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中低等级大掺量粉煤灰混凝土性能研究宋少民1李红辉2（北京北京建筑工程学院100044）【摘要】本文对大掺量粉煤灰混凝土的配合比、力学性能与耐久性能进行研究，结果表明在低水泥用量和低水胶比条件下，力学性能完全可以满足中低强度等级混凝土的技术要求。更为重要的是氯离子扩散、钢筋锈蚀等试验显示混凝土结构密实、碳化速度得到有效控制，钢筋无锈蚀现象，混凝土具有良好的耐久性，在村镇建设中推广应用具有明显的经济效益和重要的社会意义。【关键词】中低等级大掺量粉煤灰混凝土ThePerformanceResearchtoMiddleandLowStrengthGradeofHighVolumeFly-ashConcrete【abstract】Theconcretemixdesign,mechanicspropertiesanddurabilitywerestudiedhere.Theresultsshowedthatthestrengthofhighvolumefly-ashconcretecouldreachthemiddleandlowstrengthgradewithloww/bandlowvolumeofcement.Itwasmoreimportantthattheconcretestructureisimpactedandcarbonationrateandthesteel-barcorrosioncouldbecontrolled.throughthesteel-barcorrosiontextandthepermeabilitytestofresistchlorineion.Itwasconfirmedthattheconcretehasexcellentdurability.Ithasimportanteconomicbenefitandsocialsignificanceinvillageandsmalltownconstruction.【keywords】themiddleandlowgradehighvolumefly-ashconcrete1前言二十世纪八十年代以后，我国迎来了空前的建设高潮。尤其是各大中城市和国家重要的基础设施的建设规模之大令人瞩目、举世震惊。这种庞大的建设是以高消耗作为代价的，我国能源利用率只有美国的26.9%,日本的11.5％。2005年我国水泥生产量超过10亿吨，混凝土产量超过50亿吨，能源和资源消耗十分巨大。据天津某单位的勘测表明我国能生产水泥的石灰石储量为500亿吨，以其作为生产水泥的原料。按目前水泥产量，仅够生产水泥40年。可以看出我国水泥、混凝土行业的资源危机已迫在眉睫［1］。进入二十一世纪，中国又将迎来大规模的村镇现代化建设，混凝土仍将是重要的结构材料之一。我们的出路在哪里呢？笔者认为，首先要追求混凝土的高耐久性，而不要追求混凝土的高强度；第二要大力推广使用绿色高性能混凝土，最大限度地减少水泥的用量。其实提高混凝土的耐久性和减少水泥用量是不矛盾的。古罗马人使用石灰和火山灰材料制备的原始混凝土，耐久性优异，经历2000年的风雨洗礼，建筑物可以做到历久弥坚，而当代混凝土建筑十几年或几十年就出现大量病害，其根本原因就在于一味追求高水泥用量，盲目的认为高水泥用量的混凝土才可以保证质量。这样混凝土陷入了“高水泥→高内能→不稳定→低寿命”的误区。本文依据“低水泥用量、低水胶比、高粉煤灰掺量”的高性能混凝土技术路线，研究中低等级大掺量粉煤灰混凝土的性能，以期可以满足绿色高性能混凝土要求作为村镇建设积极宋少民:男,教授,北京建筑工程学院,联系电话:01068322164E-mail:john.song65@163.com李红辉:女,北京建筑工程学院在读研究生,E-mail:lihonghui1983@163.com.推广的混凝土品种之一，符合可持续发展之需要。2原材料2.1水泥的性能本次试验采用的是北京市兴发水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa。表1水泥的主要性能2.2粉煤灰各项物理化学指标本次试验所采用的粉煤灰是北京市石景山电厂的活化II级粉煤灰。经试验分析，其化学成分如表2。表2粉煤灰的主要成分为SiO2和Al2O3，其主要矿物组成为圆球形铝硅质玻璃球和结晶型石英，活性组分为铝硅质玻璃球。粉煤灰的主要物理性能见表3。表2粉煤灰化学成分化学成分SiO2Al2O3CaOMgOSO3Fe2O3烧失量含量（%）54.8832.121.931.451.464.283.82表3粉煤灰的主要物理性能细度(45μm筛余量，%)需水量比(%)含水率(%)表观密度(g/cm3)堆积密度(g/cm3)15.3970.62.20.752.3天然砂、石的性能（表4、表5）砂：细度模数为2.4的中砂。石子：5～25mm。表4天然砂子材料性能项目含水率（%）表观密度（kg/m3）紧密堆积密度（kg/m3）松散堆积密度（kg/m3）结果2.0255017401650表5天然石子材料性能2.4外加剂本试验采用了聚羧酸高效减水剂，减水率为28%，引气量为2.3%。3试验及结果分析3.1和易性与强度试验由表6不难发现掺加了大量粉煤灰的混凝土后期强度增长，亦有较大空间。如第1组混凝土56天强度比28天强度增长了45.1%，粉煤灰掺量为60%，由此看出由于粉煤灰后期的二次水化，使混凝土更密实，强度得以大幅度检项目标准稠度用水量初凝时间终凝时间细度安定性(雷式法)抗折强度（MPa）抗压强度(MPa)3d28d3d28d结果27%3.0h4.9h1.0%合格4.968.6922.048.0项目含水率(%)表观密度(kg/m3)紧堆积密度(kg/m3)松堆积密度(kg/m3)压碎指标(%)结果0.72660153014105.4表6配合比及抗压强度对比第6组和第7组,我们发现粉煤灰掺量在60％相同情况下,后者胶凝材料总量较少,单方用水量也低,但混凝土和易性及强度和前者相当。3.2抗硫酸盐侵蚀试验依据冯乃谦教授（参考美国ASTM1012标准）的干湿循环试验方法，试验的每个配比采用一组100mm×100mm×100mm规格的混凝土试块，标养28天后，做干湿循环，即在室温5%的硫酸钠溶液中浸泡16小时，取出晾干1小时，再于80℃的烤箱烘干6小时，冷却1小时称重。24小时为一个循环，每个循环后观察试件表面侵蚀情况。由图1看出混凝土质量基本呈上升趋势，这可能是由于硫酸钠在混凝土孔隙中的结晶沉积以及与混凝土中少量的Ca(OH)2产物反应生成钙钒石，不断填充孔隙，使混凝土更加密实,质量增加。经过20次循环后混凝土质量趋于稳定。说明一方面是由于粉煤灰的大量掺加减少了Ca(OH)2的生成，同时粉煤灰的二次水化亦消耗了一部分的Ca(OH)2，使得混凝土中可与硫酸盐反应的Ca(OH)2减少；另一方面粉煤灰本身的填充效应使混凝土孔隙率降低，阻碍了硫酸盐的进一步侵蚀。由此可见粉煤灰混凝土具备良好的抗硫酸盐侵蚀能力。3.3碳化试验试验采用GBJ82-85快速碳化法，使用标准碳化箱，100mm×100mm×100mm规格的混凝土试块在标养28天(带星号组为标养56天)后，60℃干燥48小时，移入二氧化碳浓度为编号W/BF%Sp(%)CFSGW抗压强度(MPa)SL(mm)14d28d56d90d10.346042188282743102716020.824.435.436.924520.375542171209789109014122.231.237.746.315030.37404624616484699315232.841.443.248.67040.37504822022086393516324.535.838.751.111850.374540259212702105417430.240.949.756.824060.37604420030075596018523.632.436.038.428070.406040152228747112115224.432.435.237.521680.295042250250737101814531.541.251.058.822090.32554821225985492515022.731.038.738.7230100.35604420030075996617520.329.235.439.9280110.353044308132790100516536.940.149.352.9200图1试件质量变化21002150220022502300235024002450250002468101214161820次数质量(g)1组3组8组9组11组20%，温度20℃，湿度70%的碳化箱中碳化，经28天(或56天)碳化后再取出试件测定其碳化深度。一般来说,混凝土结构物中钢筋的保护层厚度至少为20~25mm,也就是说,实际工程中允许混凝土有一定的碳化,当然碳化深度不允许超过保护层厚度，测定的28d碳化深度，大致相当于自然环境中50年的碳化深度[2]。表7碳化深度注：表中带*数据表示标养56天后再放入碳化箱中碳化后所得的试验数据。试验结果（见表7）表明，掺加粉煤灰以后，标养28天的混凝土的抗碳化能力与普通混凝土相比有所下降(普通混凝土一般小于10mm)，这一方面是由于粉煤灰取代了部分水泥，使得混凝土中Ca(OH)2减少，另一方面粉煤灰的二次水化进一步消耗了Ca(OH)2。但由表7发现⑴在低水胶比前提下,粉煤灰掺量在30～60％变化时28天碳化程度没有出现明显的增加，如第11组试件28天碳化深度为17.4mm，第1组试件28天碳化深度为16.8mm；⑵第1、3、8、9、11各组的试验数据对比看，经56天标养后再进行碳化试验，56天的碳化深度比经28天标养后碳化试验28天的要明显减少；⑶从图2看出，随着混凝土单方用水量的增大混凝土抗碳化能力下降；⑷经过56天标准养护后，再进行碳化试验表明：粉煤灰掺量在40～50%时碳化速度较小，例如第3组和第8组。总体上看，大掺量粉煤灰混凝土在低水胶比条件下，碳化速度并没有随着掺量增加而明显提高；经过56天标准养护其水化结构已相对成熟，再进行碳化试验更为合理。3.4早期收缩试验测定混凝土收缩时以100mm×100mm×515mm的棱柱体试件为标准试件。测定代表某一混凝土收缩性能的特征值时，试件应在3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）从标准养护室取出，并立即移入恒温恒湿室测定其初始长度，此后至少应按以下规定的时间间隔测量其变形读数：1d、3d、7d、14d（从移入恒温恒湿室内算起）。由图3可以看出，在低水胶比下，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土收缩率显著下降，粉煤灰掺量达到60%时，混凝土的前7天不收缩。粉煤灰明显的减少早期收缩的作用，主要来源于其对凝胶体孔隙的填充和减少了早期水泥水化量。编号B(kg/m3)W/B(kg/m3)F%C(kg/m3)F(kg/m3)W(kg/m3)28天碳化深度(mm)56天碳化深度(mm)14700.346018828216016.815.023800.375517120914111.7*/34100.374024616415212.86.2*44400.37502202201639.7*/74400.406015222815214.2*/85000.295025025014511.74.2*94700.325521225915020.611.4*105000.356020030017515.2*/114400.353030813216517.44.6*图2 混凝土单方用水量对碳化的影响图0.05.010.015.020.025.0145.0151.7159.8165.0单方用水量(kg/m3)碳化深度平均值(mm)碳化深度平均值表8大掺量粉煤灰混凝土收缩率3.5氯离子渗透试验氯离子是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一。氯离子在混凝土结构中扩散能力强，甚至在高碱性混凝土环境中会破坏钢筋的钝化膜，从而使钢筋产生锈蚀。研究表明，混凝土是保护钢筋，防止