粉煤灰、礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土硬化性能及耐久性能的影響

肖榮照

（漳州市建筑工程有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

自密實(shí)混凝土是一種在自身重力作用下無(wú)需振搗即可均勻填充模板各個(gè)空間的混凝土， 具有良好的工作性能和抗離析性能， 被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中難以澆筑甚至無(wú)法澆筑的部位。 但自密實(shí)混凝土膠凝材料用量大、水膠比低等特點(diǎn)，施工中易產(chǎn)生收縮開裂， 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成影響。 文章通過(guò)流動(dòng)性試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、收縮性能試驗(yàn)和耐久性能試驗(yàn)研究了單摻粉煤、 單摻礦粉及復(fù)摻粉煤灰+礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土硬化性能及耐久性能的影響， 以期為自密實(shí)混凝土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用煉石牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3 080 kg/m3，7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為40.3 MPa、54.2 MPa；粉煤灰采用福建新源粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2 230 kg/m3；礦粉采用S95 礦粉， 密度為2 950 kg/m3， 28 d 活性指數(shù)為97%。 水泥、 粉煤灰和礦粉的化學(xué)成分如表1 所示。 細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.6 的閩江河砂，密度為2 670 kg/m3，含泥量2.7%；粗集料采用粒徑為5~25 mm的連續(xù)級(jí)配碎石， 密度為2 720 kg/m3， 含泥量0.4%。減水劑采用廈門科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，含固量25%，減水率30%。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的化學(xué)成分單位：%

1.2 配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土以C40 強(qiáng)度等級(jí)為目標(biāo)， 配合比設(shè)計(jì)時(shí)參照CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》[1]及文獻(xiàn)研究成果，保持膠凝材料總量、集料總量、減水劑摻量及水膠比不變，通過(guò)改變粉煤灰和礦粉的摻量，探究單摻粉煤灰、礦粉及復(fù)摻粉煤灰+礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土硬化性能及耐久性能的影響，設(shè)計(jì)得到的配合比如表2 所示，其中FA10、MP10 分別表示粉煤灰摻量、 礦粉摻量占膠凝材料質(zhì)量的10%，其余以此類推。

表2 自密實(shí)混凝土配合比單位：kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能根據(jù)CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和JGJ/T28—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[2]有關(guān)要求，將制備好的混凝土拌合物倒入坍落度筒中，測(cè)定自密實(shí)混凝土的工作性能。 力學(xué)性能根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]有關(guān)規(guī)定，采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d 和28 d 后的抗壓強(qiáng)度。 收縮試驗(yàn)和碳化試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50082—2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行， 其中收縮試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體試件， 測(cè)定自密實(shí)混凝土在1 d、3 d、7 d、14 d和28 d 時(shí)自由收縮值； 碳化試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，在碳化3 d、 7 d、14 d、28 d 后對(duì)試件破型，噴灑酚酞酒精溶液，利用酚酞遇堿顯示紫紅色判斷自密實(shí)混凝土的碳化深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響如表3 所示。 由表3 流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)混凝土坍落度及坍落擴(kuò)展度增大，且相比于基準(zhǔn)組，當(dāng)摻入30%粉煤灰后，自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度分別增大了17.8%、17.1%，但應(yīng)注意，當(dāng)粉煤摻量超過(guò)30%后， 自密實(shí)混凝土坍落度及坍落擴(kuò)展度的增長(zhǎng)速率減緩。

表3 流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（單摻粉煤灰）

由表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知， 當(dāng)粉煤灰摻量≤30%時(shí)， 自密實(shí)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而降低，中、后期抗壓強(qiáng)度基本不受粉煤灰摻量的影響，而當(dāng)粉煤灰摻量＞30%時(shí)，不同齡期下的抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低， 產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要與粉煤灰的填充作用及其活性有關(guān)。

單摻粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性性能和碳化性能的影響如表4 所示。由表4 收縮試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同齡期下， 自密實(shí)混凝土的收縮值均隨著粉煤灰摻量的增加而降低，以1 d 齡期為例，相比于基準(zhǔn)組，摻入10%、20%、30%或40%粉煤灰后，自密實(shí)混凝土的自收縮值分別降低了51.9 με、123.8 με、205.7 με、230.9 με。這主要是因?yàn)榉勖夯业膿饺虢档腕w系水化放熱速率，進(jìn)而在一定程度上減少了毛細(xì)孔壓力的形成，從而降低自密實(shí)混凝土的收縮。

表4 收縮性能和碳化性能試驗(yàn)結(jié)果（單摻粉煤灰）

由表4 碳化試驗(yàn)結(jié)果可知， 當(dāng)粉煤灰摻量≤30%時(shí)，3 d、7 d 時(shí)的碳化深度基本不受粉煤灰摻量的影響，而14 d、28 d 時(shí)的碳化深度總體上隨著粉煤灰摻量的增加而增大。這可能是因?yàn)榉勖夯业奶畛渥饔锰岣吡嗽缙谧悦軐?shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，降低了CO2的滲透速度，而在中后期，粉煤灰的二次水化消耗了體系中的氫氧化鈣，從而導(dǎo)致碳化深度增大。而當(dāng)粉煤灰摻量＞30%時(shí)，由于粉煤灰取代較多的水泥，增大了體系內(nèi)部缺陷，從而降低混凝土的抗碳化性能。

2.2 單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響如表5 所示。 由表5 流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果可知，自密實(shí)混凝土坍落度和坍落擴(kuò)展度均隨著礦粉摻量的增加而增大，且相比于基準(zhǔn)組，摻入40%礦粉后，自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度分別增大了40 mm、80 mm。 這主要是由于礦粉顆粒的比表面積大于水泥顆粒，在拌合物中能夠填充在骨料和砂漿之間，置換體系中的自由水，從而改善混凝土的流動(dòng)性。

表5 流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（單摻礦粉）

由表5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，3 d、7 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而增大， 而14 d、28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度基本不受礦粉摻量的影響。這主要是因?yàn)榈V粉含有較多潛在活性的氧化鈣，能促進(jìn)早期水化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

單摻礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性性能和碳化性能的影響如表6 所示。 由表6 收縮試驗(yàn)結(jié)果可知，1 d、3 d 的自收縮值隨著礦粉摻量的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，而7 d、14 d 和28 d 的自收縮值基本不受礦粉摻量的影響。 這是因?yàn)榈V粉能夠促進(jìn)早期水化反應(yīng)的進(jìn)行， 提高了混凝土水化放熱速率，從而增大混凝土的自收縮值，而隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土有足夠強(qiáng)度抵抗毛細(xì)孔壓力產(chǎn)生的變形，所以增加礦粉摻量對(duì)7 d、14 d 和28 d 的自收縮值影響并不顯著。

表6 收縮性能和碳化性能試驗(yàn)結(jié)果（單摻礦粉）

由表6 碳化試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)?shù)V粉摻量為0%~40%時(shí)， 自密實(shí)混凝土的碳化深度隨著礦粉摻量的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，且相比于基準(zhǔn)組，摻入40%礦粉后，3 d、7 d、14 d 和28 d 的碳化深度分別降低了22.5%、10.7%、11.2%和7.2%， 表明摻入適量的礦粉能提高自密實(shí)混凝土的抗碳化性能。這主要與礦粉的填充作用和火山灰活性有關(guān)。

2.3 復(fù)摻粉煤灰+礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

粉煤灰+礦粉復(fù)摻對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響如表7 所示。 由表7 流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果可知，相同礦物摻量下，復(fù)摻粉煤灰+礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性影響并不顯著，但需要強(qiáng)調(diào)的是，在試驗(yàn)過(guò)程中，單摻礦粉時(shí)混凝土的保水性較差，拌合物存在泌水現(xiàn)象，而復(fù)摻粉煤灰+礦粉時(shí)，自密實(shí)混凝土具有良好的保水性。另外，由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)摻粉煤灰+礦粉彌補(bǔ)了單摻粉煤時(shí)的早期強(qiáng)度損失，但對(duì)中、后期的抗壓強(qiáng)度影響并不顯著，這是因?yàn)閺?fù)摻粉煤灰+礦粉優(yōu)化了膠凝材料體系的顆粒級(jí)配，且礦粉水化反應(yīng)增大了C-S-H 凝膠含量， 從而彌補(bǔ)單摻粉煤灰時(shí)的混凝土早期強(qiáng)度損失。

表7 流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（復(fù)摻粉煤灰+礦粉）

粉煤灰+礦粉復(fù)摻對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性能和碳化性能的影響如表8 所示。對(duì)比表4、表6 和表8收縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，單摻粉煤灰、單摻礦粉和復(fù)摻粉煤灰+礦粉對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮值的影響如下：?jiǎn)螕降V粉>復(fù)摻粉煤灰+礦粉>單摻粉煤灰。 此外，由碳化試驗(yàn)結(jié)果可知，單摻礦粉和復(fù)摻粉煤灰+礦粉在不同齡期下自密實(shí)混凝土的碳化深度均小于單摻粉煤時(shí)的碳化深度， 且在相同礦物摻量下，自密實(shí)混凝土的碳化深度隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增大。

表8 收縮性能和碳化性能試驗(yàn)結(jié)果（復(fù)摻粉煤灰+礦粉）

3 結(jié)論

（1）摻入粉煤灰或礦粉均有助于改善自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，且相比于基準(zhǔn)組，當(dāng)摻入30%粉煤灰后，自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度分別增大了17.8%、17.1%；而摻入40%礦粉后，自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度分別增大了40 mm、80 mm。

（2）單摻粉煤灰且摻量≤30%時(shí)，粉煤灰摻量的增加， 降低了自密實(shí)混凝土的早期抗壓強(qiáng)度和抗碳化性能， 但有助于降低自密實(shí)混凝土的自收縮值，降低自密實(shí)混凝土早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（3）礦粉能夠參與早期水化反應(yīng)，提高自密實(shí)混凝土早期抗壓強(qiáng)度， 但會(huì)增大自密實(shí)混凝土的早期自收縮，而對(duì)后期抗壓強(qiáng)度和自收縮影響并不顯著。

（4）礦粉能夠提高自密實(shí)混凝土的抗碳化性能。當(dāng)?shù)V粉摻量0~40%時(shí)， 自密實(shí)混凝土碳化深度隨著礦粉摻量的增加而降低，且相比于基準(zhǔn)組，摻入40%礦粉后，3d 、7 d、14 d 和28 d 的碳化深度分別降低了22.5%、10.7%、11.2%和7.2%。

（5）礦物摻量為40%時(shí)，復(fù)摻粉煤灰+礦粉能夠彌補(bǔ)單摻粉煤灰時(shí)的早期抗壓強(qiáng)度損失， 解決單摻礦粉時(shí)混凝土拌合物出現(xiàn)泌水的問(wèn)題； 就收縮性能和抗碳化性能而言， 單摻礦粉>復(fù)摻粉煤灰+礦粉>單摻粉煤灰。