粉煤灰混凝土渗透相关性的试验研究

王建东，吕 萌1，章玉容1，吴 嘉1，张俊芝

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310023)

粉煤灰由于具有良好的火山灰效应和微集料效应而被广泛应用于水工混凝土中[1]，它可以提高混凝土的耐久性能。目前，对粉煤灰混凝土渗透性(尤其是氯离子扩散方面)的研究比较多[2-3]，但是针对混凝土的水、气体渗透性的研究不多，而且关于渗透性与其氯离子扩散性能之间的相关性研究成果很少[4]。以这三种渗透介质反映混凝土渗透性的结果各具优缺点[5-6]：水渗透作为介质不易被压缩，可直接评价混凝土渗透性，但当混凝土密实度较高时透水性低，目前常用的水压法测试得到的混凝土水渗透性结果并不理想[7]；RCM法测试过程中存在电极极化的问题[8]；而气体作为渗透介质又具有可压缩性等。因此，利用粉煤灰混凝土的水、气体与其氯离子扩散性之间的关系，可以更全面地评价混凝土氯离子扩散性能[9]，并为粉煤灰混凝土耐久性设计提供参考。

笔者采用稳定渗流法[10]、Cembureau气体渗透法和ASTM C1202直流电量法，分别测试了试验混凝土的水、气体渗透系数以及氯离子扩散系数等抗渗性参数；分析了降低混凝土的水渗透性、氮气渗透性以及氯离子扩散性能的粉煤灰最佳掺量；研究了水、气渗透性与氯离子扩散性之间的相关性，并以压汞法[11](Mercury intrusion porosimetry)数据为依据，从微观角度分析粉煤灰的最佳掺量。

1 试验材料与测试方法

1.1 试验原材料与配合比

试验选用细度模数为2.4、表观密度为2 600 kg/m3的中细河沙为细骨料；粗骨料最大粒径20 mm，其表观密度为2 700 kg/m3；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰；试验中所用的拌合水以及养护用水均为杭州地区的自来水，密度取为1 000 kg/m3。水泥为P.C 32.5复合硅酸盐水泥，其安定实验合格，终凝时间为320 min，试验混凝土配合比如表1所示。

表1 试验混凝土的配合比

1.2 混凝土水、气体渗透性的测试方法

根据上述中的配合比，制备尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的混凝土试件，每个规格试件的数量为2 个。经标准环境下养护28 d后，用SCQ-U自动切石机切割制备渗透性测试样本。其中，每个试件切出6 片分别进行水和气体渗透性测试(3 片用于水渗透测试，3 片用于气体渗透测试)，即每个规格的混凝土的水和气体渗透测试的试件数量均为6片，以此消除混凝土材料随机性对测试结果的影响[12]。水、气体渗透试验的理论依据为Darcy定律[13]，即

(1)

通过代入边界条件并考虑介质流速修正系数，得到混凝土水和气体渗透系数公式，即

(2)

(3)

式中：μw为水的运动黏性系数10-6kPa·s；Q为通过混凝土的平均流量，m3/s；h为试件厚度，m；A为试件的过水(气)截面面积，m2；ΔP为试件上下表面的水压差，MPa；μg为N2的运动黏性系数，Pa·s；V为N2的体积流量，L；P表示气体渗透试验压力，MPa；Pa为大气压力，MPa。由于气体具有可压缩性，因此在计算气体流速时进行了修正[14]。

水渗透试验采用稳态渗流法，将对应试件进行18 h真空饱水，取出后在中心位置保留80 mm×80 mm的过水面积，为保证水、气体在混凝土内单向流动，对其余表面进行封蜡处理。由HS-4型自动恒压水渗透仪从0加压至稳定2 MPa的水压，待渗流稳定后进行读数。

气体渗透试验采用Cembureau气体渗透法，将气体渗透试验试件放入YF101-2A型鼓风干燥箱进行48 h烘干处理，烘干温度为(85±5)℃，取出后冷却并采取封蜡处理(处理方式同水渗透实验试件)，采用高纯度氮气逐级加压至0.3 MPa，待30 min(即气体流速达到稳定状态)后读数[12]。

1.3 混凝土氯离子扩散系数的测试

混凝土的氯离子扩散系数试验参照美国试验与材料协会(ASTM)提供的标准试验方法，利用ASTM C1202直流电量法测定。在制备上述用于水、气体渗透性测试的混凝土的同时，每个掺量同时制备6 个直径100 mm，高度50 mm的圆柱体标准试件，标准养护28 d后进行电通量测试，并通过换算得到氯离子扩散系数值[15]，即

D=(0.004 92×Q+2.582)×10-12

(4)

式中：D示混凝土氯离子扩散系数，m2/s；Q表示试验混凝土总导电量值，C。

1.4 压汞法(MIP)测试混凝土的孔隙率及孔径分布

试验采用美国麦克默瑞提克公司的AUTOPO-RE 9500型压汞仪测定。用手持切割机从每个试件中随机切出尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样，质量保持在2.4 g左右，试样中保留砂浆和骨料，并尽可能保证粗骨料所占的比例相同。为确保试验不受试样内部水分影响，测试前将试样放入恒定温度(105±5)℃的YF101-2A型鼓风干燥箱中连续干燥2 h，再进行压汞测试。

2 试验结果与分析

根据公式(2～4)，得出粉煤灰混凝土的水渗透系数Kw、气体渗透系数Kg及氯离子扩散系数D，按照格拉布斯(Grubbs)准则[16]进行数据处理，得到的平均值作为混凝土水和气体渗透系数及氯离子扩散系数，如图1，2所示。

图1 混凝土水、气体渗透系数与粉煤灰掺量的关系

图2 氯离子扩散系数与粉煤灰掺量的关系

2.1 混凝土渗透性能与粉煤灰掺量的关系

由图1，2可知：掺加粉煤灰对养护28 d的混凝土的水、气体渗透系数及氯离子扩散系数的影响大体规律是一致的。与试验对比组1(未掺粉煤灰)相比，掺加粉煤灰的2，3，4，5四组混凝土的水、气体渗透系数及氯离子扩散系数有明显的降低，其中2组混凝土水、气体渗透系数及氯离子扩散系数较试验对比1组分别降低了15.64%，10.18%及4.76%。说明在水胶比为0.40的情况下，掺加粉煤灰对提升混凝土耐久性具有良好的正面效应。当粉煤灰掺量超过30%后，水、气体渗透系数及氯离子扩散系数没有明显下降，且随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗渗性有了降低的趋势。其中，降低混凝土的气体渗透系数和氯离子扩散系数的粉煤灰最佳掺量均为40%，而降低水渗透系数的粉煤灰最佳掺量为30%。

粉煤灰混凝土抗渗性能降低的主要原因是粉煤灰具有火山灰效应和密实填充效应。粉煤灰具有良好的细度，可以有效填充混凝土内部的孔隙。在早期28 d时，混凝土内一部分粉煤灰发生二次水化反应生成具有胶凝性质的C—S—H并进一步填充、细化孔隙，提高混凝土的抗渗能力。由于二次水化反应降低了混凝土中Ca(OH)2含量，改善了界面结构，不利于氯离子的结合[3]；另一方面，粉煤灰的掺入降低了混凝土中水泥的含量，减少了C—S—H凝胶的生成，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。将有利因素和不利因素结合起来分析，前者发挥了更大的作用，所以掺加粉煤灰有利于提高混凝土抗氯离子渗透能力。而当粉煤灰掺量超过30%以后，由于粉煤灰掺量较大，水泥含量过少，且二次水化反应进行得比较缓慢，混凝土中还有大量未水化的粉煤灰颗粒，导致混凝土内部结构不够密实，因此混凝土的抗渗透性能降低，导致水、气渗透系数及氯离子扩散系数增大，但相比不掺粉煤灰的对比组还是具有良好的抗渗能力。

2.2 混凝土渗透性的相关性

虽然混凝土的水气渗透性以及氯离子扩散性的机理不同，且粉煤灰引起的混凝土内微观结构的改变对水气渗透性及氯离子扩散性的影响也不同，但是试验数据中水和气渗透系数以及氯离子扩散系数是具有相同的整体规律的。一般来说，混凝土中水、气及氯离子任一项的渗透性差，那么其他两项的渗透性也会差。已有文献研究结论表明：混凝土中水、气渗透系数及氯离子扩散系数之间存在一定的相关性[4-5,12]。

根据上述测试结果，混凝土的氯离子扩散系数、水和气体渗透系数与粉煤灰掺量的关系如图3所示。由图3可知：随着混凝土氯离子扩散系数的增加，水和气体渗透系数随之增加，粉煤灰混凝土的水和气体渗透系数与其氯离子扩散系数存在良好的相关性，相关系数R2分别为0.957和0.961。

图3 试验混凝土氯离子扩散系数与水、气体渗透系数的关系

氯离子等不利于混凝土耐久性的物质大多是以水作为介质传输，混凝土的水渗透系数与氯离子扩散系数存在着较高的相关性。但混凝土的水渗透测试周期长，在高压作用下混凝土内部存在继续水化、物质迁移甚至微观孔结构破坏的情况。而混凝土的气体渗透测试周期相对较短，且氮气分子的动力学尺寸为0.364 nm(水分子直径为4×10-10m，即0.4 nm)，相较于水分子可以通过更加细微的孔隙，混凝土的气体渗透系数与氯离子扩散系数的相关程度要稍微高于其与水渗透系数的相关程度。因此，以气体渗透性评价粉煤灰混凝土的氯离子扩散性能更加合适。

2.3 粉煤灰对孔隙率及孔径分布影响

一般地，将混凝土内部的空隙按大小可分为超微孔(直径d<10 nm)、微毛细孔(10 nm1 000 nm)4 个区间，通过MIP测试法得试件孔隙率，结果如表2所示。

表2 试验混凝土孔隙率及孔径分布

由表2可知：掺入粉煤灰后，混凝土样本总孔隙率下降。随着粉煤灰掺量的增加，孔隙率总体呈现下降的趋势，但当粉煤灰掺量达到40%后，孔隙率呈现增加的趋势。

结合表中孔径分布数据，非毛细孔所占总孔隙率的比率在粉煤灰30%掺量内是逐渐降低的，微毛细孔、大毛细孔的占比相较于不掺加粉煤灰的混凝土有所增加。这是由于在早期混凝土中，适量的粉煤灰可较好地发挥密实填充效应和二次水化效应，使孔隙由大孔的孔径区间向孔径较小的孔径区间转化。当粉煤灰掺量超过30%后，部分小孔(特别是超微孔)被粉煤灰填充，但大毛细孔、非毛细孔占总孔隙率的比率明显增加，混凝土的渗透性能还是明显高于不掺粉煤灰的混凝土。其原因首先是粉煤灰混凝土的总孔隙率与不掺粉煤灰的混凝土相比是降低的，而总孔隙率的降低导致大孔占比的变化更为敏感，大孔占比的增加提高了渗透性能；其次，粉煤灰的二次水化反应比较缓慢，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土中未水化的粉煤灰颗粒增多，导致早期混凝土内水化产物的总量减少，混凝土不够密实，大孔占比增加。

3 结 论

粉煤灰对混凝土早期的抗渗性能有积极作用，当混凝土中粉煤灰掺量在30%以内时，水、气体及氯离子三种渗透介质的渗透性有明显的降低，超过30%时，三种渗透介质的渗透性有所回升，但仍优于试验对比组；降低混凝土水、气体渗透系数及氯离子扩散系数的粉煤灰最佳掺量有所不同，为降低混凝土的气体渗透系数和氯离子扩散系数，粉煤灰最佳掺量均为40%，而降低水渗透系数的最佳掺量为30%；粉煤灰混凝土中水、气体渗透系数与氯离子扩散系数均存在良好的相关性，相关系数分别为0.957和0.961，以气体渗透性评价粉煤灰混凝土的氯离子扩散性能更加合适；粉煤灰早期可以改善混凝土内部孔径区间分布，使混凝土更加密实，从微观角度分析，粉煤灰掺量30%为最佳。