粉煤灰混凝土气体渗透与微观结构的时变相关性

章玉容，方润华，王建东，曹应晖，邵鑫杰

(1.浙江工业大学 土木工程学院，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)

粉煤灰作为燃煤发电的副产品，将其作为掺合料应用于混凝土中，不仅具有重要的经济效益和环境效益[1]，而且粉煤灰会与水化产物Ca(OH)2反应，形成的水合物能有效形成更致密的基质，进而提高混凝土的耐久性[2]。混凝土的渗透性作为评价混凝土耐久性的重要指标[3]，主要包括透水性、透气性和透离子性等。随着混凝土密实性的提高，以气体为介质的渗透系数测定方法因测试精度较高、测试时间短等优点而被广泛应用[4]。粉煤灰混凝土的气体渗透系数具有明显的时变性，如Naik等[5]研究表明：粉煤灰混凝土气体渗透性随着龄期的增长而下降，龄期为91 d，粉煤灰掺量为50%时的混凝土表现出最低的气渗性；Heede等[6]也发现90 d龄期不同掺量粉煤灰混凝土的气体渗透性要低于28 d龄期的。粉煤灰混凝土的气体渗透性虽然具有明显的时变性，但粉煤灰掺量和龄期对混凝土气体渗透性的影响是不同的。李刚[7]研究发现：随着粉煤灰掺量的增加，28 d龄期混凝土的气体渗透性对其较为敏感，但对于56 d和90 d龄期的影响较小；施惠生等[8]研究发现：在水胶比为0.25，粉煤灰掺量不超过45%时，不同龄期的混凝土气体渗透系数变化并不明显，当其掺量超过45%时，气体渗透系数将明显增大。因此，有必要通过建立不同龄期下混凝土气体渗透系数与粉煤灰掺量的计算模型，来预测其气体渗透系数。同时为了更好地揭示粉煤灰混凝土气体渗透时变性形成的机理，需进一步分析其微观结构参数与气体渗透系数的相关性。

笔者设计了自然养护环境下用粉煤灰分别替代0%，20%，30%，40%，50%质量水泥的混凝土，分别标准养护28，60，90 d，随后采用基于压差稳定法的气体渗透性测试设备测试了不同养护时间下混凝土的气体渗透系数，同时采用MIP法测定了粉煤灰混凝土的微观结构参数。在此基础上，研究粉煤灰对混凝土气体渗透时变性的影响，并分析其微观结构参数与气体渗透系数之间的相关性。通过建立混凝土气体渗透性与粉煤灰掺量和龄期的计算模型，研究粉煤灰掺量对混凝土气体渗透系数的时间衰减系数的影响程度。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料与配合比

试验混凝土选用细度模数为2.4的中河砂为细骨料；最大粒径为20 mm的砾石为粗骨料；掺合料采用勃氏比表面积为540 m2/kg的Ⅰ级粉煤灰；水泥选用钱潮牌P.C 32.5复合硅酸盐水泥。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 渗透性测试的试件制备

根据上述配合比，制备尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的长方形试件，测定分析3 个时间点的气体渗透系数，每个龄期每组混凝土试件个数均为1 个。以上各渗透试件都在标准条件(环境温度(20±5)℃，相对湿度95%以上)下分别养护28，60，90 d。除渗透性试件之外，同时制备混凝土强度测试的立方体标准试件(边长为150 mm)，每个龄期每组混凝土试件个数各3 个，在上述相同标准条件下养护28 d后测定其抗压强度。

1.3 试验混凝土的气体渗透性测试方法

混凝土在达到试验方案预设的龄期后，用自动切石机切割以获取气体渗透性试验测试的样本，每个规格的样本数量均为6 片。用压差稳定法测试装置测定其气体渗透系数。

因为气体具有可压缩性，所以修正后的混凝土气体渗透系数为

(1)

式中：μ为气体(本试验为N2)的运动黏性系数，s·N/m2；A为试样的过气截面面积，m2；Q为试验过程中单位时间的气体流量，mL/s；L为试样厚度，m；P为试验压力，N/m2；Pa为大气压力，N/m2。

1.4 试验混凝土的微观孔结构测试方法

混凝土的微观孔结构参数采用美国麦克默瑞提克公司的AUTOPORE 9500型压汞仪测定，用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，质量为2～3 g，试样中大致保留砂浆和骨料的比例一致。测试前需在105 ℃烘箱中连续干燥2 h。

2 试验结果与分析

2.1 试验混凝土的抗压强度

混凝土经标准养护28，60，90 d后测试的抗压强度如图1所示。由图1可知：粉煤灰掺量不超过30%时，28 d混凝土的抗压强度下降较快，60 d和90 d龄期的混凝土抗压强度下降比较缓慢，主要原因是由于粉煤灰的火山灰反应是一个缓慢的过程，它对强度的贡献只发生在后期[9]。当粉煤灰掺量超过30%时，60 d和90 d龄期的混凝土抗压强度下降较快，可能是因为粉煤灰掺量过多后，粉煤灰活性效应将因水化产物Ca(OH)2不足而难以激发，进而导致混凝土强度降低，所以粉煤灰的掺量以不超过30%为宜。

图1 粉煤灰掺量与养护龄期对混凝土抗压强度的影响

2.2 试验混凝土的气体渗透性

不同养护时间下粉煤灰混凝土气体渗透系数如图2所示。图2为混凝土气体渗透系数随龄期和粉煤灰掺量变化的三维图，从图2可以看出：混凝土气体渗透系数随龄期的增长和粉煤灰掺量的增加均呈下降趋势，但气体渗透性随其掺量的增加下降更加明显。此外，还可以发现28 d龄期的混凝土气体渗透系数在粉煤灰掺量为40%时达到最低，90 d龄期时粉煤灰的最佳掺量为50%。出现该现象的原因是由于前期二次水化反应比较慢，粉煤灰掺量越高，水泥浆体中粉煤灰的火山灰反应速率越低[10]。从图2中还可以看出：当粉煤灰掺量超过30%时，相同龄期的混凝土(A4和A5)气体渗透系数变化并不太明显。

图2 粉煤灰掺量与养护龄期对混凝土气体渗透系数的影响

2.3 试验混凝土的气体渗透时变性分析

混凝土气体渗透系数随龄期的增长和粉煤灰掺量的增加总体上都呈下降趋势，但对于每个龄期粉煤灰最佳掺量又是不同的，因此有必要建立模型来估算不同龄期时的粉煤灰最佳掺量。混凝土的气体渗透性和氯离子扩散性相似，都具有明显的时变性[6,9]，两者之间也存在着相关性[11]，因此氯离子扩散时变性也能间接反映气体渗透时变性。氯离子扩散系数与时间变化的关系可以用幂函数的形式来表征，所以也可以用幂函数的形式来表征粉煤灰混凝土的气体渗透系数随时间变化的关系[12-13]，即

(2)

式中：Kg为气体渗透系数，nm2；Kg0为混凝土初始气体渗透系数(28 d)，nm2；t为养护龄期，d；m为气体渗透系数的时间衰减系数。

研究表明粉煤灰对时间衰减系数的影响与其掺量呈线性关系[14]。因此时间衰减系数m可以表示为

m=ap+b

(3)

式中：p为粉煤灰掺量；a和b为常数。

对于混凝土初始气体渗透系数Kg0与粉煤灰掺量的关系，通过拟合发现两者较好地符合线性关系(R2=0.925)，可表示为

Kg0=-25p+39

(4)

根据测得的粉煤灰混凝土气体渗透系数数据，将式(3，4)代入式(2)，通过曲线拟合发现：不同粉煤灰掺量和不同龄期下，混凝土气体渗透系数与龄期和粉煤灰掺量较好地符合下列关系(R2=0.948)：

(5)

建立的混凝土气体渗透系数与养护龄期和粉煤灰掺量的计算模型，可以较好地预测不同龄期下粉煤灰混凝土的气体渗透系数。

2.4 试验混凝土的微观分析

通过压汞法测得混凝土的总孔隙率和临界孔径参数结果如表2所示。探讨粉煤灰掺量对总孔隙率和临界孔径的影响及其时变规律，从而进一步分析其对混凝土气体渗透性的影响。从表2可以看出：不同掺量的粉煤灰混凝土的总孔隙率和临界孔径随养护龄期的的延长不断降低。主要原因是由于随着水化反应的不断进行，生成的C—S—H凝胶逐渐增多，填堵了混凝土内部孔隙结构，使孔隙间连通性降低，从而降低了孔隙率和临界孔径。从表2中也可以看出：随着粉煤灰掺量的增加，同龄期混凝土的总孔隙率和临界孔径随粉煤灰掺量的增加有不同程度的降低，且当龄期超过60 d，粉煤灰掺量超过30%时，混凝土(A4和A5)的临界孔径降低幅度变化不大。

表2 试验混凝土微观孔结构参数

为了进一步分析总孔隙率和临界孔径对混凝土气体渗透性的影响，根据上述测试结果，混凝土A1-A5经过不同养护时间后，总孔隙率和临界孔径参数与气体渗透系数之间的关系如图3，4所示。

图3 试验混凝土气体渗透系数与总孔隙率的关系

图4 试验混凝土气体渗透系数与临界孔径的关系

由图3，4可知：随着粉煤灰混凝土气体渗透系数的减少，其总孔隙率和临界孔径也随之降低，且粉煤灰混凝土的气体渗透系数与总孔隙率和临界孔径存在良好的相关性，相关系数分别为0.748和0.913，所以临界孔径与混凝土气体渗透系数相关性更高，更能反映其气体渗透时变性。

3 结 论

混凝土的气体渗透系数随龄期的增长和粉煤灰掺量的增加均呈下降趋势，但随着养护龄期的延长，混凝土气体渗透性随粉煤灰掺量的增加下降更加明显，当粉煤灰掺量超过30%时，相同龄期的混凝土气体渗透系数变化不太明显。混凝土的气体渗透系数随龄期和粉煤灰掺量变化的关系可以用幂函数的形式进行有效表征，其时间衰减系数随粉煤灰掺量的增加而增大，较好地符合线性关系。粉煤灰混凝土的总孔隙率和临界孔径具有明显的时变性，与气体渗透系数都具有良好的相关性，通过临界孔径能更好地反映其气体渗透时变性。