xiàn)的。二、對(duì)該論文有關(guān)問題的分析鮑 忠 正

17、粉煤灰是火電廠所用的燃燒物質(zhì)在燃燒鍋爐中燃燒后，在煙道中收集的粉狀物質(zhì)。其主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁(占70以上)。粉煤灰作為一種資源，其價(jià)值主要體現(xiàn)在它具有潛在的活性，因此對(duì)于它的應(yīng)用主要是對(duì)其活性的利用，特別是用作建筑材料的原材料，其中用作水泥和混凝土摻合料更為人們重視。粉煤灰的排放量在逐年增加，但粉煤灰的利用率僅僅占總排放量的40%左右，可見粉煤灰的利用率較低。所以，對(duì)粉煤灰的研究具有十分重要的意義。本文以粉煤灰為總粘合劑30%和40%的混凝土混合物來制造實(shí)驗(yàn)樣本，確定混凝土控制樣本，分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度、干燥收縮、吸水性及快速氯離子滲透性，以研究粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響。本文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

18、的方法比較值得借鑒，其設(shè)計(jì)了兩種混凝土的配比，兩種都控制了粉煤灰在整個(gè)膠凝材料中的最大值，兩個(gè)最大值分別是30%和40%?；旌吓浔華通過變化總體膠凝材料用量和水膠比來實(shí)現(xiàn)相似的28天的抗壓強(qiáng)度；配比B則采用了恒定的水膠比和固定膠凝材料用量；同時(shí)設(shè)置了對(duì)比組觀察實(shí)驗(yàn)效果。通過六組混凝土試件的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，本文得出了一些重要結(jié)論，包括：1）粉煤灰使得混凝土在56天強(qiáng)度顯著提高2）調(diào)整水膠比和膠合物的總量，使粉煤灰混凝土達(dá)到參照混凝土28天抗壓強(qiáng)度，粉煤灰可以使混凝土的干燥收縮減少。3）粉煤灰的摻入使混凝土的早期吸水性降低。4）在28天和180天的齡期里粉煤灰混凝土產(chǎn)生了更好的抗氯子滲透性。但是，本文的實(shí)驗(yàn)也存在一定的不足。本