等28 d抗压强度条件下粉煤灰和矿渣对C50混凝土后期性能的影响

孙建伟，王 强，陈忠辉

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.清华大学土木工程系，北京 100084)



等28 d抗压强度条件下粉煤灰和矿渣对C50混凝土后期性能的影响

孙建伟1，王 强2，陈忠辉1

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.清华大学土木工程系，北京 100084)

在28 d抗压强度相近的前提下，制备了纯水泥混凝土、大掺量粉煤灰混凝土、大掺量矿渣混凝土，测定了不同混凝土的后期抗压强度、抗氯离子渗透性，以及胶凝材料的化学结合水、硬化浆体中的Ca(OH)2含量。结果表明：含大掺量矿物掺合料的混凝土的后期强度和抗氯离子渗透性均明显高于纯水泥混凝土；大掺量矿渣混凝土的后期强度高于同掺量的大掺量粉煤灰混凝土；复合胶凝材料的后期水化程度增长率明显高于纯水泥；复合胶凝材料硬化浆体中后期Ca(OH)2含量明显低于纯水泥硬化浆体。

抗压强度； 抗氯离子渗透性； 化学结合水； 氢氧化钙的含量

1 引 言

粉煤灰和矿渣都是工业副产品，它们已经成为混凝土生产中常用的矿物掺合料[1,2]。当粉煤灰和矿渣在混凝土中的掺量适当时，不但能提高混凝土的和易性[3]、抗硫酸盐侵蚀性能[4]和耐化学侵蚀性能[5-7]，还能改善混凝土的耐高温性能[8]、减少泌水[2,9]，同时降低水化热，有利于减少大体积混凝土内部温升引起的裂缝和变形[10-13]。

目前，关于粉煤灰和矿渣对混凝土性能的影响的研究已经很多，大多采用了单因素分析法，即保持水胶比不变，研究粉煤灰或矿渣的掺量对混凝土性能的影响；或保持掺合料比例不变，研究水胶比的变化对于混凝土性能的影响[14]。在这样的研究体系中，混凝土的28 d强度往往是变化的，而实际工程中通常以混凝土的28 d抗压强度作为检验标准[15]。混凝土设计强度是根据承载力大小和结构形式所确定的，即使对混凝土的后期性能(尤其是耐久性)有较高的要求时，也通常首先要满足混凝土的28 d设计强度。而在保持水胶比不变的前提下进行的试验研究，往往不能保证混凝土的28 d强度达到设计要求。

尽管目前工程中所采用的混凝土强度等级以C25-C35为主，但对较高强度等级的混凝土的需求也在逐渐增大。总体而言，混凝土强度等级越高，矿物掺和料的掺量相应越低，大掺量矿物掺和料的研究和应用更少。本文研究了大掺量矿渣和粉煤灰对C50混凝土长期性能的影响，为更贴近工程实际，通过调整混凝土的水胶比，使不同组成的混凝土的28 d抗压强度相近，在此前提下，进行了混凝土的后期性能对比研究。

2 试 验

2.1 原材料

试验采用的水泥为北京金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥，符合国家标准GB175-2007。矿渣为S95级粒化高炉矿渣，符合国家标准GB/T 18046-2000。粉煤灰为二级低钙粉煤灰，符合国家标准GB/T 1596-2005。水泥、矿渣、粉煤灰的比表面积分别为350 m2/kg、430 m2/kg、358 m2/kg。三种原材料的化学组成如表1所示。试验采用的细骨料为普通河砂，最大粒径为5 mm，细度模数为2.7；粗骨料为石灰石碎石，粒径在5～25 mm之间；减水剂为聚羧酸减水剂。

表1 原材料的化学成分Tab.1 Chemical compositions of raw materials /%

2.2 配合比

试验采用的5组混凝土的配合比如表2所示，各组混凝土的胶凝材料总量均为500 kg/m3，F1和F2中粉煤灰的掺量分别为30%和50%，B1和B2中矿渣的掺量分别为30%和50%，通过调节混凝土的用水量，使大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土在28 d的抗压强度接近纯水泥混凝土。由表2可以看出，5组混凝土的28 d抗压强度非常接近，均达到了C50的设计要求。

表2 混凝土的配合比和28 d抗压强度Tab.2 Mix proportions and 28 d compressive strengths of concretes

2.3 试验方法

(1)抗压强度

试件成型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体，成型后在温度为(20±1) ℃、相对湿度大于95%的标准养护条件下养护至28 d和360 d，测定抗压强度。

(2)氯离子渗透性

成型100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，在标准条件下养护。采用ASTM
C1202的方法测定了混凝土的28 d和360 d的氯离子渗透性，将切割后的试件(尺寸为100 mm×100 mm×50 mm) 经过真空饱水后，在混凝土氯离子电通量测定仪上进行测试，以3个试件为一组，记录6 h通过的电通量。

(3)化学结合水

将养护到龄期(28 d、360 d)的净浆试样放在无水酒精中浸泡以使胶凝材料停止水化，然后将磨细的粉末样品在105 ℃下烘干至恒重，称量样品质量m1；再将样品装入坩埚中并置于马弗炉中灼烧至1000 ℃并保持一定时间(至少1 h)，试样冷却至室温后称量其质量m2；根据样品在105 ℃和1000 ℃之间的质量差并经原材料的烧失量修正计算出化学结合水[16,17]。

(4)Ca(OH)2的含量

利用热重(TG)方法对龄期为360 d的硬化浆体中的氢氧化钙(CH)含量进行测定。热重仪的型号为TGA Q5000 V3.15 Build 263，灵敏度<0.1 μg，称重准确度是±0.1%，恒温准确度是±1 ℃。测试时以N2作为保护气体防止测试过程中的碳化，升温速率为10 ℃/min。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

图1 360 d混凝土的抗压强度Fig.1 Compressive strengths of concretes at 360 d

五组不同的混凝土在标准养护条件下养护至360 d时的抗压强度如图1所示，掺粉煤灰或矿渣的混凝土的抗压强度均高于纯水泥混凝土，且掺量相同时，掺矿渣的混凝土的抗压强度高于掺粉煤灰的混凝土。与28 d抗压强度相比，C1、F1、F2、B1、B2的强度增长率分别为17.61%、27.87%、25.39%、38.69%和42.83%。由此可见，在28 d抗压强度相近的前提下，不同胶凝材料组成的混凝土后期强度的增长幅度差异很大。

3.2 抗氯离子渗透性

图2是五组不同混凝土在龄期为28 d和360 d的电通量。根据ASTM
C1202 对混凝土氯离子渗透性的划分标准，将其分为五个等级：电通量处于100C以下为“可忽略”，电通量处于100～1000 C以下为“很低”，1000～2000 C为“低”，2000～4000 C为“中等”，4000 C以上为“高”。即使不同混凝土的电通量存在差异，但如果被划分在同一个等级内，那么认为混凝土的渗透性相同的。

图2 混凝土的电通量Fig.2 Charge passed of concretes

由图2可以看出，当龄期为28 d时，纯水泥混凝土的渗透性等级为“中”，掺30%和50%粉煤灰的混凝土的渗透性等级均为“低”，掺30%和50%矿渣的混凝土的渗透性等级也均为“低”。由此可见，当这5组混凝土的抗压强度非常接近时，它们的渗透性等级存在明显差异，含大掺量粉煤灰或矿渣的混凝土的抗氯离子渗透性明显优于纯水泥混凝土。随着龄期的增长，各组混凝土中胶凝材料的水化程度不断提高，混凝土的孔结构得到进一步的改善。当龄期为360 d时，纯水泥混凝土的氯离子渗透性等级由“中”变为“低”，含大掺量粉煤灰或矿渣的混凝土的氯离子渗透性等级均由“低”变为“很低”。由此可以看出，当5组混凝土的28 d抗压强度很接近时，含大掺量矿物掺合料的混凝土的后期抗氯离子渗透性明显优于纯水泥混凝土。

3.3 化学结合水

标准养护条件下养护至28 d和360 d的五组混凝土的硬化浆体的化学结合水量及其由28 d至360 d的增长率如表3所示。当胶凝材料的水化产物相同时，化学结合水可以用来比较水化产物的量的多少；当胶凝材料的水化产物有所差异时，化学结合水不宜用来对比水化产物的量。从表3中可以看出，对于任意一组混凝土，硬化浆体在360 d的化学结合水都明显高于其在28 d的化学结合水，这说明从28 d至360 d，各组混凝土的胶凝材料的水化程度都有明显增长。但对比化学结合水的增长率可以看出，各组混凝土的胶凝材料的水化程度提高的幅度有所差异：含大掺量矿物掺合料的胶凝材料的水化程度增长率明显高于纯水泥；掺量相同时，两种复合胶凝材料的水化程度增长率接近。

表3 化学结合水和增长率Tab.3 Non-evaporable water content and growth rate

3.4 Ca(OH)2含量

图3 C1硬化浆体的TG曲线和DTG曲线Fig.3 TG curve and DTG curve ofC1 paste

标准养护至360 d后五组混凝土的硬化浆体的TG曲线和DTG曲线如图3至图7所示，根据两种曲线计算出的各样品在龄期360 d时产生CH的量如表4所示。从表4中可以看出，掺矿物掺合料的硬化浆体中的CH含量明显低于纯水泥浆体中的CH含量，这是因为用矿渣或粉煤灰替代部分水泥后，胶凝体系中的水泥含量降低，生成的CH随之减少，且矿物掺合料的反应会消耗一部分水泥生成的CH。对于同种掺合料，浆体中的CH含量随着矿物掺合料掺量的增加而较少；对于不同种矿物掺合料，当掺量相等时，掺加矿渣的浆体中CH含量高于掺加粉煤灰的浆体中的CH含量。尽管矿渣的反应程度明显高于粉煤灰，但与粉煤灰不同，矿渣本身含有大量CaO，生成C-S-H或C-S-A-H过程中只需要水泥生成的CH提供小部分Ca2+，因而矿渣反应对CH消耗量明显小于粉煤灰的消耗量。

表4 硬化浆体中Ca(OH)2的含量Tab.4 CH content of the hardened paste /%

3.5 讨 论

由抗压强度和抗氯离子渗透性的试验结果可知，5组混凝土在28 d抗压强度相近的前提下，大掺量矿渣混凝土的后期强度最高，大掺量粉煤灰混凝土的后期强度次之，纯水泥混凝土的后期强度最低；含大掺量矿物掺合料的混凝土的抗氯离子渗透性均明显优于纯水泥混凝土。从化学结合水的试验结果可以看出，纯水泥浆体的化学结合水从28 d到360 d仅增长了不足10%，而含大掺量矿物掺合料的浆体的化学结合水从28 d到360 d增长率超过15%，这说明在28 d抗压强度相近的前提下，含大掺量矿物掺合料的胶凝材料的后期水化程度提高的幅度明显大于水泥，由此生成的水化产物的量也多于水泥，对后期孔隙的改善作用强于水泥。此外，从热重的试验结果可以看出，含大掺量矿物掺合料的硬化浆体中CH含量明显低于纯水泥硬化浆体。水泥水化产生的CH通常为六方片状或板状的晶体，比表面积小，在硬化浆体中叠层生长，是硬化浆体的薄弱环节[18]，在硬化浆体中，CH晶体是薄弱环节；此外，在混凝土的界面过渡区内CH的结晶尺寸较大，含量较多，且很多CH垂直于骨料表面定向生长[19]，是形成强度的薄弱环节。矿物掺合料的反应对CH的消耗既生成凝胶填充混凝土中的孔隙，又改善了过渡区的微结构，有利于提高混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。

图4 F1硬化浆体的TG曲线和DTG曲线Fig.4 TG curve and DTG curve of F1 paste

图5 F2硬化浆体的TG曲线和TGD 曲线Fig.5 TG curve and DTG curve of F2 paste

图6 B1硬化浆体的TG曲线和DTG曲线Fig.6 TG curve and DTG curve of B1 paste

图7 B2硬化浆体的TG曲线和DTG曲线Fig.7 TG curve and DTG curve of B2 paste

大掺量矿渣混凝土与大掺量粉煤灰混凝土的后期氯离子渗透性等级相同，但掺量相同时，大掺量矿渣混凝土的后期强度高于大掺量粉煤灰混凝土。化学结合水的结果显示，掺量相同时，两种复合胶凝材料的化学结合水从28 d到360 d的增长率相近，但含大掺量矿渣的复合胶凝材料的化学结合水绝对值的增幅明显高于含大掺量粉煤灰的复合胶凝材料，这说明矿渣的反应程度增长率明显大于粉煤灰，这与文献[20,21]中的研究结果一致。

由于粉煤灰和矿渣在28 d内的反应程度低于水泥，生成的水化产物对孔隙的填充作用小于水泥，因而为实现含大掺量矿物掺和料的混凝土与纯水泥混凝土达到相近的28 d抗压强度需适当降低其水胶比，且掺量越大，水胶比降低越多，即通过降低水胶比减小颗粒间的距离弥补矿物掺和料反应程度低生成反应产物少的缺陷。混凝土的28 d抗压强度相近时，对于不同组成的混凝土，与宏观性能密切相关的孔隙结构也是比较接近的，后期的宏观性能发展取决于微结构的进一步改善的能力。复合胶凝材料的后期水化程度增长率高于纯水泥，即生成的水化产物量相对较多，对孔隙的填充作用更大；此外，矿渣和粉煤灰在后期的反应程度明显提高，消耗部分水泥水化生成的CH，改善混凝土的界面过渡区微结构。因此，相比纯水泥混凝土，含大掺量矿物掺和料的混凝土在后期微结构改善的幅度更大，相应的宏观性能改善幅度也更大。

4 结 论

在混凝土的28 d抗压强度相近的前提下，含大掺量矿渣或粉煤灰的复合胶凝材料的后期水化程度增幅大于纯水泥，水化产物对孔隙的填充作用更大；且随着粉煤灰和矿渣在后期反应程度的提高，复合胶凝材料硬化浆体中的CH含量明显低于纯水泥硬化浆体，有利于界面过渡区微结构的改善。因此，大掺量矿渣或粉煤灰的掺入均能提高混凝土后期的力学性能，增强混凝土后期的抗氯离子渗透性。

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Influence of Fly Ash and Slag on the Late-age Properties of C50 Concretes under the Premise of Equal 28 d Compressive Strength

SUNJian-wei1,WANGQiang2,CHENZhong-hui1

(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China;2.Department of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Pure cement concrete, high-volume fly ash concrete, and high-volume slag concrete with similar 28 d compressive strength were prepared. The late-age compressive strength and resistance to chloride ion penetration of concretes, and the late-age non-evaporable water content and Ca(OH)2content of hardened pastes were tested. The results show that the late-age compressive strength and resistance to chloride ion penetration of the concretes containing mineral admixture are much higher than those of pure cement concrete. The late-age compressive strength of the high-volume slag concrete is higher than that of the high-volume fly ash concrete in the case of the same cement replacement. The growth rate of hydration degree of composite binder is much higher than that of pure cement at late ages. The Ca(OH)2content of the hardened pastes containing mineral admixture is much lower than that of the pure cement paste.

compressive strength;resistance to chloride ion penetration;non-evaporable water;Ca(OH)2content

国家自然科学基金面上项目(51278277)

孙建伟(1991-)，男，硕士研究生.主要从事建筑材料方面研究.

王 强，博士，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2524-06