綠色粉煤灰商品混凝土耐久性能研究及機(jī)理分析

喬宏霞 李 宇 何忠茂 陳丁山 孫 斌 向美玲

（1蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050;3甘肅土木工程科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

混凝土是現(xiàn)代建筑的主要材料之一，其用量多，范圍廣，隨著城市化發(fā)展的進(jìn)程加快，國家對(duì)節(jié)能、減排的政策提倡，綠色粉煤灰商品混凝土得到了更為廣泛的應(yīng)用，在當(dāng)今商品混凝土快速發(fā)展的今天，加強(qiáng)對(duì)其研究顯得的尤為重要，而提高混凝土強(qiáng)度主要是研究混凝土的耐久性，混凝土的耐久性[1-2]又包括抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕、后期強(qiáng)度增長等性能。混凝土強(qiáng)度、耐久性的研究直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全與使用壽命，混凝土結(jié)構(gòu)在其服務(wù)期間應(yīng)維持所需的強(qiáng)度和其他功能，混凝土結(jié)構(gòu)還必須能經(jīng)受住各種各樣的侵蝕破壞，這常被稱為混凝土具有耐久性，目前，混凝土耐久性破壞占到混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主體地位[3]。因此，加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度、耐久性的研究已成為建筑工程技術(shù)人員所面臨的重要課題之一。

目前，蘭州地區(qū)商品混凝土大多數(shù)只重視混凝土強(qiáng)度及其他力學(xué)性能和拌合物性能，忽視了混凝土的長期性能和耐久性要求，使混凝土的性能和壽命得不到充分的重視。在基于國家現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）6.2.5條中對(duì)耐久性有設(shè)計(jì)要求的混凝土應(yīng)進(jìn)行相關(guān)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，我們對(duì)蘭州地區(qū)商品混凝土做了耐久性試驗(yàn)檢測，以此引起大家對(duì)商品混凝土耐久性的關(guān)注，深入開展這方面的研究并找到提高商品混凝土耐久性的有效措施。針對(duì)上述商品混凝土耐久性的研究存在的關(guān)鍵技術(shù)和理論問題，本文研究了蘭州地區(qū)某商品混凝土站的有耐久性設(shè)計(jì)要求的混凝土的抗?jié)B性、后期強(qiáng)度和抗凍性等一系列耐久性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和混凝土配合比

本次試驗(yàn)的商品混凝土配合比采用普通硅酸鹽水泥、中砂、破碎卵石、摻和料、外加劑和水，配制了強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35、C40、C45的混凝土試件。

1.2 水泥：采用大通河水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表1所示，化學(xué)成分見表2所示。

1.3 粗集料

蘭州沙建司破碎卵石，粒徑為4.75～31.5mm連續(xù)級(jí)配，按GB/T14685-2011評(píng)定類別為II類，性能指標(biāo)見表3。

表1 水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 水泥的化學(xué)成分（%）

表3 破碎卵石性能指標(biāo)

表4 粉煤灰性能指標(biāo)（%）

表5 粉煤灰化學(xué)成分（%）

表6 混凝土配合比參數(shù)（重量比）

1.4 細(xì)集料

蘭州河口、臨洮砂按照1：1的比例混合，細(xì)度模數(shù)Mx=2.7，屬于II區(qū)中砂，堆積密度1540/m3，表觀密度2660kg/m3，其中大于10mm顆粒占5.1%。

1.5 礦物摻和料

蘭州西固熱電廠產(chǎn)II級(jí)粉煤灰，性能指標(biāo)見表4，化學(xué)成分見表5，混凝土配合比見表6。

1.6 外加劑

天成減水劑，NF-G型高效減水劑，減水率為20%。

1.7 水：自來水，水質(zhì)要求符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-2006）。

2 檢測方法及評(píng)價(jià)參數(shù)

2.1 抗?jié)B性試驗(yàn)

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）所述混凝土抗?jié)B試驗(yàn)，將混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，測試混凝土試件的抗?jié)B等級(jí)。

抗?jié)B等級(jí)按下式計(jì)算：

式中 P—抗?jié)B等級(jí)；

H—6個(gè)試件中有3個(gè)滲水時(shí)的水壓力，MPa。

2.2 后期強(qiáng)度試驗(yàn)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測試。本次試驗(yàn)測試了混凝土的7d、28d、60d、90d、120d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

本研究對(duì)試件后期強(qiáng)度選用的評(píng)價(jià)參數(shù)為相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度df，計(jì)算方法為：

式中nf——混凝土nd齡期的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

f28——混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

n——養(yǎng)護(hù)齡期（d）。

2.3 抗凍性試驗(yàn)

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T50082-2009）中的慢凍法進(jìn)行試驗(yàn)和眾多學(xué)者的混凝土硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)研究[4]，采用無破損檢測試驗(yàn)方法。在凍融循環(huán)每25次、50次、100次及以后每隔25次后測試件的動(dòng)彈性模量和重量指標(biāo)，計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量和相對(duì)重量，對(duì)凍融循環(huán)結(jié)果進(jìn)行分析。

相對(duì)動(dòng)彈性模量按下式計(jì)算：

式中：rE—經(jīng)過N次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，以三個(gè)試件的平均值計(jì)算（%）；

En—N次凍融循環(huán)后試件的動(dòng)彈性模量（GPa）；

E0—凍融循環(huán)前測得的試件的動(dòng)彈性模量（GPa）；

相對(duì)重量計(jì)算公式如下：

式中：rW—經(jīng)過N次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)重量，以三個(gè)試件的平均值計(jì)算（%）；

Wn—N次凍融循環(huán)后試件的重量（kg）；

W0—凍融循環(huán)前測得的試件的重量（kg）；

本研究對(duì)試件的抗凍性能參考了喬宏霞[5-6]設(shè)計(jì)的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)ω'，計(jì)算方法為：

ω'的破壞標(biāo)準(zhǔn)為：ω'＞1，混凝土強(qiáng)化；ω'＜1時(shí)，混凝土凍融損傷；ω'＜0時(shí)，混凝土破壞。

3 檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 C45混凝土耐久性檢測結(jié)果

選取強(qiáng)度等級(jí)為C45的混凝土配合比C45-II試件，采用HS-40型混凝土抗?jié)B儀測得混凝土C45-II的抗?jié)B等級(jí)為P10，后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見圖1所示，凍融損傷評(píng)價(jià)見圖2所示。

抗?jié)B等級(jí)為P10的混凝土C45-II應(yīng)該有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，密實(shí)性較好，有較好的抗?jié)B性；圖1可見，該混凝土也具有較好的后期強(qiáng)度發(fā)展，在120d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度增長約30%，這是因?yàn)榛炷罜45-II中摻加的II級(jí)粉煤灰發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細(xì)孔隙，提高了混凝土的后期強(qiáng)度；圖2可見，混凝土C45-II的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω在125次凍融循環(huán)過程中先升高后降低，但始終大于1，說明混凝土C45-II在125次凍融循環(huán)過程中未受到損傷，可見混凝土C45-II有較好的抗凍性。

圖1 混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖2 混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)

結(jié)合混凝土C45-II的抗?jié)B性、后期強(qiáng)度發(fā)展和抗凍性三方面的綜合評(píng)價(jià)，該混凝土具有較好的耐久性。

3.2 C40混凝土耐久性檢測結(jié)果

選取強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土配合比C40-II試件，采用HS-40型混凝土抗?jié)B儀測得混凝土C40-II的抗?jié)B等級(jí)為P8，后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見圖3所示，凍融損傷評(píng)價(jià)見圖4所示。

抗?jié)B等級(jí)為P8的混凝土C40-II應(yīng)該有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，密實(shí)性較好，有較好的抗?jié)B性；圖3可見，該混凝土也具有較好的后期強(qiáng)度發(fā)展，在120d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度增長40%以上，這是因?yàn)榛炷罜40-II中摻加的II級(jí)粉煤灰發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細(xì)孔隙，提高了混凝土的后期強(qiáng)度；圖4可見，混凝土C40-II的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω在125次凍融循環(huán)過程中圍繞1上下波動(dòng)，說明混凝土C40-II在125次凍融循環(huán)過程受到凍融損傷，但損傷程度并不嚴(yán)重，應(yīng)該說混凝土C40-II的抗凍性較好。

圖3 混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖4 混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)

結(jié)合混凝土C40-II的抗?jié)B性、后期強(qiáng)度發(fā)展和抗凍性三方面的綜合評(píng)價(jià)，該混凝土具有較好的耐久性。

3.3 C35混凝土耐久性檢測結(jié)果

選取強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土配合比C35-II試件，采用HS-40型混凝土抗?jié)B儀測得混凝土C35-II的抗?jié)B等級(jí)為P8，后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見圖5所示，凍融損傷評(píng)價(jià)見圖6所示。

抗?jié)B等級(jí)為P8的混凝土C35-II應(yīng)該有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，密實(shí)性較好，有較好的抗?jié)B性；圖5可見，該混凝土也具有較好的后期強(qiáng)度發(fā)展，在120d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度增長接近40%，這是因?yàn)榛炷罜35-II中摻加的II級(jí)粉煤灰發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細(xì)孔隙，提高了混凝土的后期強(qiáng)度；圖6可見，混凝土C35-II的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω在175次凍融循環(huán)過程中一致處于升高趨勢，評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω始終大于1，說明混凝土C35-II在175次凍融循環(huán)過程中未受到損傷，可見混凝土C35-II有很好的抗凍性。

圖5 混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖6 混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)

結(jié)合混凝土C35-II的抗?jié)B性、后期強(qiáng)度發(fā)展和抗凍性三方面的綜合評(píng)價(jià)，該混凝土具有很好的耐久性。

3.4 C30混凝土耐久性檢測結(jié)果

選取強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土配合比C30-II試件，采用HS-40型混凝土抗?jié)B儀測得混凝土C30-II的抗?jié)B等級(jí)為P8，后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律見圖7所示，凍融損傷評(píng)價(jià)見圖8所示：

圖7 混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖8 混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)

抗?jié)B等級(jí)為P8的混凝土C30-II應(yīng)該有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，密實(shí)性較好，有較好的抗?jié)B性；圖7可見，該混凝土也具有較好的后期強(qiáng)度發(fā)展，在120d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度增長接近50%，這是因?yàn)榛炷罜30-II中摻加的II級(jí)粉煤灰發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，由于粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成無定性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣填充了混凝土的部分毛細(xì)孔隙，提高了混凝土的后期強(qiáng)度；圖8可見，混凝土C30-II的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω在150次凍融循環(huán)過程中先升高后降低，但始終大于1，說明混凝土C30-II在150次凍融循環(huán)過程中未受到損傷，可見混凝土C30-II有較好的抗凍性。

結(jié)合混凝土C30-II的抗?jié)B性、后期強(qiáng)度發(fā)展和抗凍性三方面的綜合評(píng)價(jià)，該混凝土具有良好的耐久性。

3.5 檢測結(jié)果的耐久性評(píng)價(jià)

對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C30～C45的混凝土試件的抗?jié)B性、抗凍性、后期強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，所選商品混凝土配合比均具有較好的耐久性能。

所選混凝土試件配合比的抗?jié)B等級(jí)均能達(dá)到P8以上，在一般的工業(yè)民用建筑的使用環(huán)境中均符合抗?jié)B性要求。試件均能承受0.8MPa以上的壓力水頭，應(yīng)該具有較好的孔隙分布和較小的孔隙率，根據(jù)抗?jié)B性評(píng)價(jià)，混凝土應(yīng)該具有較好的耐久性能。

所選混凝土試件配合比試樣的后期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律顯示：所選混凝土配合比的120d齡期抗壓強(qiáng)度相對(duì)于各自28d抗壓強(qiáng)度增長達(dá)到30%～50%，均具有較好的后期強(qiáng)度儲(chǔ)備。后期強(qiáng)度發(fā)展的主要原因是混凝土配合比中均摻加25%～26%的粉煤灰，該粉煤灰中活性成分SiO2含量為60.0%，活性成分Al2O3含量為21.02%，這些活性成分能與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)。

所選混凝土試件的凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)'ω在試驗(yàn)過程中約大于等于1，說明混凝土配合比在125次凍融循環(huán)中均無明顯損傷，可見粉煤灰的加入提高了混凝土的抗凍性。

文中的混凝土試件拌和時(shí)采用高效減水劑，水膠比都很小，游離水較少，形成的毛細(xì)孔較少，從所選試件的抗?jié)B等級(jí)可以看出這一點(diǎn)。由于粉煤灰的加入使混凝土更加密實(shí)，所選試件的孔隙率較低，而且粉煤灰的加入也會(huì)細(xì)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，所以在水飽和狀態(tài)下混凝土的含水率并不高，從而導(dǎo)致所選試件均有較好的抗凍性。

通過對(duì)文中所選試件耐久性的檢測結(jié)果分析，在本研究的商品混凝土配合比均具有良好的耐久性能。

5 結(jié)論

1）文中不同等級(jí)混凝土試塊的抗?jié)B等級(jí)均在P8以上，120d抗壓強(qiáng)度相對(duì)28d抗壓強(qiáng)度增長率均在30%以上，在125次的凍融循環(huán)過程中性能無明顯損傷，測試結(jié)果表明，所選蘭州地區(qū)某商品混凝土站的商品混凝土配合比均具有較好的耐久性能。

2）文中所選粉煤灰，以其良好的微觀形態(tài)和化學(xué)構(gòu)成，成為提高該混凝土試件耐久性能的重要原因。

3）混凝土試件拌和時(shí)由于采用高效減水劑，水膠比都很小，游離水較少，形成的毛細(xì)孔較少，因此提高了混凝土的耐久性能。

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