超细粉煤灰对高性能混凝土耐久性影响研究

第42卷第4期
2010年8月
西 安 建 筑科技 大 学 学报(自然科学版)
J．Xi an Univ．of Areh．& Tech．(Natural Science Edition)
VoII 42 No．4
Aug． 2010
超细粉煤灰对高性能混凝土耐久性影响研究
李益进，孙鑫鹏，尹健
(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)
摘 要：研究了由电收尘气流分选工艺收集的超细粉煤灰对高性能混凝土耐久性能的影响．试验结果表明：超
细粉煤灰提高了高性能混凝土的抗冻性和抗渗性，掺UFA的高性能混凝土其单位面积磨损量均有不同程度
的降低并具有优良的护筋性．超细粉煤灰可以改善高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀性，提高混凝土的耐久性．
关键词：超细粉煤灰；高性能混凝土；耐久性
中图分类号：TU528．2 文献标识码：A 文章编号：1006—7930(2010)04—0521—05
普通粉煤灰在常温下本身活性低，粒径较大，因而将其掺入到混凝土中将使混凝土早期强度低，工
程应用受到限制，而对其进行机械粉磨能耗又较高．电收尘气流分选工艺收集得到的超细粉煤灰(缩写
为UFA)，无须磨细．以UFA取代部分水泥，由于超细粉煤灰大都呈圆球状，能均匀分散于水泥石中起
到了分散、匀质化、致密效应，超细灰之所以均匀分散于水泥浆中，是由于它本身带有同种电荷，由于静
电斥力而维持体系的分散性，事实上超细粉煤灰本身就是一种普通矿物减水剂．超细粉煤灰粒径小，能
填充于水泥颗粒的空隙，改善了水泥基材的孔结构，原来水泥空隙中的水被超细粉煤灰置换出来为流动
性作贡献，起到了减水作用，当然超细粉较大的表面积对流动性又产生了负效应，试验结果表明：正负效
应综合后仍以正效应为主．超细粉煤灰能更好地分散、填充在水泥熟料颗粒之间，起到密实填充作用，使
水泥颗粒能更好地参与水化，UFA较小的粒径也有助于其参与水化，生成更多的水化产物，使得浆体结
构更加致密，浆体强度进一步提高【1 ]．中南大学的研究结果表明：混凝土中掺人20％ ～4O 超细粉煤
灰，减少了混凝土中的水泥用量和拌合用水量，改善了混凝土的工作性能．由于超细粉煤灰的形态效应、
微集料填充效应和火山灰活性，可明显提高混凝土的强度、抗渗性及抗冻性，减少混凝土的收缩 制．
本文研究了由电收尘气流分选工艺收集的超细粉煤灰，等量取代水泥20 9，6～40 ，作为混凝土的
第六基本组成材料，配制高性能混凝土，研究超细粉煤灰对高性能混凝土长期性能及耐久性的影响，为
超细粉煤灰在高性能混凝土中的推广应用提供科学依据．
1 原材料及试验方法
1．1 原材料
水泥：韶峰牌42．5级普通硅酸盐水泥，实测28天抗压强度为53~57 MPa；
砂：湘江河砂，级配合格的Ⅱ区砂，细度模数为2．88；
石：5～20 mm的石灰岩碎石及碎卵石，级配合格，碎石压碎指标为7．6％～8．6 ；碎卵石系指将大
于最大粒径的湘江河卵石轧碎而成碎卵石混和体，其中碎石占51％～53％ ，压碎指标7．7 ～8．0 ；
超细粉煤灰：湘潭电力粉煤灰开发有限责任公司生产，比表面积620 m。／kg；
高效减水剂：萘系高效复合减水剂．
1．2 试验方法
混凝土长期性能和耐久性能按《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法)GBJ 82—85进行．混
收稿日期：2009—08—27 修改稿日期：2010—07—03
基金项目：博士点基金资助项目(2009O162l20036)；铁道部科技项目(2008 G031一R)
作者简介：李益进(1976一)，男，湖南华容人，副教授，主要从事从事高强高性能混凝土方面的研究
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凝土耐磨性能按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程>)JTG E30—2005进行．
表1 超细粉煤灰的化学组成和性能
Tab．1 Chemical compositions and properties of UFA
2 高性能混凝土的耐久性能试验研究
2．1 抗渗、冻性能
表2是掺30~UFA配制的c49高性能化混凝土的抗渗性能试验结果，表3是掺30％UFA配制的
C40高性能化混凝土和掺25％UFA配制的C6O高性能混凝土的抗冻性能试验结果．试验结果表明：掺
30~UFA配制的C40高性能化混凝土抗渗标号>S30，抗冻标号>D200，掺25 UFA配制的C60混
凝土抗冻标号>D300．
表2 掺UFA CA0混凝土抗渗性能试验结果
Tab．2 Test result of permeability of C4o concrete containing UFA
Number 1 2 3 4 5 ， 6
Maximum water pressure／MPa
Average
Seepage Height Maxim—
um
／mm
M inimum
Remark
3．0
15．2 16．8 18．4 12．5 12．1 13．0
l6．2 18．1 21．3 15．2 16．2 14．1
11．0 9．2 16．1 9．3 8．9 10．9
水压一次加到3．0 MPa，稳压8 h。六个试件均未渗水，平均渗水高度14．7 mm．
注：UFA掺量为3O ，坍落度为50 mm，碎石，42．5级普通硅酸盐水泥．
表3 掺UFA混凝土的抗冻性能试验结果
TabJ3 Test result of frost resistance of concrete containing UFA
注：C6O高性能混凝土的UFA掺量为25 ，坍落度为180 mm，碎石，42．5级普通硅酸盐水泥．
2．2 耐磨性能 ．
掺UFA配制的高性能混凝土的耐磨性能试验结果见表4．试验结果表明：采用碎卵石，UFA的掺
量从0增至40％ ，由于UFA的减水增强效应，UFA高性能混凝土单位面积的磨损量均有不同程度的
降低．
表4 掺UFA混凝土耐磨性能试验结果
Tab．4 Test result of wear-resisting property of concrete containing UFA
备注：水泥为韶峰42．5级普通硅酸盐水泥，粗骨料为碎卵石．
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2．3 护筋性能
2．3．1 钢筋锈蚀试验
遵照GB 8076—2008~混凝土外加剂》试验
方法，采用PS-6型钢筋锈蚀测量仪，对UFA
等量取代水泥30 ，40 ，5O ，6O 分别进
行了钢筋锈蚀快速试验，试验结果见图1．
由试验结果可知：当UFA掺量从30 增
加到5O 时，电位值也随之降低，但均经8
rain左右达到析氧电位值并恒定，经过30 min
测试，电位值无明显降低，表明阳极钢筋表面
钝化膜完好无损，高性能混凝土中UFA等量
取代水泥30 ～50 时对钢筋无锈蚀．当
UFA的掺量达到60 时，阳极钢筋电位值先
图1 UFA等量取代水泥时电位一时间曲线
Fig．1 Relationship between potential and time of
cement replaced partially by UFA
向正方向上升，随着又急剧下降，说明钢筋表面钝化膜已经部分受损，故为防止钢筋锈蚀，超细粉煤灰等
量取代水泥时，以不超过5O 为宜．
2．3．2 室内自然碳化试验
采用2005年5月制作的高性能混凝土试件，长期置于室内进行自然碳化试验，混凝土中UFA 的
掺量为3O ，水泥用量315 kg／m。，实测新拌混凝土坍落度50 mm，28天抗压强度53．2 MPa，在2008
年3月26日用铁锤砸开检测混凝土的碳化深度，经检测室内自然碳化深度为0，表明掺UFA高性能混
凝土具有优良的护筋性．
2．3．3 C1一渗透试验 一
表5为C1．．扩散系数试验结果，由表可知：UFA掺量为25 的C60混凝土根据ASTMC1202—94评
价cl一渗透性为很低，掺3O UFA配制的C4O混凝土的Cl一渗透性为低．可以认为当超细粉煤灰掺量
为25 ～3O 时，对钢筋无锈蚀作用．
表5 Cl一渗透试验结果
Tab．5 Test result of chloride permeability
2．4 耐硫酸盐侵蚀性能
2．4．1 原材料及试验方法
成型40 mm×40 mm×160 mm胶砂试件，在20±
3℃潮湿环境中养护1 d后拆模，放置在2O±1℃水中养
护至试验龄期．测定室内水中和盐溶液中长期浸泡、水
及盐溶液中干湿循环条件下各龄期试件的性能变化．试
件标养14 d龄期后取出，浸泡在室内盐溶液和水中，并
开始进行化学腐蚀和干湿循环试验．干湿循环制度为：
表6 胶砂试件配合比主要参数
Tab．6 M ain param eter of mix proportion of mortar specimen
室内溶液中浸泡15 h，75-4-5℃恒温烘干8 h，室内降温1 h，每个循环共24 h，循环次数分别达到10、2O、
30、45、60次时，测试各组胶砂试件的抗折强度，以相对抗折强度评价水泥一粉煤灰胶砂的抗盐结晶膨
胀侵蚀能力，相对抗折强度为在侵蚀溶液中干湿循环试件的抗折强度与在清水中作同样循环次数同组
试件的抗折强度之比值．胶砂试件配合比见表6．
A系列主要考查水胶比对水泥一粉煤灰胶砂抗盐结晶膨胀性能的影响，B系列主要考查超细粉煤灰
掺量的影响．侵蚀溶液采用蒸馏水和无水硫酸钠化学纯试剂配制，sol‘浓度为6 000 mg／L．
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试件在标养条件下养护14 d后，取出用于化学腐蚀和干湿循环的试件置于室内水中和带盖的盐溶
液容器中．
2．4．2 耐硫酸盐侵蚀性能
胶砂试件耐硫酸盐侵蚀系数试验结果如表7所示．试验结果表明：试件在盐溶液中的侵蚀系数介于
1．O～1．10之间．由于试件尺寸相对GB2420—81标准规范中10 mm×10 mm×60 mm试件尺寸较大，6
个月试验龄期可能较短，不一定能全面反映低水胶比胶砂试件的耐硫酸盐侵蚀性能．但对相同配合比试
件在盐溶液中的耐侵蚀性能作相对比较是可行的．试验结果表明：当水胶比在0．4以下，普通水泥胶砂
和掺粉煤灰水泥胶砂试件，试验龄期内均具有较好的耐硫酸盐侵蚀性能．
表7 胶砂试件耐硫酸盐侵蚀系数
Tab．7 Coefficient of resistance to chemical corrosion of mortar specimen
2．4．3 抗盐结晶膨胀侵蚀性能
试件在盐溶液中干湿循环的相对抗折强度随干湿循环次数变化的试验结果如图2和图3所示．其
中图2为水胶比对掺30％超细粉煤灰水泥胶砂试件在盐溶液中干湿循环相对抗折强度的影响，图3为
超细粉煤灰掺量的影响．
Cyclenumber
图2 水胶比对相对抗折强度的影响
Fig．2 Effect of W ／B on relative tensile strength
Cyclenumber
图3 UFA掺量对相对抗折强度的影响
Fig．3 Effect of UFA on relative tensile strength
由试验结果可。知：
(1)在硫酸盐溶液中干湿循环时，胶砂试件相对抗折强度经历一个先上升后下降的过程．先随循环
次数的增加而增大，一般在经1O次干湿循环后，相对抗折强度开始下降．
(2)低水胶比是提高水泥～粉煤灰胶砂抗盐结晶膨胀侵蚀能力的主要因素，水胶比低，抗侵蚀能力
增强．其原因在于低水胶比在减少水泥石孔隙的同时，又使超细粉煤灰在水泥浆中的颗粒填充作用更完
善和更充分，大大增加混凝土的密实性，防止携带侵蚀介质的环境水侵蚀水泥石，从而有效提高了其抗
侵蚀性．
(3)超细粉煤灰掺量在15％～45％试验范围内，即使在胶砂龄期仅为14 d时开始干湿交替试验，并
没有显著降低胶砂抗盐结晶膨胀侵蚀能力．
3 结 论
(1)超细粉煤灰能更好地分散、填充在水泥熟料颗粒之间，起到密实填充作用，生成更多的水化产
物，使得浆体结构更加致密，浆体强度进一步提高，显著提高混凝土的强度、抗渗性及抗冻性．
(2)UFA掺量为25 的C60混凝土根据ASTMC1202—94评价c1一渗透性为很低，掺30 9，6UFA配
制的C4O混凝土的Cr渗透性为低．可以认为当超细粉煤灰掺量为25 ～30％时，对钢筋无锈蚀作用．
(3)UFA掺量从0增至4O ，由于UFA的减水增强效应，掺UFA高性能混凝土单位面积的磨损
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量均有不同程度的降低，耐磨性能提高．
(4)低水胶比是提高水泥一粉煤灰胶砂抗盐结晶膨胀侵蚀能力的主要因素，超细粉煤灰掺量在
15 ～45 时，即使在胶砂龄期仅为14 d时开始于湿交替试验，并没有显著降低胶砂抗盐结晶膨胀侵
蚀能力．
(5)综合考虑抗渗性、抗冻性、耐磨性、护筋性、耐硫酸盐侵蚀等性能，掺入25 ～3O 的超细粉煤
灰，混凝土的耐久性能显著提高，为工程应用提供了科学依据．
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Effect of ultra--fine fly ash on durability of high
performance concrete
LI Yi-jin，SUN Xin—peng，YIN Jian
(Civil Engineering and Architecture College，Central South University，Changsha 410075，China)
Abstract：The effect of ultra—fine fly ash(UFA)collected by electro—static precipitators and airflow classing technology on
durability of high performance concrete(HPC)were investigated．Test results indicated that addition of UFA improved
the frost resistance of concrete and impermeability，unit area abrasion value of high—performance concrete containing UFA
reduced in different degree．It also had excellent protective bars performance．At the same time，UFA could improve the
sulfate attack resistance of high performance concrete．In a word，UFA improved durability of high performance concrete
durability
Key words：ultra-fine fly ash；high performance concrete；durability
Biography：LI Yi-jin，Ph n ，Associate Professor，Changsha 410075， R China，Tel：[phone]—82655277，E-mail：csuhp~@163．~oln