引气剂对掺有粉煤灰混凝土性能的影响

赵 超

(许昌学院，许昌461000)

1 引言

粉煤灰是一种地球上排放量最多的固体工业废料，由于它独特的物料与化学性能，人们通常将不同类型的粉煤灰加入混凝土中，从而有效地改善混凝土的性能［1］。随着国内建筑工业的快速发展，粉煤灰作为一种有效改善混凝土各项性能的掺合料，正逐步成为高强高性能混凝土应用中的研究热点。对于粉煤灰的认识已从过去为了节约水泥、降低工程材料费用而采用粉煤灰材料，逐渐过渡到促进节能减排、保护环境、提高混凝土的综合性能的认识上。近期的研究结果表明，混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以起到改善混凝土的和易性、可泵性、增加混凝土黏性等优点［2，3］，但同时也存在粉煤灰与其他掺合剂添加比例不对、在混凝土中的作用机理不够明确等问题，严重影响了粉煤灰在混凝土中的合理充分利用。

随着混凝土应用范围的不断扩大，对混凝土提出了越来越高的要求。例如在修补结构中，除了要求混凝土结构满足安全与耐久性要求外，还要求混凝土具备高抗渗水性、高防碳化性能和高流动性等特点［4］。因此，制备高性能的符合使用要求的混凝土成为了施工顺利的关键因素。本文的目的在于通过制作小型的混凝土试件，研究了粉煤灰与其他掺合料同时存在的作用下，粉煤灰作用于混凝土试件的作用规律，既是提高和改善混凝土性能的需要，也可以实现粉煤灰废料的充分利用，实现可持续发展的需要。

2 试验材料与方法

2．1 实验材料

试验用水泥为河南三星水泥工业有限公司的粉煤灰(30%)硅酸盐水泥，强度为C30，试验用砂细度为2．7，试验用石子粒径大小在4～16 mm之间，粉煤灰为河南松川矿山机械有限公司生产的一级粉煤灰，细度为5．2%，需水量比为93%:减水剂为江西百好新型建筑材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率在20%左右;引气剂为河北凝盛建材科技有限公司生产的NS-3型引气剂，引气剂各种指标均达到GB 8076—1997标准。

2．2 实验方案

为了对比分析在添加有各种掺合料情况下，粉煤灰的添加量对混凝土坍塌度、渗透性能和防碳化性能的影响，从而得到粉煤灰对混凝土性能的作用规律，本文采用了如表1所示的A、B两种设计方案，A-1—A-4系列为不添加粉煤灰的试件，B-1—B-4系列为对应的添加粉煤灰的试样，其他参数基本一致。

表1 混凝土的配料Table 1 Concrete batching

2．3 试件制作的制作

按照《普通混凝土拌合物性试验方法》(DB/TB 50080)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)中混凝土试件的成型与养护方法的有关规定［5，6］，制定了尺寸为100 mm ×100 mm×100 mm的试件162个。研究了混凝土试件5 d、20 d、40 d和80 d的抗压强度与劈拉强度，并对20 d与80 d的碳化深度，以及80 d的渗透深度进行了测试。

2．4 测试方法

采用坍落度法测定混凝土拌合物的坍落度，在YES-3000万能压力机上进行混凝土的抗压试验，采用WE-300型万能压力机进行了劈拉强度的测试，渗透性试验是在LSK-Q59微机控制高精度抗渗仪上进行。碳化深度的测试则采用快速碳化法，在CCB-70型混凝土碳化试验箱中进行，用以测量碳化深度。

3 试验结果与分析

3．1 粉煤灰对强度性能的影响

图1所示为抗压强度随着混凝土龄期的变化曲线。从图中可以看出不添加粉煤灰的A-1试件与添加了粉煤灰的B-1组试件，在不同的龄期都呈现出梯度差异。即在5～80 d龄期之间变化时，A-1试件的抗压强度均大于同等龄期的B-1试件。此外，随着龄期的逐渐增长，A-1组试件与B-1试件的抗压强度都逐渐升高。

图1 抗压强度随着龄期的变化曲线Fig．1 Variation curve of compressive strength with age

图2 所示为不同龄期的A-1、B-1组试件的劈拉强度变化曲线。从图中可以看出，劈拉强度的变化曲线呈现出与抗压强度类似的梯度变化趋势。其中，当龄期在5～80 d变化时，A组试件的劈拉强度在3．2～4．3 MPa之间变化，而 B组试件的劈拉强度在2．8～4．0 MPa之间变化。A组试件在不同龄期的劈拉强度均高于相同龄期的添加粉煤灰的B组试件。添加粉煤灰后的B组试件的抗压强度与劈拉强度均低于同等条件下的A组试件，可能的原因在于试验测试的龄期较短，粉煤灰的二次水化效果没完全发挥，水化产物减少，强度就会较低。

图2 劈拉强度随着龄期的变化曲线Fig．2 Variation curve of splitting tensile strength with age

3．2 粉煤灰对坍落度的影响

图3 所示为不同引气剂含量下坍落度的变化曲线。可以看出，在不同引气剂含量下，A组试件的坍落度均低于B组试件。随着引气剂含量的增加，A组试件的坍落度呈现上升趋势，引气剂含量在0% ～0．02%之间变化时，坍落度在75～201 mm之间变化，上升幅度为168%，尤其是当引气剂含量在0．01%上升到0．015%时，坍落度的上升幅度较为明显。B组试件的坍落度随着引气剂含量增加逐渐上升，当引气剂含量在0%～0．02%之间变化时，坍落度在175～245 mm之间变化，上升幅度为40%。不同引气剂含量下，添加了粉煤灰的B组试件比未添加引气剂的A组试件对坍落度的影响较小，B组试件混凝土的坍落度与A组试件的差值可以认为是添加了粉煤灰后作用的效果。

图3 不同引气剂含量下塌落度的变化Fig．3 Slump changes in the different air entraining agent content

3．3 粉煤灰对渗透性的影响

图4 所示为不同引气剂含量下混凝土渗透深度的变化。可以看出，随着引气剂含量的上升，A组试件与B组试件的渗透深度都出现上升趋势，尤其是引气剂含量在0．01% ～0．02%之间时，变化尤为明显。当引气剂含量从0% ～0．02%之间变化时，在相同的引气剂含量下，添加了粉煤灰的B组试件的渗透深度都大于未添加粉煤灰的A组试件，这可能与水泥用量的减少而引起了一定程度上水化产物的减少有关，而粉煤灰二次水化作用的特性在试验龄期内还没有发挥出来。

图4 不同引气剂含量下渗透深度的变化Fig．4 Variation of the penetration depth in different air entraining agent

3．4 粉煤灰对碳化深度的影响

图5 所示为不同引气剂含量下不同试件的碳化深度的变化曲线。图中列出了20 d龄期和80 d龄期的状态下碳化深度的变化曲线。可以看出，A组试件与B组试件的碳化深度呈现明显的梯度结构变化趋势，20 d龄期的碳化深度明显低于同等条件下的80 d龄期的试件。同时可以看出，20 d与80 d龄期的状态下，添加了粉煤灰的B组试件的碳化深度都明显高于同等条件下的A组试件，且随着引气剂含量的增加，20 d龄期与80 d龄期的A组与B组试件的碳化深度都呈现逐渐上升的趋势。这是因为当粉煤灰替代部分水泥后，混凝土中的碱性物质含量减少，导致抑制碳化的能力降低。

图5 不同引气剂含量下碳化深度的变化Fig．5 Variation of the depth of carbonation in different air entraining agent

4 结论

(1)随着龄期的逐渐增长，未添加粉煤灰与添加了粉煤灰的试件的抗压强度与劈拉强度都逐渐升高。未添加粉煤灰的试件在不同的龄期的抗压强度与劈拉强度均高于相同龄期的添加粉煤灰的试件。

(2)在不同引气剂含量下，未添加粉煤灰的试件的坍落度均低于添加粉煤灰的试件。随着引气剂含量的增加，未添加粉煤灰与添加了粉煤灰的试件的坍落度都呈现上升趋势。

(3)随着引气剂含量的上升，A组试件与B组试件的渗透深度都出现上升趋势。在相同的引气剂含量下，添加了粉煤灰的B组试件的渗透深度都大于未添加粉煤灰的A组试件。

(4)添加了粉煤灰的B组试件的碳化深度都明显高于同等条件下的A组试件，且随着引气剂含量的增加，20 d龄期与80 d龄期的A组与B组试件的碳化深度都呈现逐渐上升的趋势。

［1］ 刘关宇．粉煤灰综合利用现状及前景［J］．科技情报开发与经济，2010，20(19):167-170．Liu Guanyu．Comprehensive utilization status and prospect of fly ash［J］．Technology Information Development and Economy，2010，20(19):167-170．(in Chinese)

［2］ 张世饶，陈涛，顾祥林．以沉降控制的掺粉煤灰水泥粉喷桩优化设计方法［J］．结构工程师，2003，1:29-34．Zhang Shirao，Chen Tao，Gu Xianglin．The settlement control of cement powder spray mixing fly ash［J］．Structure Engineer，2003，1:29-34．(in Chinese)

［3］ 蒋正武，龙广成，孙振平．混凝土修补［M］．北京:化学工业出版社，2009．Jiang Zhengwu，Long Guangcheng，Sun Zhenping．The concrete repair［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2009．(in Chinese)

［4］ 李斌，沈风生，袁群，等．钢筋混凝土建筑物老化修补与补强试验研究［J］．人民黄河，2005，2:27-29．Li Bin，Shen Fengsheng，Yuan Qun，et al．Repair and reinforcement of reinforced concrete building［J］．People Yellow River，2005，2:27-29．(in Chinese)

［5］ 中国建筑科学研究院．GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．China Academy of building research．GB/T 50080—2002 Standard for test method of performance on ordinary fresh concrete［S］．Beijing:China Building Industry Press，2003．(in Chinese)

［6］ 李继业，姜金名，葛兆生．特殊性能新型混凝土技术［M］．北京:化学工业出版社，2007．Li Jiye，Jiang Jinming，Ge Zhaosheng．The special properties of new concrete technology［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2007．(in Chinese)