粉煤灰和矿渣粉对水下不分散混凝土性能的影响研究

张 鸣，王付鸣，叶 坤，吴正光，曾 毅

(1.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189；2.扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127；3.深圳为海集团，深圳 518112)



粉煤灰和矿渣粉对水下不分散混凝土性能的影响研究

张 鸣1,2，王付鸣2，叶 坤2，吴正光2，曾 毅3

(1.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189；2.扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127；3.深圳为海集团，深圳 518112)

本试验研究了粉煤灰和矿渣粉复掺时对水下不分散混凝土性能的影响，分析二者不同掺量复掺时对混凝土流动性、抗分散性、力学性能以及抗氯离子渗透性的影响规律。研究表明，与掺合料单掺相比，粉煤灰和矿渣粉复掺时混凝土流动性降低，但是抗分散性和抗氯离子渗透性明显改善，同时二者复掺时能起到“叠加效应”，使早期强度和后期强度均较高。

水下不分散混凝土； 抗分散性； 流动性； 力学性能； 抗渗性

1 引 言

水下不分散混凝土在水利、桥梁、海洋工程等领域发挥了重要作用，随着施工质量要求的不断提高，对水下不分散混凝土的各种性能的研究要求也更高。Higgins[1]和钱觉时[2]提出磨细矿渣混凝土具有较高的抗氯离子渗透能力，在海洋环境中能较高地保护钢筋性能。Tarun[3]认为只要粉煤灰取代水泥量不大于50%，粉煤灰能降低混凝土的氯离子渗透性。高怀英，马树军[4]等提出，大掺量矿渣能明显提高混凝土的密实度，从而提高混凝土抗侵蚀能力。刘建忠[5]对粉煤灰和矿渣粉复掺时混凝土抗氯离子侵蚀能力进行了研究，实验表明，粉煤灰和矿渣复掺时，混凝土的抗氯离子渗透性随着总掺量的增加而提高。于本田[6]根据ASTM
C1202法，对不同水胶比时复掺粉煤灰和矿渣粉的情况进行试验，并提出当水胶比为0.38时，混凝土的抗渗性能最好，其中，当粉煤灰和矿渣粉掺量各为15%时混凝土的抗氯离子渗透性能达到最佳。

目前，许多学者[7-9]在掺合料对水下不分散混凝土(Underwater concrete，UWC)性能影响研究主要集中在抗渗透性方面，对抗分散性研究较少，本文在研究粉煤灰和矿渣粉复掺时对混凝土流动性、力学性能影响的同时也研究了对抗分散性以及抗渗性的影响。

2 试 验

2.1 原材料

P·Ⅱ52.5级普通硅酸盐水泥，比表面积为313 m2/kg，泰州水泥厂生产；Ⅱ级粉煤灰，比表面积为551 m2/kg，湖北产；矿渣粉，S95级，比表面积449 m2/kg，盐城产；细骨料，河沙，细度模数2.5，江西产；粗骨料，粒径5～20 mm，连续级配，武汉产；减水剂，聚羧酸减水剂，苏州西卡产；抗分散剂，UWB-Ⅱ型，中国石油集团工程技术研究院海洋工程研究所生产。

试验基准配比如表1所示，不同试验分组中各掺合料所占比例如表2所示。

表1 水下不分散混凝土基准配合比Tab.1 Basic mix proportion of UWC /kg

表2 不同试验分组中各掺合料所占比例Tab.2 Proportion of admixtures in UWC

2.2 测试方法

2.2.1 流动性测试

新拌UWC材流动性测试主要包括坍落度测试和坍扩度测试，测试方法参照规程DL/T 5117[10]，试验步骤如下：将坍落度筒、捣棒用湿布润湿，放在试验区中央，将混凝土分三层装入，每次装入的高度大致为筒高的1/3，每一层装入后用捣棍沿螺旋线由坍落度筒边缘至中心插捣25次，将混凝土表面抹平后缓慢提起坍落度筒，并放置在试样旁边，待混凝土停止流动后测坍落度值，量出相互垂直的两个直径值，取其平均值作为坍扩度值。

2.2.2 力学性能测试

将新拌混凝土分别在陆地和水下成型150 mm×150 mm×150 mm试件，两天后拆模，并移至标准养护室内养护分别进行水下和陆地养护至各龄期后，参照规程DL/T 5117[10]，进行力学性能测试，每龄期测试3个试件，取平均值作为最终结果。

2.2.3 抗氯离子渗透性

参照2.2.2节制备与养护混凝土试件，养护至28 d和56 d后，将混凝土取芯φ100×50 mm试件，参照GB-T50082-2009[11]中的电通量法测定混凝土的抗氯离子渗透性。

2.2.4 抗分散性能测试

本文通过pH值试验、浊度试验、悬浊物含量试验3种方法来评价水下不分散混凝土的抗分散性能，参照DL/T 5117[10]，试验方法如下：在1000 mL烧杯中加入800 mL水，然后取500 g水下不分散混凝土试样并分成10等份，用小勺子将每一份混凝土从水面投入，使其缓慢自由落下，该操作需在10～20 s内完成，将烧杯静置3 min。用吸管在1 min内从烧杯中轻轻吸取600 mL的水，注意不要吸入混凝土，将吸出的水作为试验样品，分别进行pH值、浊度、悬浊物含量试验。

3 结果与讨论

3.1 粉煤灰和矿渣粉对混凝土流动性的影响

坍落度和坍扩度是衡量混凝土流动性的主要指标。图1为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时水下不分散坍落度。由图可知，粉煤灰掺量为40%和矿渣粉掺量为40%时坍落度出现峰值，当粉煤灰掺量40%时坍落度为225 mm，矿渣粉掺量40%时坍落度为245 mm，粉煤灰掺量10%、矿渣粉掺量30%时坍落度最小，随着矿渣粉掺量减小粉煤灰掺量增加时坍落度明显增大。

图2为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时水下不分散坍扩度，由图可知，粉煤灰和矿渣粉复掺时混凝土坍扩度均小于粉煤灰或矿渣粉单掺时的情况，当粉煤灰掺量10%矿渣粉掺量30%时坍扩度最小，为430 mm，粉煤灰掺量40%时坍扩度最大，为495 mm，随着矿渣粉掺量减小粉煤灰掺量增加时混凝土坍扩度明显增大。

图1 粉煤灰和矿渣掺量不同时的UWC坍落度Fig.1 Slump of UWC mixed with different content of fly ash and slag

图2 粉煤灰和矿渣掺量不同时的UWC坍扩度Fig.2 Slump flow of UWC mixed with different content of fly ash and slag

3.2 粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗分散性的影响

图3 粉煤灰和矿渣掺量不同时UWC的水样悬浊物含量Fig.3 Suspension particle content in test water of UWC mixed with different content of fly ash and slag

图4 粉煤灰和矿渣掺量不同时UWC的水样pH值Fig.4 pH value of test water UWC mixed with different content of fly ash and slag

图3为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时水样悬浊物含量，分析可知，粉煤灰或者矿渣粉单掺时水样的悬浊物含量均较高，粉煤灰单掺杂时水样的悬浊物含量最高，为156 mg/L，矿渣粉单掺杂时水样的悬浊物含量为149 mg/L，当粉煤灰掺量10%矿渣粉掺量30%时悬浊物含量明显降低，是粉煤灰单掺时悬浊物含量的87.92%，与粉煤灰掺量30%矿渣粉掺量10%相近，当粉煤灰掺量与矿渣粉掺量各为20%时，悬浊物含量最低，为122 mg/L，分别只有单掺粉煤灰和矿渣粉时的78.21%和81.88%。 图4为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时水样的pH值，由图可知，单掺粉煤灰或矿渣粉时水样的pH最大，分别为11.60和11.58，当矿渣粉掺量30%粉煤灰掺量10%时水样的pH值由单掺矿渣粉时的11.58下降至11.35，当矿渣粉和粉煤灰掺量相等且均为20%时，水样的pH值最小，随着矿渣粉掺量下降为10%粉煤灰掺量提高到30%时水样的pH值明显增大。

图5 粉煤灰和矿渣掺量不同时的水样浊度值Fig.5 Turbidity of test water of UWC mixed with different content of fly ash and slag

图5为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时水样的浊度值，由图可知，粉煤灰和矿渣粉复掺时浊度值的变化规律与悬浊物含量和pH值变化规律相似，粉煤灰或矿渣粉单掺时浊度值较高，单掺粉煤灰时浊度值最大为468.37 NTU，当矿渣粉和粉煤灰掺量各为20%时水样的浊度值最低为343.23 NTU，为单掺粉煤灰时浊度值的73.28%。

试验结果表明，与单掺粉煤灰或矿渣粉相比，粉煤灰和矿渣粉复掺时能显著提高混凝土的抗分散性能。

3.3 粉煤灰和矿渣粉对混凝土力学性能的影响

图6为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时陆地和水下成型养护试块7 d强度，由图可知，对于在陆地上成型养护的试块，粉煤灰和矿渣粉复掺时试块的抗压强度均高于单掺粉煤灰时的强度。粉煤灰掺量40%时混凝土强度最低，为36.0 MPa，粉煤灰掺量10%矿渣粉掺量30%时强度最高，为51.5 MPa，粉煤灰掺量30%矿渣粉掺量10%时强度为43.5 MPa，是单掺粉煤灰时强度的1.21倍。对于在水中成型养护的混凝土试块，随着矿渣粉掺量减小粉煤灰掺量增加试块的强度逐渐降低，矿渣粉掺量40%时强度最高为40.5 MPa，粉煤灰掺量40%时强度最低为30.8 MPa，因此矿渣粉和粉复掺时混凝土早期强度比单掺粉煤灰时要高。

图7为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时陆地和水下成型养护试块28 d强度，由图可知，对于在陆地上成型养护的试块，粉煤灰掺量10%矿渣粉掺量30%时强度最高为62.4 MPa，粉煤灰掺量40%时强度最低为50.8 MPa。粉煤灰和矿渣粉复掺，粉煤灰掺量小于20%时强度均高于单掺40%矿渣粉时强度，随着粉煤灰掺量继续增加矿渣粉掺量减小试块强度明显降低。对于在水中成型养护的试块，矿渣粉掺量40%时强度最高为62.6 MPa，粉煤灰掺量40%时强度最低为45.9 MPa，粉煤灰掺量10%矿渣粉掺量30%与粉煤灰掺量矿渣粉掺量各为20%时强度相当。

图6 UWC 7 d水、陆强度Fig.6 7 d compressive strength of UWC cured in air and underwater

图7 UWC 28 d水、陆强度Fig.7 28 d compressive strength of UWC cured in air and underwater

3.4 粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗氯离子渗透性的影响

按照GB-T50082-2009[8]中混凝土电通量试验，研究粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，表3为混凝土电通量与氯离子渗透性等级关系。

表3 混凝土电通量与氯离子渗透性等级关系Tab.3 Relationship between electric flux and chloride diffusion

图8为粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时混凝土电通量，由图可知，28 d龄期时，只掺矿渣粉或只掺粉煤灰的时混凝土电通量较大，按混凝土电通量评价指标此时渗透级别为“中”，当矿粉掺量30%、粉煤灰掺量10%时，混凝土电通量由只掺矿渣粉时的2553.23 C下降到1996.06 C，下降幅度为21.8%，与只掺粉煤灰时的混凝土电通量相比，下降幅度为33.55%，当矿渣粉掺量20%粉煤灰掺量20%时，混凝土电通量为2192.23 C，与只掺粉煤灰或者矿渣粉相比明显降低，当矿渣粉掺量10%粉煤灰掺量30%时电通量为2392.89 C，只有单掺矿粉或单掺粉煤灰时的93.72%和79.66%，主要是因为粉煤灰掺入混凝土中能够有效降低其孔隙率，提高混凝土的密实度从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能。矿渣粉在混凝土内部碱性环境中活性得以激发，有效改善了混凝土内部结构，降低混凝土孔隙率，使得混凝土的抗渗性能也得到提高。

图8 不同龄期的混凝土电通量比较Fig.8 Electric flux of UWC cured different duration

当龄期为56 d时，试验的混凝土电通量数据可知此时测得的混凝土电通量均小于2000 C，对照混凝土电通量与渗透性评价指标可知，混凝土氯离子渗透性由28 d龄期的“中”降为“低”。单掺矿渣粉或粉煤灰时混凝土电通量最大，分别为1970.40 C和1895.11 C，较28 d龄期时分别下降了22.83%和36.91%，矿渣粉和粉煤灰各掺20%时混凝土电通量最小，为1293.47 C，与28 d龄期相比下降了41.1%，当矿渣粉掺量30%粉煤灰掺量10%、矿渣粉掺量10%粉煤灰掺量30%时混凝土电通量分别为1420.67 C和1560.53 C较28 d混凝土电通量分别下降28.83%和34.78%。

试验结果表明，与单掺粉煤灰或矿渣粉相比，粉煤灰和矿渣粉复掺时水下不分散混凝土抗氯离子渗透性能得到很大的提升，此外，混凝土抗氯离子渗透性与养护龄期也有很大关系，试验表明，56 d龄期时混凝土电通量比28 d下降至少22.83%。

4 结 论

粉煤灰和矿渣粉不同掺量复掺时，通过对混凝土流动性、抗分散性、力学性能以及抗渗性的测试、分析，得到以下结论：

(1)粉煤灰和矿渣粉复掺时，水下不分散混凝土的流动性弱于二者单掺时的流动性；

(2)粉煤灰和矿渣粉复掺时，水下不分散混凝土的抗分散性显著提高，且粉煤灰和矿渣粉掺量比1∶1时，水下不分散混凝土抗分散性能最佳；

(3)粉煤灰和矿渣粉复掺时，混凝土强度基本介于单掺粉煤灰或单掺矿渣粉之间，二者同时使用时可以优势互补，对混凝土早期以及后期强度均起到有利作用；

(4)与单掺粉煤灰和矿渣粉相比，粉煤灰和矿渣粉复掺时对提高混凝土抗渗性的效果更为明显；掺有掺合料的水下不分散混凝土抗渗性受水化龄期影响显著，龄期56 d后，掺合料抗渗效果才能充分发挥。

[1] Higgins D.The effectof GGBS on the durabilityof concrete[J].Conerete,1991,25(6):17-20.

[2] 钱觉时,唐祖全,卢忠远,等.混凝土设计与控制[M].重庆:重庆大学出版社,2005:65-84.

[3] Tarun R,Naik,Shiw S.Singh and Mohammad M.Hossain.Permeability of concerete containing large amounts of fly ash[J].CementandConcreteResearch,1994,5(24):913-922.

[4] 高怀英，马树军,黄国泓.大掺量磨细矿渣混凝土国内外研究及应用综述[J].海河水利,2006,(3):47-50.

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Effect of Fly Ash and Slag on Anti-washout Underwater Concrete

ZHANGMing1,2,WANGFu-ming2,YEKun2,WUZheng-guang2,ZENGYi3

(1.School of Material Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;2.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China;3.Shenzhen Weihai Group,Shenzhen 518112,China)

This experiment did some research on the effect of fly ash and slag powder on the performance of anti-washout underwater concrete,analyzed the effects of two different dosage of mixed content on the fluidity, dispersion, mechanical properties and resistance to chloride ion permeability of concrete.It was shown thatcompared with the mixed material, the flow property of the concrete wasslightly lower than the content of the fly ash and slag powder,but the resistance to dispersion and resistance to chloride ion permeability was significantly improved,the composited mineral admixtures play "additive effect", which make concrete obtain both higher early strength and long-term strength.

anti-washout underwater concrete;anti-washout property;fluidity;mechanical property;impermeability

中国博士后科学基金(2015M581702)；住建部项目(2015-K6-001)；江苏省太湖水污染治理专项资金课题(TH2014204)

张 鸣(1976-)，男，博士，讲师.主要从事新型土木工程材料，结构工程方面的研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2611-06