一种含有矿物掺合料的高性能泵送混凝土

摘要

本发明公开了一种含有矿物掺合料的高性能泵送混凝土，其含有矿物掺合料，所述的矿物掺合料添加量为混凝土胶凝材料总重量的20－70％。所述的矿物掺合料为粉煤灰掺合料、矿渣粉或SP掺合料。本发明的高性能泵送混凝土可大幅提高混凝土的工作性能、物理力学性能和耐久性能，其对混凝土性能的改善起着比水泥更重要的作用。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种高性能泵送混凝土，更特别的涉及一种含有矿物掺合料的高性能泵送混凝土。

二、背景技术

混凝土是应用最广、使用量最大的工程结构材料，混凝土技术正向高性能和长距离泵送方向发展，粉煤灰等矿物掺合料已成为配制高性能泵送混凝土中必不可少的重要组分和功能性材料。它对混凝土的工作性、可泵性、密实性、体积稳定性以及耐久性的改善是第一位的，其经济性是第二位的。

2004年我国混凝土总用量已达15亿立方米，预拌混凝土用量2.2亿立方米，水泥产量8.6亿吨，约占世界总用量40％以上，是目前世界上混凝土用量最多的国家，也是名副其实的水泥生产大国。混凝土材料不仅是资源和能源的消耗大户，同时也是重要的环境污染源之一。所以混凝土科学与技术的发展将会直接影响到人类今后的生存与发展。为了给人类创造一个可以生存的环境，给子孙后代留下一个繁衍生息的空间，中国混凝土工业必须注重资源、能源的合理使用，注重保护环境，走可持续发展的道路，这也是混凝土矿物掺合料自出现以来就受到人们普遍关注的重要原因之一。

矿物掺合料是制备性能混凝土的主要组份和功能性材料之一，起着从根本上改变混凝土性能的作用，与水泥一样统称为主要胶凝材料。

目前我国所用的掺合料多为工业废料，据了解粉煤灰在我国的年产量约为2亿多吨，高炉矿渣粉的产量也很大。国家为了鼓励粉煤灰等工业废料的应用，在减免税收方面也制定了相应的鼓励政策，规定在混凝土中的使用量达到体积比的30％以上时，可减免所得税、流通税等。但在国家现行的规范、标准中，又规定一般掺量不超过水泥用量的20％，使国家的鼓励政策不能很好的实施和落实，造成这种局面的原因是多方面的，但主要是缺乏相应技术研究成果的系统支持。

三、发明内容

本发明的目的之一是提供一种含有矿物掺合料的高性能泵送混凝土。

本发明的目的之二是提供一种含有粉煤灰、矿渣粉或SP掺合料的高性能泵送混凝土。

本发明的这些以及其他目的将通过下列详细描述和说明来进一步体现和阐述。

本发明的高性能泵送混凝土，含有矿物掺合料，所述的矿物掺合料添加量为混凝土胶凝材料总重量的20-70％。较好的是，所述的矿物掺合料添加量为混凝土胶凝材料总重量的35-50％。

本发明的高性能泵送混凝土中，所述的矿物掺合料为粉煤灰、矿渣粉或SP(以硅、铝、铁、钙为主要成分的复合掺合料)掺合料。其中当采用粉煤灰和矿渣粉的复合物时，二者的重量比为1∶1-2，较好的是，二者的重量比为1∶1.5。当采用粉煤灰和SP掺合料的复合物时，二者的重量比为1∶1-3，较好的是二者的重量比为1∶1或3∶7。

在本发明中，SP掺合料是以硅、铝、铁、钙为主要成分的复合掺合料，FA是以粉煤灰与矿渣粉为主导材料的复合物。所述的SP掺合料可以由60-80重量份SiO₂，5-15重量份AL₂O₃，8-15重量份Fe₂O₃和3-5重量份CaO组成。所述的FA掺合料可以由30-60重量份粉煤灰和40-70重量份粒化高炉矿渣粉组成。如果有必要，SP掺合料和FA掺合料可以从北京东方建宇混凝土科学技术研究院有限公司购得。

在本发明中，以粉煤灰等为代表的活性矿物掺合料可大幅提高混凝土的工作性能、物理力学性能和耐久性能，其对混凝土性能的改善起着比水泥更重要的作用。在目前常规用水量和水胶比的前提下，不同掺合料的适宜掺加量是不同的。一般而言，以水泥重量为标准，粉煤灰的最大掺量不超过30％，矿渣粉的最大掺量不超过50％，粉煤灰与矿渣粉复合后(3∶2)的最大掺量也不超过50％，I级粉煤灰与SP掺合料复合后掺量可放宽到60％。矿物掺合料的掺量与水胶比有重要关系，随水胶比的降低，掺合料的掺量可做适当调整。

通过采用新型外加剂获得的小水胶比高掺量粉煤灰混凝土(水胶比在0.35以下)，即使粉煤灰掺量达到50％以上时，混凝土仍有较高的早期强度和后期强度，且后期强度在稳定增长。

高强混凝土具有较高的早期强度，且强度离散性大。控制水胶比在0.25-0.31之间，胶凝材料总用量550kg/m³左右，采用不同品种的掺合料及其不同比例的复合物，保持掺合料掺量在25-30％之间，都可稳定配制出C60-C80等级的混凝土。

I型复合掺合料(粉煤灰与SP掺合料，以5∶5复合)，有特殊的早期增强效果，高掺量时早期增强效果很大，而在0-70％掺量范围内，掺量对混凝土强度无显著性影响，早期强度效果随水胶比的减小而增大。它可彻底弥补粉煤灰活性低、特别是早期强度低的特性，具有特殊使用价值。II型复合掺合料(粉煤灰与SP掺合料，以7∶3复合)早期强度虽低，但后期强度发展与I型基本相同，使用II型复合掺合料后经济效益显著提高。

与不掺粉煤灰的空白混凝土相比，高掺量粉煤灰混凝土的各种力学性能均由不同程度的下降，但拉压比有所提高，这对提高混凝土的抗裂性非常有利。

混凝土中掺加粉煤灰后，可有效减轻混凝土的早期自收缩，降低水泥的水化热，改善混凝土的密实性，提高抗氯离子渗透的能力，它不会增加混凝土的干缩，同时抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀能力优越。但高掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力差，耐磨性差，抗锈蚀能力差，当对这些性能有较高的要求时，应采取适当的措施予以控制，如适当降低粉煤灰的掺量，采用小水胶比，适当提高保护层的厚度等手段来弥补这些缺陷。

从微观结构的分析结果来看，高掺量粉煤灰混凝土结构致密，孔隙率较低，有害孔和水化产物Ca(OH)₂较少，因此在宏观上表现为综合耐久性能优越。

四、附图说明

图1是混凝土干燥收缩值。

图2是混凝土72h自收缩曲线图。

图3是混凝土绝热温升曲线。

以下通过具体实施例来进一步说明本发明，但实施例仅用于说明，并不能限制本发明范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、量均为以总重量为基础的重量单位，所有的原料均可以从市场购得。

五、具体实施方式

1、高掺量粉煤灰及其复合掺合料混凝土力学性能

采用I级粉煤灰等量取代水泥30％和50％，常用混凝土等级的水胶比0.50和0.35，为对比还配制了不掺粉煤灰混凝土，其中一种空白混凝土(4组分)和单掺混凝土(5组分)，进行了劈拉、抗折、轴压及静力弹性模量试验，其结果列于表1-1。

表1-1单掺粉煤灰混凝土的配合比及其28d力学性能试验结果

  №                       配合比坍落度(mm)  28d抗压强度  劈拉强度拉压比f_tp/f_cu×100％  抗折强度  轴压强度  弹性模量砂率水胶比水泥掺合料外加剂s％W/Bkg/m³kg/m³％f_cu(MPa)f_tp(MPa)f_W(MPa)f_c(MPa)E×10⁴(MPa)  1  46  0.50  440  0  0  180  43.3  3.74  8.64  5.0  38.3  3.09  2  46  0.50  352  0  2.0  195  47.2  3.71  7.86  4.3  38.1  3.063460.50246  30％105.61.618532.13.169.844.029.62.874460.50176  50％1761.022024.12.409.963.218.52.65  5  40  0.35  502  0  1.5  230  58.7  4.03  6.87  5.4  53.1  3.276400.35351  30％150.61.418556.54.087.225.146.03.08

7400.35351  50％2511.023542.53.508.244.133.22.88

由表1-1可见，随粉煤灰掺量的提高，混凝土各种力学性能均不同程度的降低，但掺粉煤灰混凝土的抗拉强度比抗压强度降低的幅度小，从表中拉压强度比可见，掺粉煤灰混凝土比不掺的都高，这对提高混凝土的抗裂性非常有利。

为提高掺粉煤灰混凝土的早期强度又考虑混凝土的经济性，因此采用2种不同比例的复合掺合料：I型为FA∶SP＝5∶5，II型为FA∶SP＝7∶3，其抗压强度随龄期的变化列于表1-2(以粉煤灰与矿渣粉为主导材料的复合物)。

表1-2掺不同类型复合掺合料混凝土的抗压强度(MPa)

  掺合料类型  水胶比  掺合料掺量  试件组数                    抗压强度(MPa)  n  mf_cu，3  mf_cu，7  mf_cu，28  mf_cu，60  I型(5∶5)  0.50  20％～70％  6  32.8  40.4  48.7  54.0  II型(7∶3)  0.50  20％～70％  6  17.5  34.6  45.0  50.1

上表的数据表明，如果工程要求早期强度较高时，可采用I型复合掺合料；否则尽量采用II型复合掺合料，因为它比较经济，且后期强度增长不错。

对II型复合掺合料配制的混凝土还进行了劈裂抗拉强度试验，其结果列于表1-3。

表1-3掺II型复合掺合料的混凝土配合比及其28天的劈裂抗拉强度

  试件编号W/B  水泥(kg/m³)  掺合料掺量(kg/m³)  坍落度(mm)  强度(MPa)  拉压比f_tp/f_cu×100％  mf_cu，28  f_tp  D11-1  0.50  350  0  140  51.7  3.63  7.02  D11-2  0.50  245  105  160  34.6  3.01  8.70  D11-3  0.50  175  175  170  22.4  2.22  9.91

  D11-4  0.35  500  0  200  64.4  5.06  7.86  D11-5  0.35  350  150  140  55.3  4.55  8.23  D11-6  0.35  250  250  150  50.7  4.12  8.13

从表中的抗压比可以看出，掺II型复合掺合料的混凝土比不掺的基准混凝土抗裂性能都有一定的改善。

2、高掺量粉煤灰及其复合掺合料混凝土的长期性能和耐久性能

选用选用水胶比为0.50和0.35，以30％和50％I级粉煤灰等量替代水泥，并加入萘系减水剂配制而成的混凝土，进行各项长期性能和耐久性试验。为与空白混凝土(4组分)和单掺外加剂混凝土(5组分)的各项性能做对比，所以一般采用7个配合比，详见表2-1。

                                     表2-1混凝土配合比

  №  W/B  混凝土品种                        单方混凝土材料用量(kg/m³)  坍落度要求(mm)  W  C  FA  SP  S  G  A  1  0.50  空白  220  440  0  0  862  1013  0  180±30  2  单掺  175  350  0  0  862  1013  2.3％  180±30  3  FA30％  175  245  105  0  862  1013  2.0％  180±30  4  FA50％  175  175  175  0  862  1013  1.6％  180±30  5  0.35  单掺  170  486  0  0  750  994  2.5％  180±30  6  FA30％  170  340  146  0  750  994  2.0％  180±30  7  FA50％  170  243  243  0  750  994  2.0％  180±30  8  II型50％17024317073750994  2.5％  180±30

(1)抗碳化性能

本次试验是按现行国家标准GBJ82规定进行，混凝土配合比见表2-1，其试验结果列于表2-2。

                               表2-2碳化性能试验结果

  编号  1  2  3  4  5  6  7  碳化龄期(d)  28  28  28  28  28  28  28  碳化深度(mm)  12.5  7.7  10.6  17.5  0.0  0.0  11.8

表中数据表明，水胶比为0.50的混凝土掺外加剂后，碳化深度基本呈减小趋势；在相同水胶比条件下随着粉煤灰掺量的增加，碳化深度增加；当粉煤灰掺量为50％时，碳化深度达到17.5mm。当水胶比为0.35时，混凝土本身致密，除了粉煤灰掺量达到50％时，碳化深度为11.8mm外，其余两组碳化深度均为0mm。粉煤灰掺量相同时，随水胶比的减少，混凝土的抗碳化能力提高。

(2)混凝土的干燥收缩

采用表2-1中的配合比1-7制作7组标准试件，按现行国家标准GBJ 82规定进行试验，其检测结果列于表2-3。

                  表2-3干燥收缩试验结果(mm/m)

从图1可以看出，不同配合比的混凝土60d后的干燥收缩值趋于平缓，除了水胶比为0.50、粉煤灰掺量为50％的混凝土180d的干燥收缩值达到0.893mm/m外，其余各组混凝土180d的干燥收缩值均未超过0.7mm/m，且数值比较接近，但相比较而言，单掺外加剂混凝土的干缩比空白混凝土的小，掺粉煤灰的混凝土比单掺外加剂的小。

(3)混凝土的自收缩

自收缩是指在恒温恒湿的条件下混凝土初凝后因胶凝材料继续水化引起自干燥而造成的混凝土宏观体积的减小。

水泥的继续水化是自收缩的根本原因，水泥的矿物成份的水化速率、水化程度及水化结合水含量是影响自收缩大小的关键；其次是在水泥品种相同情况下，水胶比越低，与干缩相比，自收缩比例越大，所以，水胶比的大小是影响混凝土自收缩的主要因素之一。有关资料表明，水胶比小于0.40时，混凝土的自收缩是不可忽视的。

矿物掺合料的矿物组成、活性和细度与混凝土自收缩大小有密切关系。不同掺合料对自收缩的影响不同。硅灰是超细、高活性的掺合料，可加速水泥水化反应，掺量越大，自收缩越大。骨料的品种和用量、浆体含量、水泥细度等均对混凝土自收缩有一定的影响。

本发明为研究自收缩的影响采用混凝土水胶比为0.30和0.50；粉煤灰掺量影响采用50％，复配(粉煤灰+硅灰)掺50％；另外为了对比，进行了单掺(5组份)、空白(4组份)自收缩试验，其混凝土配合比见表2-4，检测结果见表2-5。

                          表2-4混凝土配合比(kg/m³)

  №水胶比水水泥粉煤灰硅灰砂骨料减水剂  坍落度(mm)  A  0.30  160  534  0  0  682  1024  0.96  180  B  0.30  160  267  187  80  682  1024  1.12  170  C  0.30  160  267  267  0  682  1024  1.31  190  D  0.50  220  440  0  0  765  975  0  160  E  0.50  175  175  175  0  825  1050  0.40  190

                       表2-5 72小时混凝土自生收缩的检测结果(×10^-6)

  时间编号  A  B  C  D  E  0h  0  0  0  0  0  1h  13.88889  61.11111  36.11111  16.66667  6.94444  2h  38.19444  88.88889  45.13889  22.22222  13.88889  3h  100.6944  127.7778  45.13889  25  13.88889  4h  138.8889  158.3333  48.61111  27.77778  17.36111  5h  200.1389  225  51.38889  30.55556  20.83333  6h  229.1667  297.2222  51.38889  30.55556  31.25  7h  229.1667  300  54.86111  33.33333  31.25  8h  239.5833  305.5556  58.33333  38.88889  34.72222  10h  239.5833  308.3333  65.27778  38.88889  38.19444  12h  243.0556  313.8889  68.75  41.66667  38.19444  16h  246.5278  313.8889  72.22222  47.22222  38.19444  20h  250  316.6667  75.69444  47.22222  38.19444  24h  260.6944  327.7778  79.16667  52.77778  38.19444  30h  267.3611  333.3333  85.41667  58.33333  38.19444  36h  270.8333  333.3333  88.88889  58.33333  45.13889  42h  267.3611  333.3333  92.36111  58.33333  45.13889  48h  277.7778  338.8889  98.61111  63.88889  48.61111  54h  289.8611  344.4444  98.61111  63.88889  48.61111  60h  291.6667  344.4444  98.61111  66.66667  48.61111  66h  295.1389  347.2222  102.0833  69.44444  48.61111  72h  291.6667  347.2222  105.5556  69.44444  48.61111

由图2可以得出以下几点分析结果：

a、水胶比对混凝土自收缩有重要影响。图2中曲线A为0.30水胶比的单掺外加剂混凝土，其72h的自收缩值为292×10^-6；而水胶比为0.50的空白混凝土，其72h的自收缩值为69×10^-6，后者比前者小4倍，后者小到可忽略的程度；再如水胶比为0.30的掺粉煤灰混凝土的72h自收缩为106×10^-6(曲线C)，而水胶比为0.50的掺粉煤灰混凝土(曲线E)，其72h的自收缩值为49×10^-6，由此可见无论是掺粉煤灰(50％)混凝土或空白混凝土的自收缩，其水胶比为0.30的比0.50的大2～4倍。

b、混凝土中掺入粉煤灰后可有效减轻自收缩。水胶比相同(0.30)胶凝材料不同的混凝土A、C的72h的自收缩值分别为292×10^-6和106×10^-6；水胶比同为0.50的混凝土，胶凝材料不同的D、E的72h的自收缩率分别为69×10^-6、49×10^-6。可见粉煤灰可有效降低混凝土早期自生收缩，尤其在小水胶比的混凝土中效果更明显。

c、混凝土中掺入硅灰后会增大自收缩。水胶比同为0.30，单掺外加剂混凝土和矿物掺合料不同品种相同掺量的混凝土A、B、C的72h的自收缩率分别为292×10^-6、347×10^-6、106×10^-6。可见仅掺50％粉煤灰等量替代水泥的混凝土收缩率最小，粉煤灰与硅灰的复合的自收缩率大于单掺外加剂混凝土，由此值得出掺硅灰混凝土增加的自收缩，对混凝土的抗裂不利。

(4)大掺量粉煤灰混凝土的徐变性能

徐变也称徐蠕变，它是结构材料在任意荷载、任意大小的应力持续作用下随时间延长所产生的非弹性变形。徐变能缓解结构物内部的有害应力，提高混凝土的极限延伸率，有利于混凝土结构物的裂缝控制。

本实施例采用30％和50％I级粉煤灰等量替代水泥掺入混凝土，水胶比为0.35，其混凝土配合比见表2-1中序号5、6。试件要求及徐变试验按现行国家标准GBJ82规定进行。

两组试件的编号为D14-1和D14-2，加荷时的2组混凝土轴压强度分别为48.0MPa和47.4MPa，试验时取徐变应力为轴压强度的40％，即19.2和19.0MPa。总试验周期为1年，分15个龄期检测其徐变值，计算出的徐变值列于表2-6。

                                                 表2-6徐变值(ε_ct×10^-3)

  试件编号                                                          龄期(d)  1  3  7  14  28  45  60  90  120  150  180  360  D14-1  0.1900  0.2465  0.2785  0.3025  0.3502  0.3668  0.3845  0.4438  0.4858  0.5270  0.5502  0.6232  D14-2  0.1983  0.2442  0.2750  0.3138  0.3637  0.4145  0.3937  0.4667  0.4997  0.5413  0.5712  0.6542

例如：根据360dD14-1和D14-2两组试件的徐变值可求出该龄期徐变度(Ct)和徐变系数(_t)

a、徐变度：

试件编号D14-1：$$ >{{}_{}}_{}$$

试件编号D14-2：$$ >{}_{}$$

式中：ε_ct-加荷t天后的徐变值；

σ-徐变应力(MPa)。

b、徐变系数(_t)

式中：_t-加荷t天后的徐变系数；

εo-混凝土在加荷时测得的初始应变值。

例如360d的_t

D14-1

D14-2

从徐变试验结果可以发现，两种不同掺量的粉煤灰混凝土，1年龄期的徐变值、徐变度和徐变系数相差很少，均不超过5％。

(5)大掺量粉煤灰混凝土的抗渗性能

混凝土的抗渗性能是评价混凝土耐久性重要指标，采用7个混凝土配合比(见表2-1)，I级粉煤灰掺量为30％、50％两个，水胶比采用0.50、0.35；试验方法按现行国家标准GBJ82规定的水压法进行试验。检测结果列于表2-7。

                                  表2-7水压法抗渗试验结果

№  水胶比  水泥用量(kg/m³)      掺合料  坍落度(mm)  抗渗等级p  渗透高度平均值(mm)  品种  掺量(％)  1  0.35  500  -  -  210  ＞30  68.0  2  0.35  350  FA  150  225  ＞30  58.5  3  0.50  350  FA  0  180  ＞20  /  4  0.50  245  FA  105  185  ＞20  /  5  0.50  175  FA  175  200  ＞20  /

无论掺与不掺粉煤灰，混凝土抗渗性能基本相当；从低水胶比混凝土的平均渗透高度看，尽管空白混凝土和掺30％粉煤灰混凝土的抗渗等级均大于P30，但掺粉煤灰混凝土的抗渗性能稍许好些。

(6)混凝土抗氯离子侵入性试验

a、混凝土氯离子扩散系数

混凝土配合比见表2-1。

本试验采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01-2004，2005修订版)中的附录B2混凝土中氯离子扩散系数快速检测的NEL方法。其检测结果列于表2-8。

                                 表2-8氯离子扩散系数试验结果

  编号  1  2  3  4  5  6  7  水胶比  0.50  0.50  0.50  0.50  0.35  0.35  0.35  水泥用量(kg/m³)  440  350  245  175  486  340  243  掺合料(kg/m³)  0  0  105  175  0  146  243  龄期(d)  48  48  48  48  48  48  48  扩散系数(×10^-12m²/s)  3.557  2.773  2.686  3.089  2.490  2.001  2.381

水胶比为0.50的混凝土掺外加剂后，氯离子扩散系数明显减小。在混凝土中掺入30％、50％的粉煤灰后扩散系数比空白混凝土的均有减少。表明在混凝土中掺入粉煤灰后，混凝土的密实性提高。

该标准附录B2中还给出氯离子扩散系数检测结果的评价标准见表B2-1

                              表B2-1混凝土渗透性评价标准

  氯离子扩散系数D_NEL(10^-12m²/s)  混凝土渗透性等级  混凝土渗透性评价  ＞105～101～50.5～1＜0.5  IIIIIIIVV  高中低很低极低  注：1、当氯离子扩散系数D_NEL恰好为两等级的边界值时，取为上一等级。2、小于5×10^-12m²/s的混凝土通常必须掺有适量的矿物掺合料。采用大掺量矿物掺合料并保证适量的胶凝材料体积是降低混凝土渗透性的简单有效途径。

按表B2-1评价试验结果均属于III级、混凝土渗透性属于“低”。

b、混凝土抗氯离子渗透性的电通量法

该项试验方法是采用美国标准ASTMC1202-97《混凝土抗氯离子渗透性的电通评价标准》的方法。其检测结果列于表2-9。

                                 表2-9配合比及电通量

  №  水胶比  砂率β_s(％)  W(kg/m³)  C(kg/m³)  S(kg/m³)  G(kg/m³)  FA(kg/m³)  SP(kg/m³)  电通量(库仑)  A  0.40  43  173  450  761  1009  0  0  1487.8  B  0.40  43  176  225  761  1009  225  0  1074.7  C₁  0.40  43  176  225  761  1009  158  67  767.8  C₂  0.35  40  174  257  685  1023  179.9  77.1  521.7  C₃  0.30  41  160  267  700  1007  187  80  457.1

由上表可以看出，尽管水胶比均为0.40，胶凝材料总量也相同，不掺掺合料的混凝土电通量为1487.8库仑，掺50％粉煤灰混凝土的电通量为1074.7库仑，而掺50％的复合掺合料混凝土就降低到767.8库仑，属于“很低”的渗透性。表中序号为C的均为掺50％掺合料的不同水灰比的混凝土，可看出电通量随水胶比的降低而明显降低。表明混凝土致密程度在不断改善。

按美国ASTMC1202-97标准判定本课题的试验结果：

配合比A混凝土的28d龄期氯离子渗透性属“低”(1000C～2000C)；

配合比B混凝土的28d龄期氯离子渗透性属“低”(1000C～2000C)；

配合比C混凝土的28d龄期氯离子渗透性属“很低”(100C～1000C)。

结果还表明掺复合掺合料的混凝土，水胶比不大于0.4时，其抗渗性均属于“很低”的范围。

(7)混凝土的抗冻性能

a、慢冻法

配合比见表2-1，试验方法是按现行国家标准GBJ52规定进行，其试验结果列于表2-10。

表2-10混凝土强度损失试验结果(龄期为130d)

  编号  水胶比  掺合料  养护条件  标准强度  强度损失率(％)  1  0.50  0  冻300次  40.3  19.1  0  冻300次  41.4  0  冻对比  50.5  2  0.50  0  冻300次  48.2  3.9  0  冻300次  49.2  0  冻对比  50.7

  3  0.50  30％  冻300次  42.6  12.0  30％  冻300次  46.3  30％  冻对比  50.5  4  0.50  50％  冻300次  35.2  17.5  50％  冻300次  35.9  50％  冻对比  43.1  5  0.35  0  冻300次  64.7  4.0  0  冻300次  71.2  0  冻对比  70.8  6  0.35  30％  冻300次  63.3  11.8  30％  冻300次  61.2  30％  冻对比  70.6  7  0.35  50％  冻300次  51.6  17.6  50％  冻300次  50.2  50％  冻对比  61.8

慢冻试验进行了130d，未掺外加剂的0.50水胶比混凝土抗冻性能最差，冻300次，强度损失为19.1％。掺入外加剂水胶比为0.50和0.35的混凝土抗冻性明显提高，但随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性能逐渐下降。但强度损失均未达到25％，外观完整无重量损失，混凝土抗冻性能(慢冻)均大于300次冻融循环。

b、快冻法

快冻试验方法是按现行国家标准GBJ82规定进行，混凝土配合比列于表2-11，试验结果分析见表2-12。

                           表2-11快冻试验混凝土配合比

  编号  W/B                   单方混凝土材料用量(kg/m³)  坍落度/扩展度(mm)WCSGFASPAN10-2

  10.50  220  440  731  1009  /  /  /  120  2  175  350  844  1031  /  /  7.0  180/350*350  3  175  245  844  1031  74  31  7.0  200/380*350  4  175  175  844  1031  123  52  7.0  200/500*500  50.35  175  500  698  1047  /  /  10.0  190/300*350  6  175  350  698  1047  105  45  10.0  210/590*570  7  175  250  698  1047  175  75  10.0  200/660*600

                                  表2-12混凝土快冻试验结果

编号  试验结果简述           结论  快冻的循环次数  耐久性指数DF(％)  D-1  150次时：质量损失率3.4％，相对动弹模量损失率40％；200次时：一块冻碎。15048.0  D-2  300次时：质量损失率0.6％，相对动弹模量损失率4.8％；停止试验。30095.2  D-3  300次时：质量损失率0.7％，相对动弹模量损失率0.2％；停止试验。30099.8  D-4  300次时：质量损失率2.9％，相对动弹模量损失率3.4％；停止试验。30096.6  D-5  300次时：质量损失率0％，相对动弹模量损失率1.8％；停止试验。  300  98.2  D-6  300次时：质量损失率0.2％，相对动弹模量损失率0.2％；停止试验。  300  99.8  D-7  300次时：质量损失率0.4％，相对动弹模量损失率1.4％；停止试验。30098.6

从快冻试验结果表明，与慢冻一样，0.50水胶比空白混凝土(4组份)抗冻性最差，到150次时极限指标未达到，而200次时，1组中就有一块冻碎，因此只能说这种混凝土快冻循环次数为150次，其余单掺和双掺混凝土的快冻循环次数均大于300次。按CCES01-2004耐久性设计标准规定的混凝土抗冻性的耐久性指标DF(％)计算，除空白混凝土外，其余混凝土均可满足使用年限为100年的要求。

(8)混凝土抗硫酸盐性能

混凝土抗硫酸盐性能配合比见表2-13，试验结果见表2-14。

                                   表2-13抗硫酸盐混凝土配合比

  序号  水胶比  混凝土品种                          单方混凝土材料用量(kg/m³)  要求坍落度(mm)  W  C  FA  SP  SA  S  G  A  1  0.50  空白  220  440  0  0  0  800  940  0  180±30  2  0.50  单掺  175  350  0  0  0  862  1013  2.5％  180±3030.50  双掺30％1752451050086210131.8％180±3040.35  FA+SP50％1702431707307509942.5％180±30  5  0.35  SA50％  170  243  0  0  243  750  994  2.4％  180±30

                             表2-14混凝土抗硫酸盐试验结果(Mpa)

  编号        标准养护                                    溶液中养护  f_cu，28  f_cu，60  清水  5％Na₂SO₄溶液60d  K  5％Na₂SO₄溶液90d  K  1  50.8  52.6  55.6  60.2  1.08  78.8  1.06  2  43.6  48.4  52.0  55.7  1.07  72.5  1.04  3  33.9  42.3  47.5  49.1  1.03  71.5  1.02  4  55.3  62.4  59.8  63.4  1.06  ——  ——  5  55.3  51.9  62.7  64.6  1.03  89.5  1.04

按设计要求的混凝土配合比，制作边长为100mm立方体标准试件，标准养护室养护28d，然后将混凝土试件取出，分别浸泡在5％Na₂SO₄溶液中和清水中，浸泡龄期为60d。测定混凝土试件在腐蚀介质中和清水中相同龄期相同配合比的抗压强度，求其抗腐蚀系数K值。

求K＞0.8为合格

混凝土在遭受硫酸盐侵蚀时，侵蚀过程主要包括两个作用，一是可溶性Ca(OH)₂与硫酸盐作用，生成CaSO₄·2H₂O，在毛细孔中引起结晶膨胀；二是水化铝酸钙与石膏发生反应生成钙钒石，产生体积膨胀，引起膨胀破坏。粉煤灰的效应从化学上能稳定Ca(OH)₂，减少Ca(OH)₂的含量，从物理上可细化毛细孔，减少硫酸盐介质的渗透。所以能使混凝土对硫酸盐侵蚀产生较强的免疫能力。

各组混凝土试件强度的有关标准要求K值均大于0.8，所以60d的抗硫酸盐腐蚀性能都合格。K值甚至大于1，表明在硫酸盐溶液中养护的混凝土强度更高于清水中养护的混凝土，这可能是由于混凝土试件中的孔隙溶液饱和后，硫酸盐结晶析出，填充孔隙，但没有干湿循环的参与，且由于混凝土试件是完全浸泡在溶液中的，孔隙中的溶液不会蒸发，硫酸钠不再结晶，虽然先前有少量结晶析出，但量少还不足以产生足够的膨胀造成破坏，反而使混凝土更加密实了，有利于强度的增加。

(9)混凝土耐磨性能试验

混凝土耐磨性能试验配合比同表2-1，其试验结果见表2-15。

                               表2-15混凝土耐磨试验结果

  编号  混凝土类型  水胶比  压重(N)  磨程(转)  磨损量平均值(g)  单位面积磨损量(kg/m²)  1  空白  0.50  200  50  3.87  0.310  2  单掺  200  50  6.23  0.498  3  30％FA  200  50  9.60  0.768  4  50％FA  200  50  5.80  0.464  5  单掺  0.35  200  50  4.60  0.368  6  30％FA  200  50  1.25  0.100  7  50％FA  200  50  1.40  0.112

试验结果表明，水胶比为0.50时，从单位面积磨损来看，空白混凝土最好；当水胶比为0.35时，掺30％和50％粉煤灰混凝土优于单掺外加剂的混凝土，也优于0.50水胶比的空白混凝土。给我们的启示是用于路面、机场跑道等有耐磨要求的混凝土，一定要采用小水胶比的大掺量粉煤灰混凝土，否则应降低粉煤灰的掺量。

(10)水泥水化热

本项试验采用本企业常用的两种水泥，即琉璃河长城P.O42.5和太行前景P.O42.5水泥，掺合料有I级粉煤灰、II级粉煤灰、SP和I型复合掺合料。水化热试验结果列于表2-16。

                             表2-16胶凝材料水化热试验结果

                      胶凝材料                     分析结果(kJ/kg)  水泥品种  胶凝材料组成及掺量  掺合料品种3d  水化热降低量(％)7d  水化热降低量(％)  琉璃河长城P.O42.5纯水泥-240100284100  琉璃河长城P.O42.5  水泥∶粉煤灰1∶1  张家口II级粉煤灰1971823718  琉璃河长城P.O42.5  水泥∶粉煤灰1∶1  德州华能I级粉煤灰1842324215  琉璃河长城P.O42.5  水泥∶矿渣粉1∶1  宣化矿渣粉S952051524514  琉璃河长城P.O42.5  水泥∶粉煤灰∶SP1∶0.5∶0.5  德州华能I级粉煤灰2011624314  太行前景P.O42.5纯水泥-254100297100  太行前景P.O42.5  水泥∶粉煤灰1∶1  德州华能I级粉煤灰1962325414  太行前景P.O42.5  水泥∶粉煤灰1∶1  张家口II级粉煤灰2091824418  太行前景P.O42.5  水泥∶矿渣粉1∶1  宣化矿渣粉S952171526012

表2-16的试验结果表明，各种掺合料掺50％取代水泥均降低3d、7d的水化热，程度稍有差别，其中粉煤灰最好。(11)混凝土绝热温升

混凝土绝热温升用配合比见表2-17。

                       表2-17混凝土绝热温升配合比(kg/m³)

  水胶比  砂率  水泥  水  砂  石子  粉煤灰  聚羧酸外加剂  0.40  39  200  155  721  1128  196  3.97

从图3可以发现，混凝土在早期升温来的特别快，第7天已完成温升值的90％，第7天到第28天升温幅度只有5℃左右，28天基本上可代表最终的绝热温升值，为42.7℃。

(12)混凝土抗钢筋锈蚀性能

混凝土中钢筋锈蚀试验，采用0.50水胶比，其中2个为掺I级粉煤灰混凝土，掺量分别为30％和50％，另一个是作对比用的单掺外加剂混凝土，其配合比及不同龄期强度列于表2-18。

                              表2-18钢筋锈蚀试验用混凝土配合比及抗压强度

  试件编号  水胶比                      单方混凝土材料用量(kg/m³)  坍落度(mm)                        混凝土强度(MPa)WCSGFA外加剂28d56d90d112d180d  038-1  0.50  175  350  927  948  0  2.0％  120  47.4  48.0  50.2  /  50.8  038-2  0.50  175  245  927  948  105  1.8％  180  39.9  45.4  49.3  /  50.1  038-3  0.50  175  175  927  948  175  1.5％  190  25.2  32.7  36.4  /  37.3  038-4  0.35  170  486  732  1012  0  2.0％  200  51.0  61.0  /  65.8  /  038-5  0.35  170  340  732  1012  146  1.4％  180  54.0  59.0  /  68.6  /  038-6  0.35  170  243  732  1012  243  1.2％  140  59.2  63.3  /  65.4  /  038-7  0.29  120  180  711  1159  230  1.8％  230  64.6  66.4  /  79.6  /

钢筋锈蚀试验方法按现行国家标准GBJ82规定进行。该试验从试件成型到试验破型要经历112d，即标准养护28d，碳化28d后再潮湿养护56d取出，破型，先测出碳化深度，然后进行钢筋锈蚀程度的测定，其测定结果列于表2-17。

                 表2-17混凝土碳化深度及钢筋锈蚀失重率

  试件编号  水胶比FA/B  碳化深度平均值(mm)  钢筋锈蚀失重率(％)  038-1  0.50  0  4.307  0.28  038-2  0.50  30％  12.303  0.29  038-3  0.50  50％  22.890  0.39  038-4  0.35  0  0  0.17  038-5  0.35  30％  0  0.11  038-6  0.35  50％  0  0.11  038-7  0.29  56％  0  0.10

从表2-16可以看出，在水胶比同为0.50时，随粉煤灰掺量的增加，混凝土的碳化深度和钢筋的锈蚀失重率迅速增加，如掺50％粉煤灰混凝土的平均碳化深度是不掺粉煤灰混凝土的4倍多，钢筋锈蚀的失重率比不掺粉煤灰混凝土中的钢筋锈蚀失重率提高39％；但低水胶比混凝土无论掺不掺粉煤灰，粉煤灰掺量即使达到56％，碳化深度仍为零，钢筋锈蚀失重率明显比高水胶比的降低。因此，从结构安全的角度出发，为防止混凝土结构中的钢筋锈蚀应采取低水胶比或提高结构物的钢筋保护层厚度。

关于掺粉煤灰混凝土的抗中性化问题，美国混凝土学会对粉煤灰是否降低碱度得出结论：粉煤灰混凝土能保持较高的碱度，粉煤灰与Ca(OH)₂作用实际上并没有改变碱性条件。另外，由于掺粉煤灰混凝土的致密作用可延缓CO₂、Cl-及水分等在混凝土中的扩散，所以掺粉煤灰混凝土的护筋能力是足够的。

3、混凝土的微观结构分析

(1)混凝土的SEM微观结构

混凝土的微观结构分析试验采用的混凝土配合比及其孔结构参数见表3-1。

                            表3-1配合比及孔结构参数

编号  水胶比  粉煤灰掺量(％)  孔隙率(％)  中值孔径(nm)  孔表面积m²/g  孔容mL/g  10-1  0.50  0  11.6405  83.1  9.335  0.0544  10-2  0.50  30  13.4201  45.3  14.384  0.0637  10-3  0.50  50  9.2444  16.2  14.396  0.0409  10-4  0.35  30  10.4486  16.5  16.490  0.0470  10-5  0.35  50  8.5337  14.4  13.237  0.0370

从表3-1中观测可见，10-1试样中易见氢氧化钙；10-2试样中氢氧化钙数量明显比10-1试样的少；10-3试样中C-S-H较多，密实度较10-1、10-2试样明显加大；10-4试样中孔隙的尺寸较10-1、10-2试样大大减小，体系致密程度较10-3试样进一步加大；同样放大倍数下，10-5试样中很难发现孔洞，体系密实程度为所有试样中最佳者。

(2)混凝土中微观孔径分布

本项试验采用的混凝土配合比、试件编号及孔结构参数列于表3-1。不同直径孔的分布见表3-2。

                               表3-2不同直径孔的分布

  径孔  10-1(％)  10-2(％)  10-3(％)  10-4(％)  10-5(％)  ＜20nm  21.6747  33.9721  53.6794  53.5308  57.0335  20～50nm  23.7775  16.6378  9.6769  11.5753  7.6564  50～100nm  5.3582  4.1389  3.9051  3.6513  2.5593  ＞100nm  49.1896  45.2512  32.7386  31.2426  32.7508

吴中伟教授曾按孔径尺寸将孔划分为4种：

①无害孔  直径＝200

②少害孔  直径＝200～500

③有害孔  直径＝500～2000

④多害孔  直径＞2000

表3-2中的数据就是按此划分为4级。由表3-2可看出试样10-5的无害孔含量最大，有害孔最小。与电镜分析结果是一致的。

从微观分析可见，试样10-1为单掺外加剂混凝土，该混凝土中多害孔占所有孔近一半(49.2％)，含有较多Ca(OH)₂，致密程度较差。要想配制密实程度高、无害孔多、耐久性好的混凝土，就应该采用小水胶比(≤0.40)高掺量粉煤灰混凝土。