粉煤灰掺量对混凝土力学性能和耐久性能的影响研究

霍建忠

（山西路桥建设集团有限公司 阳泉分公司，山西 阳泉 045000）

胶凝材料作为混凝土的重要原材料之一，是混凝土强度的主要来源，其质量对于新拌及硬化混凝土的性能有着重要影响[1]。混凝土工业中一般选择水泥作为主要的胶凝材料，但是水泥的生产过程中不可避免地要产生大量烟尘、粉尘，还生成CO2、SO2等有害气体，对环境造成不良影响。粉煤灰是一种具有潜在活性的人工火山灰质材料，作为混凝土掺合料，可以改善新拌混凝土的和易性，减少混凝土用水量，抑制碱-骨料反应等[2]。随着环境保护的加强，粉煤灰被越来越多地用来取代部分水泥作为胶材用于混凝土工业中[3-5]。因此，本文利用粉煤灰取代部分水泥成型混凝土，通过开展相关力学试验和耐久性相关试验，研究了粉煤灰掺量对混凝土抗压强度、干缩、吸水率、抗氯离子渗透性的影响，为粉煤灰在实际工程中的应用提供技术支撑。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

a）胶凝材料 水泥为湖北亚东水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；粉煤灰为国电湖北汉川火电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰。两者的物理力学性能分别见表1和表2，化学组成见表3。

表1 水泥的物理性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 原材料的化学组成

b）细集料 湖北白沙洲产的天然河砂，细度模数2.93，各项物理力学性能如表4所示。

表4 河砂的物理力学性能

c）粗骨料 粗骨料选用中建商混某搅拌生产用5～25 mm连续级配石灰石质碎石，各项性能如表5所示。

表5 碎石的物理力学性能

d）减水剂 江苏苏博特聚羧酸高性能减水剂，减水率28.8%。

e）混凝土配合比 如表6所示，粉煤灰以10wt%～40wt%的比例取代水泥。

表6 试验混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验方法

a）混凝土力学性能 混凝土抗压强度根据GB/T 50081—2002标准[6]的规定进行测试，试件尺寸为（150×150×150）mm，测定试件 7 d、28 d、56 d、90 d和180 d龄期时的抗压强度值。

b）干燥收缩 混凝土干燥收缩试验按照GB/T 50082—2009标准[7]进行测试。干燥收缩测试采用接触法，试件尺寸为（100×100×515）mm，测试的开始龄期从标准养护1 d以后开始，试件放置在温度为20℃±2℃，相对湿度为60%±5%的干燥养护室中，分别测定试件在 1 d、7 d、21 d、28 d、60 d、90 d、120 d和180 d龄期时的干燥收缩值。

c）抗氯离子渗透性 根据GB/T 50082—2009标准[7]里的电通量法进行测定。试件为直径φ=100±1 mm、高度h=50±2 mm的圆柱体试块。测定混凝土试块标准养护28 d和180 d龄期时的电通量值（C）。

d）吸水率 混凝土吸水率按照文献ASTM C1585-13标准[8]中的方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

图1 粉煤灰掺量对混凝土不同龄期抗压强度的影响

图1给出了粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响规律。从图1可以看出，随着养护龄期的延长，F0组混凝土早期抗压强度增加迅速，其7 d龄期抗压强度为45.1 MPa，28 d抗压强度达到57.5 MPa，增加了27.5%。然而，28 d龄期以后，其抗压强度呈收敛趋势增加，增加幅度不大，180 d龄期抗压强度为62.0 MPa。另一方面，对比F0组与F10～F40组混凝土抗压强度可知，粉煤灰取代水泥减小了混凝土的抗压强度，F10～F40组混凝土7 d龄期的抗压强度分别为 39.3 MPa，33.9 MPa，29.2 MPa 和 24.5 MPa，相比F0组减小了13.6%，25.3%，35.2%和46.3%。随着粉煤灰取代量的增加，混凝土早期强度逐渐减小，这与文献[9]的研究结果具有一致性。粉煤灰取代水泥，降低了胶凝材料中水泥的比例，导致早期水化速率变慢，水化产物减少，这是F0～F40组混凝土初期抗压强度依次递减的主要原因。粉煤灰对混凝土后期抗压强度的发展具有提高作用，其中10wt%和20wt%的粉煤灰掺量分别对混凝土28～56 d和28～90 d龄期的抗压强度具有明显的促进作用，而30wt%和40wt%掺量的粉煤灰混凝土28～120 d龄期抗压强度增加显著，之后抗压强度呈稳定趋势。混凝土180 d龄期的抗压强度F0＞F30＞F10＞F20≈F40。由表1可知，粉煤灰密度为2.4 g/cm3，比表面积为432.7 kg/m2，比水泥拥有更大的比表面积，且含有高含量的无定形活性硅，能够发生火山灰反应，增多胶结物数量，进而增大水化产物的密实度，提高混凝土的抗压强度[9-10]。

2.2 干缩

图2 粉煤灰掺量对各组混凝土不同龄期干缩的影响

图2给出了粉煤灰掺量对混凝土干缩的影响规律。可以看出，各组试验混凝土的干缩与龄期具有近似幂函数关系，随着龄期的延长干缩均呈收敛趋势变化。前2个月，各组混凝土的干缩增加较快，大部分干缩发生在60 d龄期内，F0～F40组混凝土60 d龄期的干缩分别为 560.3×10-6、530.5×10-6、510.6×10-6、500.3×10-6和 410.9×10-6，达到 180 d 龄期干缩率的90%以上，之后干缩值变得稳定。经计算发现，相比F0组混凝土，F10～F40组混凝土28 d龄期的干缩分别比同龄期F0组降低了4.2%、21.9%、23.0%和62.5%。60 d龄期的干缩分别比同龄期F0组降低了5.4%、9.3%、10.7%和44.6%，可以看出粉煤灰的加入减小了混凝土的干缩，且掺量较高时对混凝土干缩的抑制效果更显著。研究表明：影响混凝土的干缩主要因素有水胶比，浆体数量和水化速率。在本试验中，F0～F40各组混凝土具有相同水胶比和浆体数量。然而，在F10～F40组中，粉煤灰取代水泥后减少了胶材中水泥熟料数量，从而降低了水化反应的速度和程度，而粉煤灰的火山灰效应需要水泥的水化产物才能够激发，因此在初期粉煤灰对水化的抑制作用更加明显，从而有效地抑制了混凝土的干缩[11]；另一方面，粉煤灰掺量增大，增加了混凝土中有效水灰比，自由水增多，而粉煤灰颗粒的弹性模量也高于水泥，可以起到限制水泥浆体收缩的作用[12]，这些都导致粉煤灰降低了混凝土的收缩，提高了混凝土的体积稳定性。

2.3 抗氯离子渗透性

图3 粉煤灰掺量对各组混凝土不同龄期电通量的影响

电通量是衡量混凝土抗氯离子渗透性的重要指标之一，电通量值越小，表明混凝土抗氯离子渗透性越好[13]。图3给出了粉煤灰掺量对混凝土28 d和180 d龄期电通量的影响规律。从图3可以看出，F10～F40组混凝土28 d和180 d龄期的电通量值小于F0，且随着粉煤灰掺量的增加，混凝土电通量减小，说明抗氯离子渗透性增强。根据文献[8]，F0组混凝土28 d龄期电通量处于中等水平（2000～4000 C），而加入粉煤灰的F10～F40组混凝土28 d龄期电通量处于低水平（1000～2000 C）。经计算可得，F10～F40组混凝土28 d龄期电通量相比同龄期F0组电通量分别降低了28.2%、38.4%、51.5%和60.6%。所有组混凝土180 d龄期的电通量值相比28 d龄期显著降低，说明随着龄期延长混凝土的抗氯离子渗透性提高，与已有研究结果[14-15]较为一致。F10～F40组混凝土180 d龄期电通量相比同龄期F0组电通量分别降低了 6.8%、26.4%、48.0%和52.3%。而F20，F30和F40组混凝土180 d龄期的电通量值都低于1000 C，说明它们抗氯离子渗透性良好[8]。

所有试验龄期电通量大小为F40＜F30＜F20＜F10＜F0，表明粉煤灰增强了混凝土抗氯离子渗透性，且随着粉煤灰掺量越大，混凝土抗氯离子渗透性越好。本试验中各组混凝土抗氯离子渗透性高低差异的主要原因在于一方面粉煤灰由于具有较大的比表面积、更细的颗粒尺寸，能够发挥微集料填充效应，提高混凝土的密实性，改善孔结构，降低孔隙率并减少混凝土结构中连通孔的数量。另一方面，粉煤灰能够发挥火山灰效应，与水泥水化产物Ca（OH）2反应生成的C-S-H凝胶，不仅能够增强混凝土密实度也能提高混凝土对氯离子的物理吸附作用，反应生成的水化铝酸钙改善了混凝土对氯离子的化学结合作用，从而减少了自由氯离子含量[13-17]。因此，粉煤灰掺入混凝土能够有效提高其抗氯离子渗透性。

2.4 吸水率

图4 粉煤灰掺量对各组混凝土不同龄期吸水率的影响

图4给出了粉煤灰掺量对混凝土28 d和180 d龄期吸水率的影响规律。可以明显地看出，粉煤灰的加入降低了混凝土的吸水率，两者具有负相关关系。F10～F40组混凝土28 d龄期的吸水率分别为0.096 mm/min1/2、0.087 mm/min1/2、0.074 mm/min1/2和0.067 mm/min1/2，相比F0组混凝土吸水率降低了9.1%、16.3%、24.5%和29.0%。随着养护时间的延长，各组混凝土具有更低的吸水率，180 d龄期吸水率范围在[0.045，0.069]区间内，这主要是由于较长养护龄期可以使胶凝材料水化更充分，从而减少了体系中毛细孔数量，导致吸水率降低。相比F0组，F10～F40组混凝土180 d龄期吸水率分别降低了3.8%、13.2%、28.8%和31.5%。无论28 d龄期还是180 d龄期，混凝土吸水率均有F0＞F10＞F20＞F30＞F40的递减规律，这表明：随着粉煤灰掺量的增加，混凝土吸水率呈减小趋势发展。这主要是因为，相比水泥，粉煤灰颗粒更细，具有更大的比表面积，能够发挥火山灰效应和填充效应[15-17]，增强混凝土结构密实度，降低孔隙率，减少混凝土中连通孔数量和体系中毛细孔数量，从而降低了混凝土的吸水率，对提高耐久性具有积极作用。

3 结论

a）粉煤灰的加入降低了混凝土的早期强度，且随着粉煤灰掺量的增加，强度降低越大。但是粉煤灰掺量在30%wt和40wt%时，混凝土后期强度逐渐提高。

b）随着粉煤灰掺量的增加，混凝土干缩得到有效抑制，主要是由于粉煤灰取代水泥降低了体系的水化速度和程度。

c）粉煤灰增强了混凝土28 d和180 d龄期的抗氯离子渗透性，降低了混凝土吸水率，主要归结于粉煤灰的填充效应和火山灰效应能够增大混凝土结构的密实度。