灰渣混凝土耐久性能試驗(yàn)研究

李化建，趙國(guó)堂，謝永江，譚鹽賓

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100083)

粉煤灰已經(jīng)成為鐵路混凝土中不可或缺的組分，對(duì)于提高混凝土工作性能、降低混凝土水化熱、提高混凝土體積穩(wěn)定性起到重要的作用［1-2］?，F(xiàn)在滿足技術(shù)要求的粉煤灰越來(lái)越緊缺，導(dǎo)致鐵路混凝土工程造價(jià)增加，且嚴(yán)重影響工程工期。按細(xì)度、燒失量、需水量比等技術(shù)指標(biāo)同時(shí)控制粉煤灰材料質(zhì)量是制約大量顆粒粗、燒失量小的粉煤灰(以下稱為灰渣)無(wú)法使用的根本原因。大量研究表明，燒失量小、細(xì)度大的粉煤灰能夠制備出高工作性能、高耐久性能的混凝土。Carette G G等曾對(duì)美國(guó)8種粉煤灰和兩種波特蘭水泥配制的粉煤灰混凝土的新拌與硬化混凝土各種性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，8種粉煤灰的細(xì)度15.3% ～31.9%，燒失量0.30%～2.78%。研究結(jié)果表明高摻量粉煤灰混凝土引氣沒(méi)有困難，硬化體的氣泡間隔系數(shù)＜0.2 mm和比表面積＞25 mm2/mm3。根據(jù)ASTM C 666A試驗(yàn)經(jīng)1 000次凍融循環(huán)后，除一種情況耐久系數(shù)為67以外，其它耐久系數(shù)均很好;91 d濕養(yǎng)護(hù)混凝土的抗氯離子滲透能力，電量均＜650 C;混凝土滲透性很小，透水率接近10-6m/s［3-4］。如果按《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)規(guī)定來(lái)劃分，文中所用粉煤灰為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，在很多工程領(lǐng)域均無(wú)法使用。

為拓展粉煤灰資源，系統(tǒng)研究了灰渣的物理化學(xué)特性以及灰渣與外加劑的相容性后，證明影響混凝土關(guān)鍵指標(biāo)是灰渣的燒失量，而不是細(xì)度［5］。本文在研究灰渣混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，探討了灰渣混凝土的耐久性能，以消除人們對(duì)灰渣混凝土在工程中應(yīng)用的擔(dān)憂。

1 灰渣混凝土試驗(yàn)

1.1 原材料

灰渣取自德州華能電廠，其性能如表1所示，水泥采用琉璃河P·O42.5水泥，減水劑采用天津雍陽(yáng)聚羧酸減水劑，減水率為29%，粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。

表1 灰渣的性能指標(biāo) %

1.2 配合比

通過(guò)調(diào)整減水劑來(lái)控制混凝土的工作性能，灰渣混凝土的目標(biāo)坍落度180～210 mm，含氣量 2% ～4%。不同混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能:按照GB/T 0081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)按GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的干濕循環(huán)制度為:混凝土試件在20℃硫酸鹽溶液浸泡15 h，然后晾干1 h，接著在60℃條件下烘干6 h，然后冷卻2 h讓混凝土試件降溫至20℃，如此為1次干濕循環(huán)。然后混凝土試件再轉(zhuǎn)入浸泡15 h，繼續(xù)重復(fù)前述過(guò)程，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，總循環(huán)次數(shù)為150次?；炷量沽蛩猁}干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備為自行研發(fā)混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)(已授權(quán)國(guó)家專利)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 灰渣混凝土力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1～圖3所示，灰渣的摻入會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度絕對(duì)值，以28 d抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，摻入30%的灰渣，可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，如設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，摻入30%的灰渣后，強(qiáng)度能夠滿足該強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)摻加灰渣的量達(dá)到50%時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)會(huì)降低一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，即設(shè)計(jì)的C40，摻入50%的灰渣后，其強(qiáng)度等級(jí)將降為 C30。

圖1 不摻摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度回歸曲線

圖2 摻30%灰渣混凝土抗壓強(qiáng)度回歸曲線

圖3 摻50%灰渣混凝土抗壓強(qiáng)度回歸曲線

由回歸方程可知，無(wú)論是否添加灰渣，混凝土的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的對(duì)數(shù)均呈現(xiàn)很好的線性相關(guān)性，并且回歸曲線的置信度較高，范圍為0.877 8～0.990 5。不同回歸曲線特征值與置信度如表3所示。由表3可知，對(duì)于以C50為基準(zhǔn)的混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)數(shù)的系數(shù)隨著灰渣摻量的增加，其系數(shù)逐漸增加，即6.310 8(灰渣摻量為0)＜7.616 7(灰渣摻量為30%)＜7.653 3(灰渣摻量為50%)，表明灰渣的摻入能夠增加混凝土后期的抗壓強(qiáng)度;而回歸公式中常數(shù)隨著灰渣的摻入而逐漸減小，表明灰渣混凝土的初始強(qiáng)度較低，其原因是灰渣的摻入，可水化的水泥減小，粉煤灰的活化灰活性尚未得到發(fā)揮;對(duì)于C40為基準(zhǔn)的混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期的系數(shù)也隨著灰渣摻量的增加而增加，即7.099 6(灰渣摻量為 0)＜7.570 6(灰渣摻量為30%)＜7.682 0(灰渣摻量為50%);而對(duì)于C30為基準(zhǔn)的混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期的系數(shù)隨著灰渣的摻量增加而基本呈降低趨勢(shì)，即8.205 6(灰渣摻量為0)，5.896 6(灰渣摻量為30%)，6.024 2(灰渣摻量為50%)。其原因與C30混凝土膠凝組分中可以激發(fā)灰渣的Ca(OH)2量較少有關(guān)。

表3 灰渣混凝土回歸曲線特征值

2.2 灰渣混凝土電通量

表4為灰渣混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果?；以炷? d混凝土電通量很大，有的高達(dá)4 400 C，混凝土抗氯離子滲透性屬于較差，但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為56 d時(shí)，混凝土電通量降低幅度很大，除了H4001未加摻合料混凝土56 d電通量 ＞1 500 C外，其余的混凝土均 ＜1 500 C，最小為870 C，混凝土抗?jié)B性屬于極低水平。由于灰渣的摻入，灰渣—水泥體系水化較慢，在28 d時(shí)，體系中尚未形成致密結(jié)構(gòu)，到56 d，灰渣與水泥水化的氫氧化鈣逐漸發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成更多的水化產(chǎn)物，細(xì)化體系中的孔結(jié)構(gòu)，增加氯離子在體系中的傳輸位壘。

按照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(報(bào)批稿)［6］的要求，灰渣混凝土可以滿足鐵路工程混凝土大多數(shù)要求。

表4 灰渣混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 灰渣混凝土抗氯離子滲透系數(shù)

灰渣混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表5所示。養(yǎng)護(hù)齡期從28 d到56 d，混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，對(duì)于灰渣混凝土，降低幅度更為顯著。氯離子擴(kuò)散系數(shù)被應(yīng)用于評(píng)價(jià)氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的耐久性，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476—2008)和新修訂的《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》均采用氯離子擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)［7］。按照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)定如表6所示，對(duì)比可知，除了H4003以外，其它混凝土能夠滿足L1環(huán)境等級(jí)下設(shè)計(jì)使用年限為60年的要求，而H5001～H5003能夠滿足 L1，L2，L3環(huán)境等級(jí)下設(shè)計(jì)使用年限為100年的要求。

灰渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較小的原因有兩方面:一是灰渣中鋁含量較高，能夠固化一部分氯離子，這主要是以化學(xué)固化為主;二是灰渣的加入，細(xì)化了灰渣混凝土孔結(jié)構(gòu)，阻礙了氯離子在體系中的傳輸。

表5 灰渣混凝土抗氯離子滲透性能

表6 氯鹽環(huán)境下混凝土抗氯離子滲透性指標(biāo)

2.4 灰渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土試件在硫酸鹽溶液中自然浸泡直至發(fā)生性能劣化和破壞，通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，一般浸泡1～2年后混凝土試件才發(fā)生破壞。因此，為快速確定混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，以便指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，采用硫酸鹽干濕循環(huán)的辦法?；以炷量沽蛩猁}干濕循環(huán)的性能如表7。由結(jié)果可知，混凝土試件在經(jīng)過(guò)150次硫酸鹽干濕循環(huán)后，其質(zhì)量都有少量增加，而未出現(xiàn)質(zhì)量降低，通過(guò)對(duì)混凝土試件觀察，發(fā)現(xiàn)混凝土試件外觀良好，未出現(xiàn)表面或棱角剝落等情況，如圖4所示。經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)交替作用的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度則低于清水中的對(duì)比試件。由圖5可知，在不同循環(huán)次數(shù)時(shí)，經(jīng)歷干濕循環(huán)交替的混凝土試件強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯降低，純水泥混凝土試件強(qiáng)度最高損失率達(dá)15%，灰渣混凝土強(qiáng)度損失率最高為13%。由此可知，雖然摻灰渣混凝土抗壓強(qiáng)度低于純水泥混凝土，但其在硫酸鹽干濕循環(huán)交替作用下的強(qiáng)度損失率基本都低于純水泥混凝土，說(shuō)明灰渣的摻入能有效提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。

表7 混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕性能的影響

3 結(jié)論

1)采用添加30% ～50%的灰渣，可以制備出坍落度180～210 mm、含氣量2% ～4%、強(qiáng)度等級(jí) C30～C50的混凝土。

2)在相同膠凝材料下，添加30%的灰渣，混凝土可以達(dá)到相同強(qiáng)度級(jí)別，當(dāng)灰渣摻量為50%時(shí)，混凝土降低一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。

圖4 經(jīng)150次硫酸鹽干濕循環(huán)交替作用的灰渣混凝土試件外觀

圖5 混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度損失率

3)灰渣混凝土具有較高的抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能，可以應(yīng)用于氯鹽環(huán)境和鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境。

［1］趙國(guó)堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用管理技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］MALHOTRA M V.High-erformancehigh-volumeflyash concrete:materials，mixture proportioning，properties，construction practice，and case histories［Z］.Ottawa:2008.

［3］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Mechanical properties of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1993，90(6):535-544.

［4］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Durability of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1994，91(1):3-12.

［5］譚鹽賓，李化建，謝永江，等.燒失量和細(xì)度對(duì)粉煤灰漿體流變特性的影響［J］.鐵道建筑，2010(2):127-129.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范(報(bào)批稿)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［7］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.