超细粉煤灰对混凝土性能和耐久性的影响

引言

混凝土在公路建设中占有重要地位，是世界上仅次于水的第二大使用材料。混凝土是建设社会和经济发展所必需的基础设施的重要组成部分，但也带来了负面的环境影响。由于混凝土力学性能好、寿命长且成本低廉，在许多场所难以被其他材料替代。然而，生产混凝土消耗了大量的能源和原材料，排放大量的温室气体，对环境影响很大。

水泥是混凝土生产中的重要组成部分，水泥生产是仅次于能源和交通部门的第三大CO2排放来源。从可持续性的角度来看，这是有问题的。公路建设行业面临着能源成本的持续增长，减少CO2排放的义务和承诺，以及对质量和数量都合适的原材料的需求。随着发展中国家对筑路材料的需求继续增长，公路行业想要可持续发展，就必须采用替代材料。在可持续道路应用中使用回收材料是最合适的选择之一，因为其数量大，质量要求低，而且施工地点广泛。

粉煤灰是煤燃烧的副产品，与其他掺合料一起，被广泛用于混凝土中的水泥的替代品，由于粉煤灰的火山灰反应是一个比较缓慢的过程，其对混凝土强度的贡献主要发生在龄期后期，因此早期强度降低较为明显。为了克服粉煤灰的慢反应性缺点，从提高熟料效率的角度来看，对矿物粉体进行加工，获得比水泥更细的超细材料，可使颗粒堆积更致密，并可提高粉煤灰的反应速度，从而获得更致密、更耐用的混凝土结构。

该文研究了超细粉煤灰作为混凝土中的水泥替代品。采用粉尘等离子体分离技术对粉煤灰进行处理，得到超细粉煤灰。该文的研究目的是确定超细粉煤灰对混凝土工作性、力学性能（抗压和弯曲强度）和耐久性（电阻率、碱硅酸反应、氯离子迁移和抗碳化）的影响。

材料与方法

1.1 材料

该文使用了2种水泥，普通硅酸盐水泥（P.O）和矿渣硅酸盐水泥（P.S）。水泥型号分别为P.O42.5和P.S42.5，密度分别为3115kg/m3和3062kg/m3，堆积密度分别为1366kg/m3和1352kg/m3。2种水泥的粒径分布如图1所示，2种水泥的化学成分和烧失量见表1。

该文采用粒径小于4.6μm的超细粉煤灰（FA）。粒径分布如图1所示。FA的密度为2562kg/m3。FA的化学成分和烧失量见表1。

该研究使用了常规的混凝土骨料：细骨料为河砂，粗骨料为级配合理的碎石灰石。河砂的细度模数为3.12，密度为1436kg/m3，吸水率为1.17%。碎石灰石的细度模数为6.53，吸水率为0.58%，压碎值为18.72%。采用的减水剂为聚羧酸醚（PCE）高效减水剂。

1.2 试验程序

1.2.1 混凝土配合比

试验配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》为依据，该研究共制备了6组混凝土，使用普通硅酸盐水泥（P.O）和矿渣水泥（P.S）。FA替代水泥用量的质量百分比分别为0、15%和30%。其中FA替代率为0的2组为对照组。在该研究中，每组混凝土混合成分的水胶比恒定为0.45。各组混凝土的配合比见表2。

 1.2.2 工作性测试

试样脱模后置于（20±2）℃水浴中固化至试验龄期。坍落度测试按照GB50164—2011《混凝土质量控制标准》进行。按照标准要求用压力表法测定新鲜混凝土的空气含量。

1.2.3 力学性能测试

按照GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块用于抗压强度试验。浇筑1天后脱模，将混凝土试块放入水中养护，分别在第七天、二十八天、六十天和九十天龄期对混凝土试块测试，以确定其抗压强度。每个龄期每组测试3个混凝土试块，取平均值作为混凝土试块的抗压强度。

1.2.4 耐久性测试

利用温纳装置，采用高密度电阻率法对混凝土试块进行了电阻率测量。电阻率试验使用圆柱体混凝土试样，圆柱体的尺寸高为200mm，ø为100mm。对每组混凝土混合物，在混凝土生产后的第三天、七天、十四天、二十一天、二十八天、三十五天、四十二天、四十九天、五十六天、六十三天、九十天二百七十天对圆柱体进行测试。采用28天龄期的圆柱体混凝土试样进行氯化物渗透试验，每组混凝土一次测试6个混凝土试件，圆柱体混凝土试样φ为100mm、高度为50mm。除混凝土顶部表面外，混凝土试样表面涂满不收缩的环氧树脂。然后，将所有试样浸泡在装有3%的NaCl溶液的测试容器中90天和180天。然后垂直劈开混凝土试样，喷洒0.1%的AgNO3标准溶液，分析氯离子渗透深度。根据GBJ82—82《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，采用尺寸为50mm×50mm×100mm的试样对混凝土的抗碳化性进行测量。将试样在实验室室内保存2个月，将它们暴露在温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±10）%、CO2含量为1%的环境中。纵向劈开试样，在分裂试样上喷洒1%含量的酚酞溶液，测定试样的碳化深度。碱硅酸反应试验按照我国《水工砼试验规程》中“骨料碱活性检验（砂浆长度法）”进行。浇筑尺寸为25mm×25mm×285mm的棱形试件，浇铸24小时后脱模。将试件浸泡在NaOH溶液中，观察并记录7天和28天龄期试件的膨胀率。

结果和讨论

2.1 混凝土的工作性

混凝土的坍落度如图2所示。随着FA替代率增加，混凝土坍落度逐渐增大，混凝土具有较高的流动性。这表明，使用FA可使混凝土获得更好的工作性。此外，与P.S混凝土相比，FA对P.O混凝土的流动性影响更明显。混凝土的空气含量试验结果如图3所示。随着FA替代率增加，混凝土空气含量逐渐减少，混凝土更密实。与P.O混凝土相比，随着FA替代率增加，P.S混凝土的空气含量减少的更明显。

2.2 混凝土力学性能

从各组混凝土不同龄期的抗压强度可以看出，掺入FA的混凝土，早期龄期的抗压强度小于对照组，对P.O混凝土来说，P.O15和P.O30的抗压强度均与对照组相近，由此可以推断，细度越高，火山灰反应性越快，而不是常规粉煤灰导致发展强度较慢。当90天龄期时，P.O15的抗压强度与对照组相同，P.O30的抗压强度为88MPa，比对照组高了6.8%。对P.S混凝土来说，从图3中可以看出，当7天和28天龄期时，掺入FA的混凝土抗压强度均小于对照组。考虑到P.S混凝土中产生Ca（OH）2的硅酸盐水泥熟料较少，因此，与P.O混凝土相比，P.S混凝土的抗压强度较低。尽管使用的FA替代率不同，但3组P.S混凝土的抗压强度在60天和90天基本相同。FA的替代率对P.S混凝土的抗压强度几乎无影响。

2.3 混凝土电阻率

混凝土不同龄期的电阻率结果显示，当在早期龄期，即3天和7天时，对照组电阻率略高于掺入FA的混凝土。这是由混凝土的密度大、孔隙少的微观结构导致的。从14天龄期开始，掺入FA的混凝土的电阻率就超过了对照组。原因是FA的水化反应比水泥的水化反应开始的晚。从21天到28天龄期，不同的混合物之间是分开的。无论是P.O混凝土还是P.S混凝土，FA替代率为30%的混凝土电阻率最高，FA替代率为15%的混凝土电阻率次之，对照组最低。当270天龄期时，P.O混凝土的P.O30的电阻率为976kΩ/cm。与相同龄期的对照组相比，该值高出7.75倍。P.S混凝土的P.S30在270天之后得到的电阻率为858kΩ/cm，为对照组的2.3倍。可以看出，所有掺入FA的混凝土在后期龄期的电阻率都迅速上升。然而，对照组后期电阻率增长并不明显。因此，FA替代率越高，电阻率越高，后期的耐腐蚀性也就越大。这是FA的火山灰反应导致的结果，该反应开始较晚，但持续时间长于水泥水化反应时间。

2.4 碱硅酸反应

碱硅酸反应（ASR）试验结果表明，在混凝土中掺入FA之后，ASR膨胀率明显降低。在浸泡28天后，FA替代率为30%是控制膨胀的最佳方案。对P.S混凝土，FA替代率为30%仍然是控制膨胀的最有效方案。在NaOH溶液中浸泡28天后，P.O0的膨胀率明显大于P.S0的膨胀率，P.O0的膨胀率约为P.S0的4倍。这种膨胀差异是因为P.O0比P.S0中的碱量更大（见表1）。因此，水泥的选择也是限制膨胀的重要因素，从而防止有害的ASR。根据测试方法要求，在NaOH溶液中储存16天后膨胀阈值为0.10%。如果膨胀超过这个阈值，就需要采取预防措施，在材料选择方面，最大限度地减少混凝土的ASR损害的风险。储存28天后的结果显示，P.O0在16天后的膨胀率将远远高于极限值，这使几乎不可能避免有害的ASR。另一方面，P.S0的膨胀在16天后可能不会超过这个最大值。FA的掺入减少了试件的膨胀，并确保不接近极限值。这也证明了FA的掺入和水泥种类的选择对耐久性的影响。

2.5 混凝土抗氯离子渗透性能

如图4所示，混凝土中添加FA对氯离子迁移系数有积极的影响，对比2组对照组混凝土，P.O0的氯离子迁移系数明显高于P.S0。在掺入FA的混凝土组合中，P.O15和P.O30的迁移系数比P.S15和P.S30的略低。由此可见，在混凝土中掺入FA能有效增强混凝土的抗氯离子渗透能力。这可能是由于FA的细度导致混凝土更密实。当FA替代率为30%时，使用P.O水泥，混凝土抗氯离子渗透能力最强。

2.6 混凝土抗碳化性能

混凝土与大气中的CO2能够发生碳化反应，从而降低混凝土的内部pH值，并会导致钢筋腐蚀。各组混凝土的碳化试验结果显示，FA的替代率增加对混凝土的抗碳化性能产生消极的影响。混凝土碳化的速率随FA替代率增加而增加。对比P.O混凝土和P.S混凝土，P.S混凝土的碳化深度更大。

结论

该文使用粒径小于4.6μm的超细粉煤灰（FA）替代普通硅酸盐水泥（P.O）或矿渣硅酸盐水泥（P.S），在质量替代率为0、15%和30%的情况下。研究了超细粉煤灰对混凝土性能和耐久性的影响。试验结果表明：

1）随着FA替代率增加，混凝土坍落度逐渐增大，混凝土空气含量逐渐减少。

2）添加FA的混凝土，早期抗压强度略低于对照组混凝土。对P.O混凝土，当FA替代率为30%时，28天龄期的抗压强度已经与对照组混凝土的抗压强度相当，后期抗压强度比对照组提高了6.8%。对P.S混凝土，FA的替代率对混凝土后期的抗压强度几乎无影响。

3）在耐久性方面，用FA替代水泥对混凝土的电阻率、氯离子迁移系数和碱硅酸反应均有积极的影响，对比P.O混凝土和P.S混凝土，用FA的替代水泥对P.O混凝土的影响更显著。FA的替代率增加对混凝土的抗碳化性能产生消极的影响。