大掺量粉煤灰混凝土的力学性能与耐久性

A. Bilodeau      V.M.Malhotra等等

摘要

本文介绍对美国产8种粉煤灰，两种波特兰水泥配制的HFCC进行新拌与硬化混凝土各种性能研究的结果。试验混凝土中，水与水泥用量分别仅为115Kg/m⁸和155Kg/m⁸左右；而粉煤灰约占胶凝材料总量的55～60%。研究的内容包括新拌混凝土的工作度、泌水率、凝结时间、自生温升和硬化混凝土的抗压、抗折与劈裂抗拉强度、弹性模量、干缩、徐变、耐磨耗等力学性能以及气孔参数、抗冻融循环能力、抗除冰盐性能、抗氯离子渗透的能力以及透水系数的测定。

对试验结果的分析得出的结论是：以本研究中使用的粉煤灰和水泥可以配制出高性能引气大掺量粉煤灰混凝土。这种混凝土泌水小、耐久性良好。唯一的例外是抗除冰盐性能不大令人满意。

在1985年，加拿大能源矿产部（CANMET）开发了高掺量粉煤灰混凝土，一种用低含钙粉煤灰掺量很大的结构混凝土。这种混凝土的水与水泥用量很少，仅115Kg/m⁸和155Kg/m⁸左右；与其相应，粉煤灰要占胶凝材料总量的55～60%。通过使用超塑化剂，它获得了很高的工作度。这种混凝土开发以后，CANMET和其他一些学术机构进行的无数试验表明：HFCC有着极好的力学性能与耐久性能。

1990年，CANMET开始了一项旨在利用几种美国粉煤灰与水泥配制HFCC的基础上，建立工程应用数据库的课题。这项正在进行的课题，是为加州的电力研究院（EPRI）而开展的，与多伦多Radian Canada公司签定了子合同。研究中选用了来源不同，矿物化学成份覆盖范围很宽的8种粉煤灰和两种硅酸盐水泥。

本文提供了采用上述材料配制的HFCC新拌与硬化混凝土各种性能试验得到的结果。

研究意义

目前粉煤灰用于结构混凝土时，掺量限制在水泥用量的25%左右。本研究的目的在于开发粉煤灰掺量约为水泥重量60%的混凝土，增大粉煤灰用量将有助于减轻它的存放问题，一定程度上有助于环境保护。

范围

本研究共配制112拌，每拌0.06m⁸的16种引气混凝土。水胶比（W/C+F）固定为0.33、粉煤灰为胶凝材料总量的58%。

测试了新拌混凝土的性能，包括坍落度、含气量、凝结时间和泌水率、自生温升、成型并湿养护了大量试件，以测定其力学性能，包括不同龄期的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度、弹性模量、耐磨耗、干缩与徐变，还测试了包括抗冻融循环能力、抗除冰盐性能、抗氯离子渗透的能力以及渗透系数等耐久性。

混凝土拌和物

16种引气混凝土，每种拌7盘；A、B、C、D和E共5盘是先进行的；F和G两盘相隔几个月以后才进行的。每种粉煤灰均与两种水泥配制了混凝土，下面详细介绍所用各种原材料。

水泥

所用两种水泥均为ASTM Ⅰ型水泥，细度相近，主要区别在碱含量与C₃A含量不同。两种水泥的矿物组成与化学成份见表1。C₁含碱低、C₃A含量只有6.4%；而C₂含碱高、C₃A含量达11.9%。C₂水泥的3d，7d抗压强度高于C₁水泥。

粉煤灰

所用8种粉煤灰的矿物与化学成份范围很大，其中两种CaO含量较高，有5种CaO含量低于4.5%；含碱高的可达6.75%（Na₂O当量）；其余在1.5-3.5%之间。8种粉煤灰的矿物组成与化学成份见表2。

骨料

级配粗骨料为破碎石灰石，最大粒径19mm；细骨料为天然砂。为保证每种拌和物的骨料级配一致，粗细骨料均经筛分后重新组成一定的级配。粗骨料的密度与含水率为2.69和0.7；细骨料的为2.70和0.8，细度模数为2.74。

超塑化剂

所用为萘磺酸盐甲醛缩合物商品超塑化剂。

引气剂

所用引气剂均为合成树脂类。

拌和物配合比

配合比见表3（A～E盘）和表5（F与G盘）。分级的粗细骨料均在室干状态下称重；然后粗骨料浸水24小时，泌去过量的水，其含水率通过浸水前后称重确定；细骨料加入计算好的水量，放置24小时。

所有拌和物的水胶比均为0.33，都掺有引气剂；水泥与粉煤灰的用量维持一定，控制含气量在5.5±0.5%，调整超塑化剂剂量使坍落度为150±25mm。

拌和物用试验室的反转出料搅拌机拌和，粉煤灰作为单独的组份加入，每盘拌60升。

新拌混凝土的性质

新拌混凝土的性质，包括温度、坍落度、密度、含气量示于表4和5。

试件的制备与成型

每种拌合物都拌制7盘，以制备足够的试件。下面描述这部分研究中为确定混凝土绝势温升、凝结时间、泌水率和力学性能与耐久性而制备的试件。

每种拌和物的D和E盘各成型6个，共12个152×305mm的圆柱体试件，用于测定不同龄期混凝土的抗压强度和弹性模量；

每种拌和物的A盘成型9个76×102×406mm棱柱体试件，用于确定混凝土不同龄期的抗弯强度；

每种拌和物的C盘成型2个152×305mm圆柱体试件和1块305×305×95mm的板，圆柱体试件用于确定劈裂抗拉强度，板用于确定混凝土的耐磨性；

每种拌和物的D盘成型6个76×102×390mm圆柱体试件，用于确定混凝土徐变特性；

每种拌和物的A，B，C和G盘各成型2个152×305mm，F盘成型3个102×203mm圆柱体试件，用于确定混凝土28d的抗压强度；

每种拌和物的A，B，C和G盘各成型2个152×305mm，F盘成型3个102×2043mm圆柱体试件，用于确定混凝土28d的抗压强度；

每种拌和物的A盘成型6个102×203mm圆柱体，用于测定混凝土抗氯离子渗透的能力；另外，每种拌和物的E盘成型2个152×305mm圆柱体试件测定混凝土的透水性能；

每种拌和物的B盘浇筑6个76×102×390mm棱柱体试件和2个280×300×75mm板状试件。棱柱体试件用于测试混凝土抗冻融循环的能力。板状试件用于测试混凝土抗剥落的能力。

对所有各盘料，圆柱体试件和棱柱体试件都分两层浇筑。对152×305mm的圆柱体试件的每层要用插入式振捣棒振密实；其它试件则用振动台振实。板状试件一次浇筑，振动台振实。浇筑后，所有试件都用塑料膜和浸饱水的麻布覆盖。在成型室存放24小时，然后脱模，并移到相对湿度为100%的养护室养护直至试验。测定干缩的棱柱体是放在饱和石灰水里养护的。

试件的测试

在自动养护箱内放两个152×305mm的新拌混凝土圆柱体，在它们中心放置热电偶，用于测试绝热温升，养护箱符合ASTM C684“混凝土抗压试件的制作、加速养护和测试”中步骤C的要求，每隔30min记录一次温度，连续记录48小时。

D和E盘成型的各6个圆柱体试件测定龄期至2年的抗压强度，每个龄期测两个，每盘一个；为了对比，测定了28d时A，B，C和G盘各成型的两个152×305mm的以及F盘的3个102×203mm的圆柱体试件的抗压强度；测试了D和E盘各4个圆柱体28d，91d，1年与2年龄期的杨氏弹性模量；9个A盘的棱柱体用于测定14d、91d和2年龄期的抗折强度；C拌的两个圆柱体用于确定28d混凝土的劈裂抗拉强度。测试了每盘各一块板在91d湿养护后的耐磨性；所有拌和物的D盘中成型的棱柱用于测试在饱和石灰水存放7至91d后的干缩，5个圆柱体在养护约130d后测徐变。B盘成型的6个棱柱体试件经14d湿养护后用ASTM C 666A方法测定其抗反复冻融循环的能力；另外两个棱柱体试件进行抗弯试验，以确定受冻前的抗折强度。从棱柱体试件锯下一截用于测定硬化混凝土的气孔结构；八下的4个棱柱体试件在进行冻融试验前，放到温度为4.4±1.7℃的冷水箱里，受冻融试件以及对照试件的初始及后来的测定，都是这个温度下进行。初始测定后，两个试件放在冻融箱中，另两个参照试件放在湿养护室里作对比。冻融试验后，对比试件与受冻融试件均进行抗折强度试验。

B盘成型的两块板经14d养护后，从湿养护室移到相对湿度为50±5%、温度为23±1.7℃空气中存在14d，然后用3%氯化钠溶液进行每天一个循环的冻融试验，经5个循环后，更换新液，并进行表观检测，收集剥落碎片。

A盘成型的102×203mm试件分别在28d、91d、365d进行快速氯离子渗透试验（AASHTO T277-83）。

渗透性试验采用CANMET提出的方法测定。该试验用152×305mm圆柱体试件切割成厚度50mm的试件，加水压2.8MPa，测出透水体积或劈开未透水的试件，测出透水深度。

测试结果

表6所示为混凝土拌和物的泌水率和凝结时间数据；绝热温升的测试结果见图1和2；最大温升见表6；圆柱体试件的密度在1d测试，其结果见表7，表7不定期给出了抗压强度试验结果，绘于图3和图4；28d，91d和1年的弹性模量测试结果见表8；14d和91d的抗折强度和28d劈裂抗拉强度数据见表9；耐磨耗数据见表10；干燥收缩试验结果总结于表11和12；部分徐变数据列于表13。硬化混凝土的气孔特性见表14；经过1000次冻融循环后的试验结果，包括耐久性系数见表15；参照棱柱体和试验棱柱体经冻融循环后的抗折强度见表16。经50～100次3%氯化钠溶液冻融循环后，板状试件表观检查结果及剥落物总量见表17。混凝土抗氯离子渗透的数据见表18；抗氯离子渗透的能力与龄期的关系曲线分别见图5和图6；混凝土渗透性的部分数据见表19。

·超塑化剂的掺量与坍落度

超塑化剂的掺量变化范围较大，对不同的混凝土拌和物来说，在胶凝材料总量的0.4～1.3%之间。拌和物的流变性能也有差异，一些拌和物只需要较小的坍落度，就可以获得相似的振动效果，把这种拌和物的坍落度增大到一定值，则可能导致离析并浪费大量超塑化剂。这种超塑化剂所需剂量上的差别，可能是由于粉煤灰的细度与组成不同造成的，之间的关系尚不清楚。

一般说来，用C₂水泥配制的混凝土，比用C₁所需的超塑化剂掺量大，这可能是前者含C₃A高的缘故。

·泌水率

用C₂水泥配制的混凝土，总泌水量在1.4～8.9ml/cm²，小到可以忽略的程度（表6）。因为两种水泥细度接近，泌水率小可能也是因为它C₃A含量高的缘故。看来粉煤灰对泌水的影响与其细度没有明显的关系，表3和表6的数据显示出：泌水率最大的拌和物所需超塑化剂用量最小。

·凝结时间

初凝时间与终凝时间分别为4:50～12:51和6:28～13:24之间，除了7号拌和物可能超过13:24（见表6）。用C₁水泥配制的混凝土，其初凝时间与终凝时间均较长，无论用的是哪种粉煤灰，这可能还是因为C₂和C₃A高的缘故。对于同种水泥配制的混凝土，凝结时间的差别也相当大，除了含碱量较大、凝结时间最短的F₃以外，用粉煤灰的特性解释不了其中的差别。

·自生温升

表6中的数据表明：采用C₂水泥配制的混凝土，温升总要高于C₁水泥的，图1和2还表明：采用C₂水泥的混凝土达到最大温升的时间，总要比用C₁水泥者早几个小时，这是由于C₂水泥水化较快，凝结时间上的差异也反映了这一点。

对于使用同种水泥的混凝土，不管粉煤灰的品种，最大温升相近，F3除外，这种粉煤灰的含碱量高，为观察到的现象提供了合乎逻辑性的解释。

·抗压强度

抗压强度数据见表7和图3与4。采用C₁水泥的1d强度在3.1～9.7MPa；而采用C₂水泥者则在8.4～13.9MPa。掺F3粉煤灰的混凝土显示较高的1d强度，两种水泥均如此。这些混凝土的凝结时间短、温升高，表明其水化过程快。

7d令期采用C₂水泥的混凝土强度继续高于采用C₁水泥的，在28d和91d时，C₂水泥仍然为掺低钙粉煤灰的混凝土提供较高的强度；但对高钙粉煤灰不是这样，它的强度在采用C₁水泥时较快。

数据表明：对于所有的粉煤灰，采用C₁水泥的混凝土在91d和1年之间的强度发展总是要高于采用C₂水泥者。因此，对于低钙粉煤灰混凝土，两种水泥在1年龄期时的强度差别已经变得较小或难以察觉，而对于同钙粉煤灰混凝土，采用C₁水泥时的强度较高。

粉煤灰在混凝土中的表现决定于所用水泥的牌号，另外，测试龄期是影响不同胶凝材料有关性能的重要因素。

·杨氏弹性模量

28d为32.1～39.5GPa；91d为36.6～42.0GPa；1年为39.8～45.6GPa（表8）。和抗压强度的情况一样，对任一粉煤灰，用C₂水泥配制的混凝土28d弹性模量较用C₁水泥的大；而91d和1年龄期使用两种水泥的相近。所得E值较高，但与以前CANMET的研究得到的结果相当。

·抗折强度

14d和91d的抗折强度分别为3.4～6.1MPa和5.2～6.8MPa（表9）。对任一粉煤灰，用C₂水泥配制的混凝土总是比C₁水泥的高；但91龄期时，两种水泥混凝土的抗折强度大体上接近，这一趋势与抗压强度的情况很相似。

·劈裂抗拉强度

28d劈裂抗拉强度为2.5～3.9MPa（表9）。这些值约为28d抗压强度的8～10%，与其它已发表的强度接近的硅酸盐水泥混凝土的数据相当。

·耐磨耗

混凝土的耐磨耗性能存在明显的差别，这些差别不能完全用测试耐磨耗性能时相应的强度等级来解释。一些混凝土比其他强度相近，甚至还低一些的混凝土更耐磨得多，例如，91d抗压强度为48.9MPa的No.15混凝土的耐磨性能比抗压强度分别为39.5和48.9MPa的11与9好拌和物差（表10）；看来控制耐磨耗性能的因素是试件表面的质量，对一些混凝土拌和物，坍落度大可能导致板状试件成型时发生轻微的离析，产生一层含水泥浆和砂浆多，但粗骨料少的薄层，它通常会削弱混凝土的耐磨性。

干燥收缩

表11和12分别给出水养护7d和91d后的干燥收缩值。用C₂水泥配制的混凝土，在干燥前于水中养护了7d后，比用C₁水泥者的对比混凝土收缩略大，这一现象对于干燥前已水养护91d者不存在，总的说来，两种混凝土的收缩应变很接近。

在干缩值与粉煤灰品种间未发现明确的关系。干燥时间相同时，水养护91d的混凝土，通常比干燥前水养护7d的情况，在224d干燥结束时的收缩应变为400～600×10^-6，而水养91d的混凝土则为350～450×10^-6，这些收缩应变值与以前CANMET对配合比相近的硅酸盐水泥混凝土的研究所得结果相当或偏低。

·徐变

部分混凝土的徐变数据列于表13。在施加12.2MPa恒定应196d后，徐变为277～364×10^-6，以单位应力下（MPa）的徐变为比徐变，该值为22.7～29.8MPa×10^-6。总的说来，这些值与以前对类似的水泥与粉煤灰来源不同，但所加应力相近的大体积粉煤灰混凝土的研究结果相当。

·含气量与引气剂的剂量

引气剂的用量要保证混凝土含气量在5～6%之间，具体用量受粉煤灰影响很大；一定程度上也受到水泥牌号的影响；不同粉煤灰的影响可能由于多种因素所造成，包括含碳量、含碱量以及细度等。如C₂所需引气剂剂量较大，可能与其含碱量较高有关。

·硬化混凝土的气孔特性

有些人提出：使用超塑化剂会增大气孔的平均孔径，从而加大硬化混凝土的气孔间隔系数，本研究中尽管有时超塑化剂的剂量很大，所有混凝土的气孔特性都很好。间隔系数自0.111～0.212mm；比表面积为25.7～43.3mm²/mm³（表14）。

·抗冻融循环能力

混凝土棱住体试件抗冻融循环的能力通过测试试验前后试件的重量、长度、共振频率和脉冲速度以及耐久性系数计算来衡量（表15）。冻融循环结束以后，对比试件和试验试件均进行弯曲破坏试验（表16）。

经300次循环，试件表现出很好的抗冻融循环能力。300次循环后，试验继续至1000次循环，这主要是考虑到特别严酷的暴露环境。除6号拌和物外，所有混凝土都显示很强的抗冻融循环能力，6号拌和物的耐久性系数为67，呈现某种受破坏的迹象，但还属于可以通过的范围。

尽管总的来说性能不错，如耐久性系数高，但所有混凝土由于表现剥落，都出现明显的失重。特别是经过1000次循环后，失重达到2.24～10.93%，HFCC由于冻融循环出现的表面剥落，在以前的研究中也注意到过。所有混凝土经300次循环出现的膨胀小于0.020%，可以忽略；除6号拌和物外，其它所有的经过1000次冻融循环后的膨胀值小于0.066%，是可以接受的。耐久混凝土的膨胀极限为0.10%；6号混凝土经延续冻融循环后出现不可接受的膨胀值0.154%。试验数据表明：所有混凝土经300次循环后脉冲速度变化很小，但经1000次循环后有些混凝土的脉冲速度出现明显的变化。

混凝土的残余抗折强度通常在65～95%之间（表16），一般是可接受的。只有 6号试件强度损失明显，残余强度仅29%。

试验数据表明：经过1000次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态，被适当的气孔结构保护得很好。但表面剥落不时发生，这可能会引起HFCC表面显著破坏。

·抗除冰盐能力

板状试件在撒除冰盐后的表观检查表明：所有的HFCC在这一点上表现很差（表17）。除5号混凝土外，在50次循环后表观等级为4级，其它都为5级。根据ASTM标准，4级与5级对应于中度剥落和严重剥落。

所有混凝土的累计剥落量都很大：50次循环后为2.3～9.34Kg/m²；100次循环后为3.42～12.10Kg/m²。

适当的气孔特性为混凝土抗冻融循环能力提供了良好的保护，但它们不能阻止冻融循环和除冰盐共同作用下，混凝土表面的剥落。气孔特性是根据混凝土试件上切下的小片试件确定的，这可能和板状试件不一样，尤其在顶面外。板状试件在抹面时，可能气孔结构会显著地变化，使其在除冰盐存在时经受不住冻融循环的作用。这一点可以解释混凝土抗除冰盐能力差的现象。

混凝土抗除冰盐能力受所用粉煤灰的影响显著，这可以从剥落量波动大看出来。另一方面，粉煤灰相同时，用C₁水泥配制的混凝土与C₂水泥的剥落量没有明显的区别。

·抗氯离子渗透能力

表18中的数据表明：所有混凝土抗氯离子渗透的能力都很强，特别是在后期。通过的电量28d为494～2175库伦；91d为221～635库伦；1年后为119～179库伦。这证实了HFCC具有良好的抗氯离子渗透的能力。3个龄期的试验数据与以前的研究结果是一致的。

数据表明：用C₂水泥配制的混凝土比C₁水泥的抗氯离子渗透能力更好。二者的差别随龄期延长而减小，1年后消失。

混凝土抗氯离子渗透的能力随龄期的变化见图5，它表明：在28d时，不同混凝土通过的电量存在很大的差别；随着龄期增长，差别逐渐减小。

不同龄期混凝土抗氯离子渗透的能力（用电量表示）和混凝土抗压强度的关系见图6。

这种关系表明：不同混凝土28d、91d抗氯盐渗透能力的巨大差异，特别是C₂水泥配制的混凝土具有良好的抗力，可能是由于不同水泥、粉煤灰组合条件下，水化反应与凝结硬化速度不同导致的混凝土在孔隙率上的差异所引起。

·透水性

混凝土透水性的部分数据见表19。混凝土的渗透系数是当水流达到稳定以后，经过一段时间测定的。除一个试件渗透系数较高，为1.03×10^-12m/sec外，其余仅为1.6×10^-14m～5.7×10^-13m/sec。在未透水的情况下，把试件劈开来测定透水透度。据推测，这种情况下渗透系数小于1.6×10^-14m/sec。

结论

采用化学组成和细度在很大范围内的水泥与粉煤灰，可以配制出整体性能良好的大掺量粉煤灰混凝土，这些性能包括工作度、泌水率、凝结时间、温升和各种力学性能、耐久性能。

不同混凝拌和物的流变性能变化很大，这可以归因于水泥和粉煤灰化组成与细度的差异，诸如泌水率、凝结时间和自生温升等性能也明显受到所用水泥与粉煤灰的特性影响。

所有混凝土在91d龄期的抗压强度均达到40～50MPa；使用C₂水泥配制的混凝土比C₁水泥的早期强度高；前者在掺有各种粉煤灰时的1d强度为10MPa或更高一点；水泥对强度的影响随着龄期增长而逐渐减弱；在后期对于掺低钙粉煤灰混凝土已很不重要；对高钙粉煤灰混凝土，则完全消失。所研究混凝土的90d杨氏弹性模量为40GPa量级。

在混凝土所用粉煤灰品种和干缩之间不存在明显的关系，水养护从7d延长到91d，所有混凝土的收缩都减小。总的说来，水养护7d后变值为400～600×10^-6，而91d后则为350～450×10^-6。

在所研究的范围内，徐变较小，一般在300×10^-6。

所有引气的HFCC显示了很好的耐久性能，包括抗冻融循环能力、抗氯离子渗透的能力和透水性。然而，HFCC的抗除冰盐性能不能令人满意，这方面还需进一步研究。

HFCC的引气没有什么困难，适宜的间隔系数（<0.2mm）和比表面积（>25mm²/mm³）在所有试验中的混凝土均达到了。

根据ASTM C 666A试验经1000次冻融循环后，除一种情况耐久系数为67以外，其他耐久系数均很好。

HFCC在91d湿养护后显示了很好的抗氯离子渗透能力，电量均小于650库伦，和硅酸盐水泥混凝土相比，这个测值令人满意。

所试验混凝土的渗透性很小，透水率接近10^-6m/sec。

本文译自Materials Journal 1993 Nov-Dec and 1994 Jan-Feb. 丁建彤  程进兴译  覃维祖校

编者按：

此翻译文章由清华大学覃维祖教授推荐。这篇文章是相对比较老的文章，但它解答了当今混凝土工程界的一些疑问，比如减水剂、引气剂掺量非固定值，混凝土中适当引气能明显改善混凝土硬化后的抗冻性能，粉煤灰掺量的多少问题。在我国，虽然理论研究已表明大体积粉煤灰混凝土具有各方面的性能优势，但由于长期以来粉煤灰一直是“废料”，导致人们在使用它时有这样那样的疑虑，不敢放手应用，甚至在一定时间阶段内，还对粉煤灰的掺量上限做了严格的限制。这篇文章系统地解答了这些问题，不失为一种参考标准。为此我们在网站中分享此文章，目的是取消疑虑，大胆创新，在混凝土工程中尽可能地应用现代混凝土技术，配制生产出性能优良的混凝土，保证最终结构满足设计要求且具有耐久性，保证混凝土持续发展。

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