粉煤灰不同摻量對(duì)高性能混凝土耐久性影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.022

摘 要：為了研究粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土材料耐久性影響，在P·O42.5級(jí)高性能混凝土中摻入10%、20%、30%、50%的粉煤灰。設(shè)計(jì)混凝土、粉煤灰摻量的試驗(yàn)配合比，將粉煤灰摻量和高性能混凝土配合比作為正交試驗(yàn)的2個(gè)變量。試驗(yàn)結(jié)果表明，正常環(huán)境下10%、20%、30%時(shí)的混凝土滲透率較低，抗壓強(qiáng)度大，50%的混凝土滲透率較高且抗壓強(qiáng)度有所減小，凍融環(huán)境下的各個(gè)數(shù)據(jù)值均小于正常環(huán)境，說(shuō)明適量摻入粉煤灰摻量能夠提高混凝土材料耐久性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可知，使用所研究方法混凝土滲透率、抗壓強(qiáng)度與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均存在最大僅為1%和0.1 MPa的誤差，能夠?qū)⒃囼?yàn)研究結(jié)果作為實(shí)際工程可行的條件。

關(guān)鍵詞：粉煤灰摻量；高性能混凝；正交試驗(yàn)；電量測(cè)量

中圖分類號(hào)：TU582.2" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0080-04

Research on the influence of fly ash content on the durability of high performance concrete materials in civil engineering

GAO Peng1，CHEN Xing1，WANG Wei1，DENG Mingke1

（1.School of CivilEngineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China;

2.China Construction Fifth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Changsha 410007，China）

Abstract：In order to study the effect of fly ash content on the durability of high-performance concrete materials，10%，20%，30%，and 50% fly ash were added to P·O42.5 grade high-performance concrete.Design the experimental mix ratio of concrete and fly ash content，using the fly ash content and high-performance concrete mix ratio as two variables in the orthogonal experiment，and observe the concrete pore size using the JC-XSP-A model microscope.Analyze the permeability of concrete according to the ASTMC1202 electricity measurement method.The test results show that under normal conditions，the permeability of concrete is low at 10%，20%，and 30%，and the compressive strength is high.50% of concrete has a high permeability and a decrease in compressive strength.The various data values under freeze-thaw conditions are lower than those in normal conditions，indicating that the appropriate amount of fly ash can improve the durability of concrete materials.By organizing the experimental data，it can be seen that there are maximum errors of only 1% and 0.1 MPa in the permeability，compressive strength，and statistical data of concrete using the research method，which can be used as feasible conditions for practical engineering.

Key words：fly ash content；high performance coagulation；orthogonal experiment；electricity measurement

近幾年來(lái)，工程界對(duì)粉煤灰摻入高性能混凝土進(jìn)行了大量研究工作，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于高性能混凝土的制備和使用具有重要意義。然而，目前已有的工作大都立足于工程實(shí)踐，并基于前期有關(guān)工作積累，多數(shù)工作集中在低摻量（通常小于20%）條件下，對(duì)于高摻量粉煤灰的高性能混凝土工作特性缺乏深入了解。如提出了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析方法，以水泥漿體率、粉煤灰摻入率等為主要測(cè)試指標(biāo)，系統(tǒng)地開(kāi)展封閉養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)措施，在這種措施下分析了混凝土的抗壓強(qiáng)度^[1]；提出了不同強(qiáng)度等級(jí)下的粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能影響分析方法^[2]。為了更精準(zhǔn)地分析影響效果，提出了土木工程中粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土材料耐久性影響研究方法。該方法結(jié)合正交試驗(yàn)和電量測(cè)量方法，從混凝土滲透率、抗壓強(qiáng)度角度研究混凝土材料的耐久性。

1"試驗(yàn)研究

1.1"實(shí)驗(yàn)原材料

高性能混凝土所使用的凝膠材料為湖南鑫鼎力新材料廠生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥，凝結(jié)的混凝土在2 d時(shí)抗壓強(qiáng)度就能達(dá)到27 MPa，在25 d時(shí)抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到45 MPa。

粉煤灰選擇成都廣川實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為25%，煅燒損失量6.0%，需水量為98%。高性能混凝土和粉煤灰的化學(xué)組成成分，如表1所示。

所用的碎石是由自然的細(xì)沙和中等砂粒組成，碎石的質(zhì)量比為0.1∶0.5，減水率為16%。

1.2"試驗(yàn)工具

主要試驗(yàn)工具：HJW-60攪拌機(jī)，河南科賽威機(jī)械設(shè)備有限公司；PE塑料膜，泰安市綠泰建材有限公司；WDW-50E試驗(yàn)機(jī)，揚(yáng)州市源峰檢測(cè)設(shè)備有限公司;ABS/高沖料模具，河北鴻鋼模具制造有限公司。

采用橫軸混合器來(lái)拌和混凝土，出機(jī)時(shí)，其坍落度為（150±15） mm，150 mm×150 mm×150 mm的試塊，成形后的試件要馬上被塑料薄膜包裹起來(lái)，在常溫下進(jìn)行1 d的固化，然后拆除模板。放入溫度為（20±2） ℃、相對(duì)濕度為95%的貯藏箱中進(jìn)行固化，直至達(dá)到一定的齡期^[3]。使用2 000 kN的抗壓性能測(cè)試裝置來(lái)測(cè)量混凝土的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)各階段的加載速率，取0.45～0.6 MPa/s。

針對(duì)所研究的方法應(yīng)用到的試驗(yàn)儀器包括：（1）TDR-16凍融試驗(yàn)機(jī)；（2）HP-4.0型混凝土滲透儀；（3）YYW-2型石灰土無(wú)側(cè)限抗壓儀。

使用水凍水融法，利用循環(huán)的冷凍液對(duì)試件進(jìn)行重復(fù)冷卻和加熱，定期將試件中的水凍結(jié)和溶解。

使用抗?jié)B儀對(duì)整個(gè)系統(tǒng)輸壓，通過(guò)分析電接點(diǎn)壓力測(cè)試試件抗?jié)B性能。

壓力計(jì)是一種多用途的測(cè)試紙盒品質(zhì)的儀器，適用于各種瓦楞紙盒的壓力測(cè)試，也適用于其他材質(zhì)的包裝物的壓力測(cè)試。

1.3"試驗(yàn)配合比

對(duì)于高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)，配置的C30混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式為：

對(duì)于粉煤灰摻量的設(shè)計(jì)，采用水泥、粉煤灰、外加劑和水按一定比例進(jìn)行稱重，粉煤灰摻量分別替代10%、20%、30%、50%的水泥，其他配比基本一致。之后，加入一定量的水分與起泡劑，經(jīng)過(guò)2 min的攪拌，制成了一種漿液，再用制泡機(jī)迅速攪拌3 min，使泡沫變得均勻而穩(wěn)固；最終，將糊液注入到模具里^[5-7]。將模子的外表抹去，放置24 h，再將樣品放在一個(gè)具有90%相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)干燥室內(nèi)干燥28 d。

2"耐久性影響試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

一般的抗?jié)B等級(jí)方法不能檢測(cè)出高強(qiáng)度的高性能混凝土的滲透率，所以采用了一種正交和電量測(cè)定的試驗(yàn)方法。其中正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中粉煤灰摻量和高性能混凝土配合比作為正交試驗(yàn)的2個(gè)變量，變量測(cè)定是以高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)為研究對(duì)象，分析粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土孔徑和滲透率影響。

2.1 粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土孔徑影響的正交試驗(yàn)

為了分析不同粉煤灰摻量下的高性能混凝土微觀孔徑，使用了JC-XSP-A型號(hào)顯微鏡觀察，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，粉煤灰的加入能夠有效地降低連通孔的大小，從而達(dá)到對(duì)孔隙進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的效果。當(dāng)粉煤灰摻入量達(dá)到50%時(shí)，連通孔大量增加，導(dǎo)致孔隙變大，材料軟化嚴(yán)重。

2.2"粉煤灰摻量對(duì)氯離子擴(kuò)散影響的電量測(cè)定試驗(yàn)

測(cè)試采用美國(guó)ASTMC1202中的測(cè)試方式，其步驟為：將30 d后的水泥樣品用巖心切削器切削為50 mm厚的樣品^[8-13]。將樣品置于吸收器中進(jìn)行吸氣，再灌入蒸餾水，直到樣品充滿一定質(zhì)量為止。把浸透的樣品表面擦干，再用石蠟封住樣品的表面和兩側(cè)。將封存好的樣品放入夾具，連接引線，在正極溶液罐中加入適量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%NaOH，在負(fù)極溶液罐中加入2 L的質(zhì)量濃度為2.5%的NaCl^[14]。再用50 V的直流供電，測(cè)量所需的電流，并計(jì)算出所需的電能。

不同粉煤灰摻入量對(duì)高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響，如表2所示。

由表2可知，用等量粉煤灰代替水泥，在加入粉煤灰后，可以顯著地減少混凝土中的氯離子滲透率。在不同的摻入率下水泥基材料的耐氯鹽滲透性能也有不同程度的提高。通過(guò)改變孔結(jié)構(gòu)，能夠?qū)紫冻叽邕M(jìn)行了細(xì)化，從而堵塞了可能產(chǎn)生的滲透通道^[15]。在此過(guò)程中，氫氧化鈣可使結(jié)晶度及粒徑減小，從而使多孔介質(zhì)的多孔性下降?；炷恋目?jié)B性隨時(shí)間而增加，56 d的抗?jié)B透能力相對(duì)于28 d的增強(qiáng)效果更加顯著。這表明，隨著水泥漿體的充分水化，大量摻入的粉煤灰仍然可以改善水泥漿體的抗?jié)B透性能，這有助于抑制外部氯鹽在混凝土中的滲入和運(yùn)移。

3"試驗(yàn)結(jié)果與分析

將試驗(yàn)設(shè)置為3種情況，分別是凍融環(huán)境和正常環(huán)境，分析3種情況下混凝土的抗?jié)B透性能和抗壓強(qiáng)度，以此驗(yàn)證粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土材料耐久性影響研究方法的可行性。

3.1"抗?jié)B透性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析不同養(yǎng)護(hù)方式、不同強(qiáng)度等級(jí)下的粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能影響與正交試驗(yàn)研究方法的抗?jié)B透性能，如圖2所示。

由圖2（a）可知，3種方法的研究結(jié)果均顯示在粉煤灰摻量為10%、20%、30%時(shí)的混凝土滲透率均低于50%，使用正交試驗(yàn)研究方法與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最接近，在30%時(shí)，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在最大為2%的誤差，其余均一致。而使用不同養(yǎng)護(hù)方式和強(qiáng)度等級(jí)，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別存在最大為10%和20%的誤差。當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示滲透率變高達(dá)到了42%，使用不同強(qiáng)度等級(jí)和正交試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接近，使用所研究的正交試驗(yàn)方法與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相差最小，使用不同養(yǎng)護(hù)方式與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相差最大。

由圖2（b）可知，混凝土受到熱脹冷縮影響，在凍融環(huán)境下混凝土滲透率比實(shí)際環(huán)境要小。其中，使用正交試驗(yàn)分析結(jié)果與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)誤差最小，誤差數(shù)值為1%。

3.2"抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)比分析混凝土的抗壓強(qiáng)度，將3種方法與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

由圖3（a）可知，使用3種方法的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，其中使用不同養(yǎng)護(hù)方式的研究方法與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相差最大，其中最大誤差為2.8 MPa；使用不同強(qiáng)度等級(jí)的研究方法與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最大誤差為1.8 MPa；使用正交試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在粉煤灰摻量為30%時(shí)存在最大為0.1 MPa的誤差。

由圖3（b）可知，使用不同養(yǎng)護(hù)方式和不同強(qiáng)度等級(jí)的研究方法，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不一致，在粉煤灰摻量為30%時(shí)，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別存在最大為0.4 MPa和0.6 MPa的誤差。使用正交試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本一致，只在粉煤灰摻量為30%時(shí)，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別存在最大為0.01 MPa的誤差。

4"結(jié)語(yǔ)

（1）在JC-XSP-A型號(hào)顯微鏡下，能夠清晰觀察混凝土孔徑；

（2）通過(guò)使用正交試驗(yàn)，能夠分析出不同粉煤灰摻量對(duì)高性能混凝土滲透性影響；

（3）采用電力計(jì)量法，可以用來(lái)研究粉煤灰用量對(duì)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊忠波，黃森樂(lè)，姚冀愷，等.養(yǎng)護(hù)方式對(duì)大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[J].混凝土，2022396（10）：151-155.

[2]白銀，李潔，丁建彤，等.同強(qiáng)度等級(jí)下粉煤灰摻量對(duì)抗沖磨混凝土性能的影響[J].水電能源科學(xué)，2022，40（4）：166-169.

[3]王輝，劉旭輝，蔡升宇，等.粉煤灰摻量對(duì)高性能自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展影響分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2021，40（5）：1573-1578.

[4]郭晉杰.椰殼纖維增強(qiáng)改性水泥砌塊抗壓耐久性試驗(yàn)[J].粘接，2023，50（5）：152-155.

[5]郭偉娜，張鵬，鮑玖文，等.粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能及損傷特征的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2022，25（6）：551-557.

[6]張超，張高劍，楊明曉，等.HTR-PM全尺寸氦循環(huán)器的耐久性試驗(yàn)研究[J].粘接，2023，50（1）：121-124.

[7]陳立延，楊安，洪芬，等.不同粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能及其孔徑的影響[J].混凝土，2021，382（8）：137-140.

[８]馬快樂(lè)，王海龍，劉思盟，等．低模數(shù)水玻璃對(duì)橡膠輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響[Ｊ]．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，39（7）：685-691．

[９]鄧曉陽(yáng)，裴新意，劉自妥，等．粉煤灰中銨離子含量對(duì)混凝土減水劑摻量及吸附特性影響[Ｊ]．礦產(chǎn)綜合利用，2022，235（3）：64-69．

[10]陳慧敏．基于正交試驗(yàn)的復(fù)合礦物膠凝材料摻合的混凝土強(qiáng)度與耐久性研究[Ｊ]．粘接，2022，49（11）：46-50．

[11]"王秋生，溫唯，羅昊，等．粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC應(yīng)變硬化性能的影響[Ｊ]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，47（4）：321-327.

[12]徐強(qiáng)，李鋒，樂(lè)勇，等.大摻量摻合料對(duì)海工混凝土耐久性的影響及工程實(shí)證[J].新型建筑材料，2022，49（12）：1-3.

[13]呂志栓，何斌，韓國(guó)旗，等.鋰渣摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（17）：7313-7318.

[14]張建武，汪瀟，李志新，等.氧化石墨烯對(duì)高摻量粉煤灰水泥基材料性能的影響及機(jī)理[J].化工新型材料，2021，49（6）：240-243.

[15]高鵬，胡筱，辛建達(dá)，等．粉煤灰摻量對(duì)高水膠比混凝土抗裂能力的影響 [Ｊ]．水力發(fā)電，2021，47（4）：122-126.

收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-06

作者簡(jiǎn)介：高"鵬（1982-），男，高級(jí)工程師，研究方向：高延性混凝土;E-mail：1435026802@qq.com。

引文格式：高"鵬，王"維，陳"星，等.粉煤灰不同摻量對(duì)高性能混凝土耐久性影響研究[J].粘接，2024，51（2）：80-83.