粉煤灰、矿粉对自密实混凝土硬化性能及耐久性能的影响

肖荣照

（漳州市建筑工程有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

自密实混凝土是一种在自身重力作用下无需振捣即可均匀填充模板各个空间的混凝土， 具有良好的工作性能和抗离析性能， 被广泛应用于结构或构件中难以浇筑甚至无法浇筑的部位。 但自密实混凝土胶凝材料用量大、水胶比低等特点，施工中易产生收缩开裂， 对混凝土结构耐久性造成影响。 文章通过流动性试验、力学性能试验、收缩性能试验和耐久性能试验研究了单掺粉煤、 单掺矿粉及复掺粉煤灰+矿粉对自密实混凝土硬化性能及耐久性能的影响， 以期为自密实混凝土的工程应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用炼石牌P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，密度为3 080 kg/m3，7 d、28 d 抗压强度分别为40.3 MPa、54.2 MPa；粉煤灰采用福建新源粉煤灰开发有限公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，密度为2 230 kg/m3；矿粉采用S95 矿粉， 密度为2 950 kg/m3， 28 d 活性指数为97%。 水泥、 粉煤灰和矿粉的化学成分如表1 所示。 细集料采用细度模数为2.6 的闽江河砂，密度为2 670 kg/m3，含泥量2.7%；粗集料采用粒径为5~25 mm的连续级配碎石， 密度为2 720 kg/m3， 含泥量0.4%。减水剂采用厦门科之杰新材料有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，含固量25%，减水率30%。

表1 水泥、粉煤灰和矿粉的化学成分单位：%

1.2 配合比设计

自密实混凝土以C40 强度等级为目标， 配合比设计时参照CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》[1]及文献研究成果，保持胶凝材料总量、集料总量、减水剂掺量及水胶比不变，通过改变粉煤灰和矿粉的掺量，探究单掺粉煤灰、矿粉及复掺粉煤灰+矿粉对自密实混凝土硬化性能及耐久性能的影响，设计得到的配合比如表2 所示，其中FA10、MP10 分别表示粉煤灰掺量、 矿粉掺量占胶凝材料质量的10%，其余以此类推。

表2 自密实混凝土配合比单位：kg/m3

1.3 试验方法

自密实混凝土流动性能根据CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和JGJ/T28—2012《自密实混凝土应用技术规程》[2]有关要求，将制备好的混凝土拌合物倒入坍落度筒中，测定自密实混凝土的工作性能。 力学性能根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[3]有关规定，采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件测定标准养护3 d、7 d、14 d 和28 d 后的抗压强度。 收缩试验和碳化试验根据GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[4]有关规定进行， 其中收缩试验采用100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体试件， 测定自密实混凝土在1 d、3 d、7 d、14 d和28 d 时自由收缩值； 碳化试验采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体，在碳化3 d、 7 d、14 d、28 d 后对试件破型，喷洒酚酞酒精溶液，利用酚酞遇碱显示紫红色判断自密实混凝土的碳化深度。

2 试验结果与分析

2.1 单掺粉煤灰对自密实混凝土性能的影响

单掺粉煤灰对自密实混凝土流动性和抗压强度的影响如表3 所示。 由表3 流动性试验结果可知，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土坍落度及坍落扩展度增大，且相比于基准组，当掺入30%粉煤灰后，自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度分别增大了17.8%、17.1%，但应注意，当粉煤掺量超过30%后， 自密实混凝土坍落度及坍落扩展度的增长速率减缓。

表3 流动性和抗压强度试验结果（单掺粉煤灰）

由表3 抗压强度试验结果可知， 当粉煤灰掺量≤30%时， 自密实混凝土的早期抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，中、后期抗压强度基本不受粉煤灰掺量的影响，而当粉煤灰掺量＞30%时，不同龄期下的抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加而降低， 产生这一现象主要与粉煤灰的填充作用及其活性有关。

单掺粉煤灰对自密实混凝土收缩性性能和碳化性能的影响如表4 所示。由表4 收缩试验结果可知，在不同龄期下， 自密实混凝土的收缩值均随着粉煤灰掺量的增加而降低，以1 d 龄期为例，相比于基准组，掺入10%、20%、30%或40%粉煤灰后，自密实混凝土的自收缩值分别降低了51.9 με、123.8 με、205.7 με、230.9 με。这主要是因为粉煤灰的掺入降低体系水化放热速率，进而在一定程度上减少了毛细孔压力的形成，从而降低自密实混凝土的收缩。

表4 收缩性能和碳化性能试验结果（单掺粉煤灰）

由表4 碳化试验结果可知， 当粉煤灰掺量≤30%时，3 d、7 d 时的碳化深度基本不受粉煤灰掺量的影响，而14 d、28 d 时的碳化深度总体上随着粉煤灰掺量的增加而增大。这可能是因为粉煤灰的填充作用提高了早期自密实混凝土内部结构的密实性，降低了CO2的渗透速度，而在中后期，粉煤灰的二次水化消耗了体系中的氢氧化钙，从而导致碳化深度增大。而当粉煤灰掺量＞30%时，由于粉煤灰取代较多的水泥，增大了体系内部缺陷，从而降低混凝土的抗碳化性能。

2.2 单掺矿粉对自密实混凝土性能的影响

单掺矿粉对自密实混凝土流动性和抗压强度的影响如表5 所示。 由表5 流动性试验结果可知，自密实混凝土坍落度和坍落扩展度均随着矿粉掺量的增加而增大，且相比于基准组，掺入40%矿粉后，自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度分别增大了40 mm、80 mm。 这主要是由于矿粉颗粒的比表面积大于水泥颗粒，在拌合物中能够填充在骨料和砂浆之间，置换体系中的自由水，从而改善混凝土的流动性。

表5 流动性和抗压强度试验结果（单掺矿粉）

由表5 抗压强度试验结果可知，3 d、7 d 时的抗压强度随着矿粉掺量的增加而增大， 而14 d、28 d 时的抗压强度基本不受矿粉掺量的影响。这主要是因为矿粉含有较多潜在活性的氧化钙，能促进早期水化反应的进行，从而提高混凝土的早期抗压强度。

单掺矿粉对自密实混凝土收缩性性能和碳化性能的影响如表6 所示。 由表6 收缩试验结果可知，1 d、3 d 的自收缩值随着矿粉掺量的增加呈现出增大的趋势，而7 d、14 d 和28 d 的自收缩值基本不受矿粉掺量的影响。 这是因为矿粉能够促进早期水化反应的进行， 提高了混凝土水化放热速率，从而增大混凝土的自收缩值，而随着水化反应的进行，混凝土有足够强度抵抗毛细孔压力产生的变形，所以增加矿粉掺量对7 d、14 d 和28 d 的自收缩值影响并不显著。

表6 收缩性能和碳化性能试验结果（单掺矿粉）

由表6 碳化试验结果可知，当矿粉掺量为0%~40%时， 自密实混凝土的碳化深度随着矿粉掺量的增加呈现出降低的趋势，且相比于基准组，掺入40%矿粉后，3 d、7 d、14 d 和28 d 的碳化深度分别降低了22.5%、10.7%、11.2%和7.2%， 表明掺入适量的矿粉能提高自密实混凝土的抗碳化性能。这主要与矿粉的填充作用和火山灰活性有关。

2.3 复掺粉煤灰+矿粉对自密实混凝土性能的影响

粉煤灰+矿粉复掺对自密实混凝土流动性和抗压强度的影响如表7 所示。 由表7 流动性试验结果可知，相同矿物掺量下，复掺粉煤灰+矿粉对自密实混凝土的流动性影响并不显著，但需要强调的是，在试验过程中，单掺矿粉时混凝土的保水性较差，拌合物存在泌水现象，而复掺粉煤灰+矿粉时，自密实混凝土具有良好的保水性。另外，由抗压强度试验结果可知，复掺粉煤灰+矿粉弥补了单掺粉煤时的早期强度损失，但对中、后期的抗压强度影响并不显著，这是因为复掺粉煤灰+矿粉优化了胶凝材料体系的颗粒级配，且矿粉水化反应增大了C-S-H 凝胶含量， 从而弥补单掺粉煤灰时的混凝土早期强度损失。

表7 流动性和抗压强度试验结果（复掺粉煤灰+矿粉）

粉煤灰+矿粉复掺对自密实混凝土收缩性能和碳化性能的影响如表8 所示。对比表4、表6 和表8收缩试验数据可知，单掺粉煤灰、单掺矿粉和复掺粉煤灰+矿粉对自密实混凝土自收缩值的影响如下：单掺矿粉>复掺粉煤灰+矿粉>单掺粉煤灰。 此外，由碳化试验结果可知，单掺矿粉和复掺粉煤灰+矿粉在不同龄期下自密实混凝土的碳化深度均小于单掺粉煤时的碳化深度， 且在相同矿物掺量下，自密实混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而逐渐增大。

表8 收缩性能和碳化性能试验结果（复掺粉煤灰+矿粉）

3 结论

（1）掺入粉煤灰或矿粉均有助于改善自密实混凝土的流动性，且相比于基准组，当掺入30%粉煤灰后，自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度分别增大了17.8%、17.1%；而掺入40%矿粉后，自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度分别增大了40 mm、80 mm。

（2）单掺粉煤灰且掺量≤30%时，粉煤灰掺量的增加， 降低了自密实混凝土的早期抗压强度和抗碳化性能， 但有助于降低自密实混凝土的自收缩值，降低自密实混凝土早期开裂风险。

（3）矿粉能够参与早期水化反应，提高自密实混凝土早期抗压强度， 但会增大自密实混凝土的早期自收缩，而对后期抗压强度和自收缩影响并不显著。

（4）矿粉能够提高自密实混凝土的抗碳化性能。当矿粉掺量0~40%时， 自密实混凝土碳化深度随着矿粉掺量的增加而降低，且相比于基准组，掺入40%矿粉后，3d 、7 d、14 d 和28 d 的碳化深度分别降低了22.5%、10.7%、11.2%和7.2%。

（5）矿物掺量为40%时，复掺粉煤灰+矿粉能够弥补单掺粉煤灰时的早期抗压强度损失， 解决单掺矿粉时混凝土拌合物出现泌水的问题； 就收缩性能和抗碳化性能而言， 单掺矿粉>复掺粉煤灰+矿粉>单掺粉煤灰。