粉煤灰摻量對(duì)膨脹混凝土抗凍性和抗氯離子滲透性的影響

彭艷周 劉 俊 徐 港 高 軍 呂俊達(dá)

(1.三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

我國(guó)西北地區(qū)冬季寒冷，最低氣溫低且很多地方存在鹽漬土，自然環(huán)境條件惡劣，因而，工程中對(duì)這些地區(qū)的混凝土及其結(jié)構(gòu)提出了更高的性能要求.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)的±800kV 換流站工程，要求混凝土的強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C35、抗凍等級(jí)達(dá)到F200.為了滿足工程要求，在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了摻入粉煤灰、引氣劑及高效減水劑等技術(shù)措施.但是在用水量、水膠比相同的條件下，目前針對(duì)粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍性的影響研究得出的結(jié)論不盡相同.有研究[1-2]表明，粉煤灰摻量越大，混凝土的抗凍性越差.部分學(xué)者認(rèn)為，粉煤灰摻量不超過(guò)某值時(shí)，對(duì)改善混凝土的抗凍性有利：肖前慧等[3]指出30%摻量以內(nèi)的粉煤灰能夠提高混凝土抗凍性；王德志等[4]研究認(rèn)為15%粉煤灰摻量的混凝土抗凍性最好；Yoon[5]研究表明粉煤灰摻量為15%或20%使混凝土的抗凍性提高；而譚克鋒[6]研究指出，與未摻粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰摻量為20%的混凝土抗凍性略有降低.

此外，除了抗凍性，混凝土的收縮開(kāi)裂也是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性(如抗?jié)B性、抗氯離子滲透性和抗侵蝕性)下降的原因之一.一般認(rèn)為，在水泥混凝土中摻入粉煤灰等礦物摻合料可以降低混凝土的氯離子遷移系數(shù)(提高抗?jié)B性)，這是由于粉煤灰等礦物摻合料的物理填充效應(yīng)和化學(xué)活性效應(yīng)，細(xì)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗?jié)B性.然而，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量較高時(shí)，繼續(xù)增加粉煤灰將不利于混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的改善，反而會(huì)使氯離子遷移系數(shù)增大(或抗?jié)B性下降)[7-11].因此，針對(duì)上海廟鎮(zhèn)±800kV換流站工程換流閥水冷系統(tǒng)中水池混凝土結(jié)構(gòu)的建設(shè)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)采取了外摻膨脹劑(摻量10%)措施來(lái)減小混凝土的收縮，試驗(yàn)(水凍試驗(yàn)和鹽凍試驗(yàn))研究了粉煤灰摻量(0、20%、30%、40%)對(duì)膨脹混凝土抗凍性的影響；同時(shí)，考慮到鹽漬土中的離子滲透很可能會(huì)引起鋼筋銹蝕從而危及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，采用RCM 法研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響，以期為該工程換流閥水冷系統(tǒng)中水池結(jié)構(gòu)混凝土的生產(chǎn)施工與質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)指導(dǎo).

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

所用水泥為華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5；粉煤灰采用鞏義市第二電廠的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰；砂子為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5；石子為粒徑5～25mm 連續(xù)級(jí)配的石灰石；膨脹劑為北京邁克龍力化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的UEA 型混凝土膨脹劑；減水劑為陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的HPWR 標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑；引氣劑為上虞市舜洋建筑材料有限公司生產(chǎn)的SA-20型聚羧酸專用引氣劑；拌和與養(yǎng)護(hù)用水為潔凈自來(lái)水.

1.2 混凝土配合比

混凝土的設(shè)計(jì)坍落度為110～150mm，拌和物的含氣量為4.7%～4.9%.膨脹劑摻量為膠凝材料的10%，試驗(yàn)所用的混凝土配合比見(jiàn)表1.

表1 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物含氣量、坍落度試驗(yàn)均依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)進(jìn)行.其中，含氣量采用美國(guó)FORNEY 公司生產(chǎn)的LA-0316型直讀式混凝土含氣量測(cè)定儀測(cè)定.對(duì)于各配比的混凝土，在試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整減水劑和引氣劑的摻量使混凝土拌合物的含氣量和坍落度滿足預(yù)定的要求.混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行.

抗氯離子滲透試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)均依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)進(jìn)行.使用北京耐爾公司生產(chǎn)的RCM-NTB 型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)(RCM 法)；使用TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融箱按照快凍法進(jìn)行混凝土抗水凍性能試驗(yàn)，抗鹽凍試驗(yàn)中所用的凍融介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液.抗凍試件的質(zhì)量采用感量為1g的電子秤稱量，其橫向基頻則使用DT-12W 型動(dòng)彈儀測(cè)定，并以NELDTA 型動(dòng)彈儀進(jìn)行校核.

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰摻量對(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，混凝土28d抗壓強(qiáng)度與粉煤灰的摻量呈負(fù)相關(guān)的變化關(guān)系.與未摻粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰摻量越大，混凝土28d抗壓強(qiáng)度下降幅度就越大；粉煤灰摻量分別為20%、30%、40%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度分別下降了13.5%、19.3%、25.7%.分析認(rèn)為，一是因?yàn)殡S著粉煤灰摻量的增加水泥用量減少，故而在混凝土中因水泥水化而生成的水化物數(shù)量下降；二是因?yàn)轶w系中粉煤灰的二次水化反應(yīng)進(jìn)行得比較緩慢，在28d齡期之前，其反應(yīng)程度和反應(yīng)數(shù)量都很有限[12]，因此，粉煤灰摻量越大的混凝土，其體系中因水化反應(yīng)而生成的水化產(chǎn)物總量就越少.

2.2 粉煤灰對(duì)膨脹混凝土抗凍性的影響

2.2.1 粉煤灰對(duì)膨脹混凝土抗水凍性的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融(快速凍融)循環(huán)次數(shù)而變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖2～3所示.

由圖2可知，各配比混凝土試件的質(zhì)量損失率均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先減小后增大的趨勢(shì).在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)200次之前，各配比混凝土試件的質(zhì)量基本保持不變(質(zhì)量變化率都小于0.5%)，凍融循環(huán)200次以后，各配比的質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增加而明顯變大，凍融循環(huán)400次后，各配比混凝土試件的質(zhì)量損失率大小關(guān)系為：FA40＞FA30＞FA20＞FA0.

圖2 混凝土水凍質(zhì)量損失率變化曲線

圖3 混凝土水凍相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

圖3的結(jié)果表明，各配比試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；凍融循環(huán)達(dá)100次之前，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較緩，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)100次之后，尤其是200次之后，各配比試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降明顯加快，而且，粉煤灰摻量越大，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降越快.凍融循環(huán)400次后，各配比的相對(duì)動(dòng)彈性模量大小關(guān)系為：FA0＞FA20＞FA30＞FA40.

以上快速凍融(水凍法)試驗(yàn)結(jié)果表明，表1中幾組混凝土的抗凍等級(jí)均不低于F400，能滿足上海廟鎮(zhèn)換流站工程的要求，但隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土抗水凍性能下降.分析認(rèn)為，這同樣與粉煤灰摻量增大致使水泥用量降低直接相關(guān).

2.2.2 粉煤灰對(duì)膨脹混凝土抗鹽凍性的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量隨鹽凍融(快速凍融)循環(huán)次數(shù)而變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖4～5所示.

圖4 混凝土鹽凍質(zhì)量損失率變化曲線

圖5 混凝土鹽凍相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

由圖4、圖5可知，在鹽凍融條件下，各配比混凝土試件的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低.凍融循環(huán)275 次后，各配比試件質(zhì)量損失率的大小關(guān)系為：FA40＞FA30＞FA20＞FA0；相對(duì)動(dòng)彈性模量的大小關(guān)系為：FA0＞FA20＞FA30＞FA40.FA0、FA20、FA30、FA40所能承受的最大鹽凍融循環(huán)次數(shù)分別為＞400次、225次、175次、150次.這表明，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗鹽凍性能下降.

以上兩種凍融試驗(yàn)(抗水凍和抗鹽凍)的研究結(jié)果表明，粉煤灰摻量越大，混凝土的抗凍性越差.其原因主要是由于隨著粉煤灰摻量的增加，意味著混凝土中水泥用量的減少，從而水泥的水化產(chǎn)物數(shù)量也減少.而且，一般認(rèn)為，在28d齡期時(shí)粉煤灰的二次水化反應(yīng)程度較低.因此，28d時(shí)粉煤灰摻量較高的混凝土中水化產(chǎn)物的總量減少，導(dǎo)致混凝土密實(shí)程度下降、孔隙率略增加，而在宏觀上表現(xiàn)為混凝土的強(qiáng)度下降，從而混凝土抵抗冰凍破壞作用(主要是冰脹壓力、靜水壓力、顯微析冰和滲透壓力作用)[13-14]的能力減弱，致使混凝土內(nèi)部更容易在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生微裂縫，表面也更容易被剝蝕.

2.3 粉煤灰對(duì)膨脹混凝土抗氯離子滲透性的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的氯離子遷移系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同粉煤灰摻量混凝土的氯離子遷移系數(shù)

由圖6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土中氯離子遷移系數(shù)迅速增大.與未摻粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰摻量為20%、30%、40%的混凝土氯離子遷移系數(shù)分別上升了9.9%、16.6%、25.5%，這表明粉煤灰摻量越大，則混凝土的抗氯離子滲透性越差.一般認(rèn)為，粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能與膠凝體系的密實(shí)度、體系中粉煤灰等礦物質(zhì)材料對(duì)氯離子的物理、化學(xué)吸附作用有關(guān)[15].膠凝體系越密實(shí)、粉煤灰等對(duì)氯離子的吸附作用越強(qiáng)，則混凝土的抗氯離子滲透性越強(qiáng).在本研究中，一方面，粉煤灰摻量越大的混凝土中水泥用量越少，從而水泥的水化產(chǎn)物就越少，并且，由于粉煤灰的二次水化反應(yīng)程度和反應(yīng)速度在28d齡期之前都較低，則其二次水化反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量亦較少，因此，粉煤灰摻量大的28d混凝土中水化產(chǎn)物總量較少，可能導(dǎo)致混凝土中內(nèi)部的密實(shí)程度、尤其是粉煤灰顆粒周?chē)鷧^(qū)域的密實(shí)程度下降[16]，從而混凝土氯離子遷移系數(shù)增大.另一方面，盡管粉煤灰對(duì)氯離子有一定的吸附作用[17]，但其吸附(化學(xué)吸附、物理吸附)作用是與粉煤灰的二次水化反應(yīng)過(guò)程相伴發(fā)生的，由于28d齡期時(shí)粉煤灰的二次水化程度很有限[12，18]，因此，本研究條件下，粉煤灰對(duì)氯離子的吸附作用較弱.以上兩方面原因是造成混凝土抗氯離子滲透性隨粉煤灰摻量增加而變差的主要原因.

2.4 混凝土的工程應(yīng)用及其效果簡(jiǎn)介

由以上研究結(jié)果可知，粉煤灰摻量為20%的混凝土，其28d強(qiáng)度等級(jí)C35以上、抗凍等級(jí)F200以上、氯離子遷移系數(shù)為8.87×10-12m2/s，各項(xiàng)性能滿足上海廟鎮(zhèn)±800kV 換流站工程的設(shè)計(jì)要求.綜合考慮成本等因素，推薦將該配合比的混凝土用于上海廟鎮(zhèn)±800kV 換流站工程換流閥水冷系統(tǒng)中水池結(jié)構(gòu)的建設(shè).工程檢測(cè)結(jié)果表明，施工現(xiàn)場(chǎng)所用混凝土(含現(xiàn)場(chǎng)留樣)的力學(xué)性能、抗凍性均滿足設(shè)計(jì)要求，制得的水池結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量良好，超聲波無(wú)損檢測(cè)、滲漏等檢測(cè)表明其各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié) 論

1)混凝土的28d抗壓強(qiáng)度、抗凍性及抗氯離子滲透性等性能均隨著粉煤灰摻量的增大而降低.這主要與混凝土中水泥用量因粉煤灰摻量的增加而減少密切相關(guān).在用水量、水膠比相同的條件下，粉煤灰摻量增大時(shí)混凝土中水泥用量相應(yīng)減少、致使生成的水化產(chǎn)物數(shù)量減少，從而混凝土的密實(shí)度降低，混凝土性能亦隨之變差.

2)粉煤灰摻量為20%時(shí)，混凝土的28d強(qiáng)度等級(jí)C35以上、抗凍等級(jí)F200以上、抗氯離子滲透性能較好.將該配合比的混凝土用于上海廟鎮(zhèn)±800kV換流站工程，制得的水池結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量良好，超聲波無(wú)損檢測(cè)、滲漏等檢測(cè)表明其各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求.