粉煤灰掺量对膨胀混凝土抗冻性和抗氯离子渗透性的影响

彭艳周 刘 俊 徐 港 高 军 吕俊达

(1.三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002)

我国西北地区冬季寒冷，最低气温低且很多地方存在盐渍土，自然环境条件恶劣，因而，工程中对这些地区的混凝土及其结构提出了更高的性能要求.内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇的±800kV 换流站工程，要求混凝土的强度等级达到C35、抗冻等级达到F200.为了满足工程要求，在混凝土配合比设计时，考虑了掺入粉煤灰、引气剂及高效减水剂等技术措施.但是在用水量、水胶比相同的条件下，目前针对粉煤灰掺量对混凝土抗冻性的影响研究得出的结论不尽相同.有研究[1-2]表明，粉煤灰掺量越大，混凝土的抗冻性越差.部分学者认为，粉煤灰掺量不超过某值时，对改善混凝土的抗冻性有利：肖前慧等[3]指出30%掺量以内的粉煤灰能够提高混凝土抗冻性；王德志等[4]研究认为15%粉煤灰掺量的混凝土抗冻性最好；Yoon[5]研究表明粉煤灰掺量为15%或20%使混凝土的抗冻性提高；而谭克锋[6]研究指出，与未掺粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰掺量为20%的混凝土抗冻性略有降低.

此外，除了抗冻性，混凝土的收缩开裂也是引起混凝土结构耐久性(如抗渗性、抗氯离子渗透性和抗侵蚀性)下降的原因之一.一般认为，在水泥混凝土中掺入粉煤灰等矿物掺合料可以降低混凝土的氯离子迁移系数(提高抗渗性)，这是由于粉煤灰等矿物掺合料的物理填充效应和化学活性效应，细化了混凝土内部孔隙结构，从而提高了其抗渗性.然而，有研究发现，当粉煤灰掺量较高时，继续增加粉煤灰将不利于混凝土孔隙结构的改善，反而会使氯离子迁移系数增大(或抗渗性下降)[7-11].因此，针对上海庙镇±800kV换流站工程换流阀水冷系统中水池混凝土结构的建设，在配合比设计时采取了外掺膨胀剂(掺量10%)措施来减小混凝土的收缩，试验(水冻试验和盐冻试验)研究了粉煤灰掺量(0、20%、30%、40%)对膨胀混凝土抗冻性的影响；同时，考虑到盐渍土中的离子渗透很可能会引起钢筋锈蚀从而危及混凝土结构耐久性，采用RCM 法研究了粉煤灰掺量对混凝土抗氯离子渗透性的影响，以期为该工程换流阀水冷系统中水池结构混凝土的生产施工与质量控制提供基础资料和技术指导.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

所用水泥为华新水泥股份有限公司生产的P.O42.5；粉煤灰采用巩义市第二电厂的F类Ⅰ级粉煤灰；砂子为Ⅱ区中砂，细度模数为2.5；石子为粒径5～25mm 连续级配的石灰石；膨胀剂为北京迈克龙力化工产品有限公司生产的UEA 型混凝土膨胀剂；减水剂为陕西秦奋建材有限公司生产的HPWR 标准型高性能减水剂；引气剂为上虞市舜洋建筑材料有限公司生产的SA-20型聚羧酸专用引气剂；拌和与养护用水为洁净自来水.

1.2 混凝土配合比

混凝土的设计坍落度为110～150mm，拌和物的含气量为4.7%～4.9%.膨胀剂掺量为胶凝材料的10%，试验所用的混凝土配合比见表1.

表1 混凝土配合比

1.3 试验方法

混凝土拌合物含气量、坍落度试验均依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)进行.其中，含气量采用美国FORNEY 公司生产的LA-0316型直读式混凝土含气量测定仪测定.对于各配比的混凝土，在试验中通过调整减水剂和引气剂的掺量使混凝土拌合物的含气量和坍落度满足预定的要求.混凝土的抗压强度试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行.

抗氯离子渗透试验和冻融试验均依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行.使用北京耐尔公司生产的RCM-NTB 型氯离子扩散系数测定仪进行抗氯离子渗透试验(RCM 法)；使用TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融箱按照快冻法进行混凝土抗水冻性能试验，抗盐冻试验中所用的冻融介质为质量分数为3.5%的NaCl溶液.抗冻试件的质量采用感量为1g的电子秤称量，其横向基频则使用DT-12W 型动弹仪测定，并以NELDTA 型动弹仪进行校核.

2 结果与分析

2.1 粉煤灰掺量对膨胀混凝土抗压强度的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的28d抗压强度试验结果如图1所示.

由图1可知，混凝土28d抗压强度与粉煤灰的掺量呈负相关的变化关系.与未掺粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰掺量越大，混凝土28d抗压强度下降幅度就越大；粉煤灰掺量分别为20%、30%、40%时，混凝土28d抗压强度分别下降了13.5%、19.3%、25.7%.分析认为，一是因为随着粉煤灰掺量的增加水泥用量减少，故而在混凝土中因水泥水化而生成的水化物数量下降；二是因为体系中粉煤灰的二次水化反应进行得比较缓慢，在28d龄期之前，其反应程度和反应数量都很有限[12]，因此，粉煤灰掺量越大的混凝土，其体系中因水化反应而生成的水化产物总量就越少.

2.2 粉煤灰对膨胀混凝土抗冻性的影响

2.2.1 粉煤灰对膨胀混凝土抗水冻性的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的质量损失率、相对动弹性模量随冻融(快速冻融)循环次数而变化的试验结果如图2～3所示.

由图2可知，各配比混凝土试件的质量损失率均随冻融循环次数的增加呈先减小后增大的趋势.在冻融循环次数达200次之前，各配比混凝土试件的质量基本保持不变(质量变化率都小于0.5%)，冻融循环200次以后，各配比的质量损失率随冻融次数的增加而明显变大，冻融循环400次后，各配比混凝土试件的质量损失率大小关系为：FA40＞FA30＞FA20＞FA0.

图2 混凝土水冻质量损失率变化曲线

图3 混凝土水冻相对动弹性模量变化曲线

图3的结果表明，各配比试件的相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低；冻融循环达100次之前，试件的相对动弹性模量下降较缓，冻融循环次数达100次之后，尤其是200次之后，各配比试件的相对动弹性模量下降明显加快，而且，粉煤灰掺量越大，试件的相对动弹性模量下降越快.冻融循环400次后，各配比的相对动弹性模量大小关系为：FA0＞FA20＞FA30＞FA40.

以上快速冻融(水冻法)试验结果表明，表1中几组混凝土的抗冻等级均不低于F400，能满足上海庙镇换流站工程的要求，但随着粉煤灰掺量的增大，混凝土抗水冻性能下降.分析认为，这同样与粉煤灰掺量增大致使水泥用量降低直接相关.

2.2.2 粉煤灰对膨胀混凝土抗盐冻性的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的质量损失率、相对动弹性模量随盐冻融(快速冻融)循环次数而变化的试验结果如图4～5所示.

图4 混凝土盐冻质量损失率变化曲线

图5 混凝土盐冻相对动弹性模量变化曲线

由图4、图5可知，在盐冻融条件下，各配比混凝土试件的质量损失率随冻融循环次数的增加而增大；相对动弹性模量随冻融循环次数的增加而降低.冻融循环275 次后，各配比试件质量损失率的大小关系为：FA40＞FA30＞FA20＞FA0；相对动弹性模量的大小关系为：FA0＞FA20＞FA30＞FA40.FA0、FA20、FA30、FA40所能承受的最大盐冻融循环次数分别为＞400次、225次、175次、150次.这表明，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的抗盐冻性能下降.

以上两种冻融试验(抗水冻和抗盐冻)的研究结果表明，粉煤灰掺量越大，混凝土的抗冻性越差.其原因主要是由于随着粉煤灰掺量的增加，意味着混凝土中水泥用量的减少，从而水泥的水化产物数量也减少.而且，一般认为，在28d龄期时粉煤灰的二次水化反应程度较低.因此，28d时粉煤灰掺量较高的混凝土中水化产物的总量减少，导致混凝土密实程度下降、孔隙率略增加，而在宏观上表现为混凝土的强度下降，从而混凝土抵抗冰冻破坏作用(主要是冰胀压力、静水压力、显微析冰和渗透压力作用)[13-14]的能力减弱，致使混凝土内部更容易在冻结时产生微裂缝，表面也更容易被剥蚀.

2.3 粉煤灰对膨胀混凝土抗氯离子渗透性的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的氯离子迁移系数试验结果如图6所示.

图6 不同粉煤灰掺量混凝土的氯离子迁移系数

由图6可知，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土中氯离子迁移系数迅速增大.与未掺粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰掺量为20%、30%、40%的混凝土氯离子迁移系数分别上升了9.9%、16.6%、25.5%，这表明粉煤灰掺量越大，则混凝土的抗氯离子渗透性越差.一般认为，粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能与胶凝体系的密实度、体系中粉煤灰等矿物质材料对氯离子的物理、化学吸附作用有关[15].胶凝体系越密实、粉煤灰等对氯离子的吸附作用越强，则混凝土的抗氯离子渗透性越强.在本研究中，一方面，粉煤灰掺量越大的混凝土中水泥用量越少，从而水泥的水化产物就越少，并且，由于粉煤灰的二次水化反应程度和反应速度在28d龄期之前都较低，则其二次水化反应产物的数量亦较少，因此，粉煤灰掺量大的28d混凝土中水化产物总量较少，可能导致混凝土中内部的密实程度、尤其是粉煤灰颗粒周围区域的密实程度下降[16]，从而混凝土氯离子迁移系数增大.另一方面，尽管粉煤灰对氯离子有一定的吸附作用[17]，但其吸附(化学吸附、物理吸附)作用是与粉煤灰的二次水化反应过程相伴发生的，由于28d龄期时粉煤灰的二次水化程度很有限[12，18]，因此，本研究条件下，粉煤灰对氯离子的吸附作用较弱.以上两方面原因是造成混凝土抗氯离子渗透性随粉煤灰掺量增加而变差的主要原因.

2.4 混凝土的工程应用及其效果简介

由以上研究结果可知，粉煤灰掺量为20%的混凝土，其28d强度等级C35以上、抗冻等级F200以上、氯离子迁移系数为8.87×10-12m2/s，各项性能满足上海庙镇±800kV 换流站工程的设计要求.综合考虑成本等因素，推荐将该配合比的混凝土用于上海庙镇±800kV 换流站工程换流阀水冷系统中水池结构的建设.工程检测结果表明，施工现场所用混凝土(含现场留样)的力学性能、抗冻性均满足设计要求，制得的水池结构外观质量良好，超声波无损检测、渗漏等检测表明其各项性能均符合设计要求.

3 结 论

1)混凝土的28d抗压强度、抗冻性及抗氯离子渗透性等性能均随着粉煤灰掺量的增大而降低.这主要与混凝土中水泥用量因粉煤灰掺量的增加而减少密切相关.在用水量、水胶比相同的条件下，粉煤灰掺量增大时混凝土中水泥用量相应减少、致使生成的水化产物数量减少，从而混凝土的密实度降低，混凝土性能亦随之变差.

2)粉煤灰掺量为20%时，混凝土的28d强度等级C35以上、抗冻等级F200以上、抗氯离子渗透性能较好.将该配合比的混凝土用于上海庙镇±800kV换流站工程，制得的水池结构外观质量良好，超声波无损检测、渗漏等检测表明其各项性能均符合设计要求.