李化建，赵国堂，谢永江，谭盐宾

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100083)

粉煤灰已经成为铁路混凝土中不可或缺的组分，对于提高混凝土工作性能、降低混凝土水化热、提高混凝土体积稳定性起到重要的作用［1-2］。现在满足技术要求的粉煤灰越来越紧缺，导致铁路混凝土工程造价增加，且严重影响工程工期。按细度、烧失量、需水量比等技术指标同时控制粉煤灰材料质量是制约大量颗粒粗、烧失量小的粉煤灰(以下称为灰渣)无法使用的根本原因。大量研究表明，烧失量小、细度大的粉煤灰能够制备出高工作性能、高耐久性能的混凝土。Carette G G等曾对美国8种粉煤灰和两种波特兰水泥配制的粉煤灰混凝土的新拌与硬化混凝土各种性能进行系统研究，8种粉煤灰的细度15.3% ～31.9%，烧失量0.30%～2.78%。研究结果表明高掺量粉煤灰混凝土引气没有困难，硬化体的气泡间隔系数＜0.2 mm和比表面积＞25 mm2/mm3。根据ASTM C 666A试验经1 000次冻融循环后，除一种情况耐久系数为67以外，其它耐久系数均很好;91 d湿养护混凝土的抗氯离子渗透能力，电量均＜650 C;混凝土渗透性很小，透水率接近10-6m/s［3-4］。如果按《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)规定来划分，文中所用粉煤灰为Ⅱ级和Ⅲ级，在很多工程领域均无法使用。

为拓展粉煤灰资源，系统研究了灰渣的物理化学特性以及灰渣与外加剂的相容性后，证明影响混凝土关键指标是灰渣的烧失量，而不是细度［5］。本文在研究灰渣混凝土力学性能的基础上，探讨了灰渣混凝土的耐久性能，以消除人们对灰渣混凝土在工程中应用的担忧。

1 灰渣混凝土试验

1.1 原材料

灰渣取自德州华能电厂，其性能如表1所示，水泥采用琉璃河P·O42.5水泥，减水剂采用天津雍阳聚羧酸减水剂，减水率为29%，粗骨料为5～20 mm连续级配，细骨料为天然河砂，细度模数为2.8。

表1 灰渣的性能指标 %

1.2 配合比

通过调整减水剂来控制混凝土的工作性能，灰渣混凝土的目标坍落度180～210 mm，含气量 2% ～4%。不同混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土力学性能:按照GB/T 0081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。

混凝土电通量、氯离子扩散系数按GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试。

混凝土抗硫酸盐干湿循环次数的干湿循环制度为:混凝土试件在20℃硫酸盐溶液浸泡15 h，然后晾干1 h，接着在60℃条件下烘干6 h，然后冷却2 h让混凝土试件降温至20℃，如此为1次干湿循环。然后混凝土试件再转入浸泡15 h，继续重复前述过程，开始下一个循环，总循环次数为150次。混凝土抗硫酸盐干湿循环试验设备为自行研发混凝土抗硫酸盐干湿循环试验机(已授权国家专利)。

2 试验结果分析

2.1 灰渣混凝土力学性能

混凝土抗压强度如图1～图3所示，灰渣的掺入会降低混凝土抗压强度绝对值，以28 d抗压强度为评价标准，掺入30%的灰渣，可以满足设计强度等级，如设计强度等级为C30的混凝土，掺入30%的灰渣后，强度能够满足该强度等级的设计要求。当掺加灰渣的量达到50%时，混凝土强度等级会降低一个强度等级，即设计的C40，掺入50%的灰渣后，其强度等级将降为 C30。

图1 不掺掺合料混凝土抗压强度回归曲线

图2 掺30%灰渣混凝土抗压强度回归曲线

图3 掺50%灰渣混凝土抗压强度回归曲线

由回归方程可知，无论是否添加灰渣，混凝土的抗压强度与养护龄期的对数均呈现很好的线性相关性，并且回归曲线的置信度较高，范围为0.877 8～0.990 5。不同回归曲线特征值与置信度如表3所示。由表3可知，对于以C50为基准的混凝土，养护龄期对数的系数随着灰渣掺量的增加，其系数逐渐增加，即6.310 8(灰渣掺量为0)＜7.616 7(灰渣掺量为30%)＜7.653 3(灰渣掺量为50%)，表明灰渣的掺入能够增加混凝土后期的抗压强度;而回归公式中常数随着灰渣的掺入而逐渐减小，表明灰渣混凝土的初始强度较低，其原因是灰渣的掺入，可水化的水泥减小，粉煤灰的活化灰活性尚未得到发挥;对于C40为基准的混凝土，养护龄期的系数也随着灰渣掺量的增加而增加，即7.099 6(灰渣掺量为 0)＜7.570 6(灰渣掺量为30%)＜7.682 0(灰渣掺量为50%);而对于C30为基准的混凝土，养护龄期的系数随着灰渣的掺量增加而基本呈降低趋势，即8.205 6(灰渣掺量为0)，5.896 6(灰渣掺量为30%)，6.024 2(灰渣掺量为50%)。其原因与C30混凝土胶凝组分中可以激发灰渣的Ca(OH)2量较少有关。

表3 灰渣混凝土回归曲线特征值

2.2 灰渣混凝土电通量

表4为灰渣混凝土电通量试验结果。灰渣混凝土8 d混凝土电通量很大，有的高达4 400 C，混凝土抗氯离子渗透性属于较差，但是当养护龄期为56 d时，混凝土电通量降低幅度很大，除了H4001未加掺合料混凝土56 d电通量 ＞1 500 C外，其余的混凝土均 ＜1 500 C，最小为870 C，混凝土抗渗性属于极低水平。由于灰渣的掺入，灰渣—水泥体系水化较慢，在28 d时，体系中尚未形成致密结构，到56 d，灰渣与水泥水化的氢氧化钙逐渐发生火山灰反应，形成更多的水化产物，细化体系中的孔结构，增加氯离子在体系中的传输位垒。

按照《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(报批稿)［6］的要求，灰渣混凝土可以满足铁路工程混凝土大多数要求。

表4 灰渣混凝土电通量试验结果

2.3 灰渣混凝土抗氯离子渗透系数

灰渣混凝土抗氯离子扩散系数如表5所示。养护龄期从28 d到56 d，混凝土抗氯离子扩散系数显著降低，对于灰渣混凝土，降低幅度更为显著。氯离子扩散系数被应用于评价氯盐侵蚀环境下混凝土的耐久性，《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)和新修订的《铁路混凝土结构耐久性设计规范》均采用氯离子扩散系数指标［7］。按照《铁路混凝土结构耐久性设计规范》对氯离子扩散系数的规定如表6所示，对比可知，除了H4003以外，其它混凝土能够满足L1环境等级下设计使用年限为60年的要求，而H5001～H5003能够满足 L1，L2，L3环境等级下设计使用年限为100年的要求。

灰渣混凝土氯离子扩散系数较小的原因有两方面:一是灰渣中铝含量较高，能够固化一部分氯离子，这主要是以化学固化为主;二是灰渣的加入，细化了灰渣混凝土孔结构，阻碍了氯离子在体系中的传输。

表5 灰渣混凝土抗氯离子渗透性能

表6 氯盐环境下混凝土抗氯离子渗透性指标

2.4 灰渣混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

混凝土试件在硫酸盐溶液中自然浸泡直至发生性能劣化和破坏，通常需要很长时间，一般浸泡1～2年后混凝土试件才发生破坏。因此，为快速确定混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，以便指导实际工程应用，采用硫酸盐干湿循环的办法。灰渣混凝土抗硫酸盐干湿循环的性能如表7。由结果可知，混凝土试件在经过150次硫酸盐干湿循环后，其质量都有少量增加，而未出现质量降低，通过对混凝土试件观察，发现混凝土试件外观良好，未出现表面或棱角剥落等情况，如图4所示。经过干湿循环交替作用的混凝土试件的抗压强度则低于清水中的对比试件。由图5可知，在不同循环次数时，经历干湿循环交替的混凝土试件强度均出现明显降低，纯水泥混凝土试件强度最高损失率达15%，灰渣混凝土强度损失率最高为13%。由此可知，虽然掺灰渣混凝土抗压强度低于纯水泥混凝土，但其在硫酸盐干湿循环交替作用下的强度损失率基本都低于纯水泥混凝土，说明灰渣的掺入能有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。

表7 混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀性能的影响

3 结论

1)采用添加30% ～50%的灰渣，可以制备出坍落度180～210 mm、含气量2% ～4%、强度等级 C30～C50的混凝土。

2)在相同胶凝材料下，添加30%的灰渣，混凝土可以达到相同强度级别，当灰渣掺量为50%时，混凝土降低一个强度等级。

图4 经150次硫酸盐干湿循环交替作用的灰渣混凝土试件外观

图5 混凝土抗硫酸盐干湿循环抗压强度损失率

3)灰渣混凝土具有较高的抗氯离子渗透性和抗硫酸盐干湿循环性能，可以应用于氯盐环境和盐类结晶破坏环境。

［1］赵国堂，李化建.高速铁路高性能混凝土应用管理技术［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］MALHOTRA M V.High-erformancehigh-volumeflyash concrete:materials，mixture proportioning，properties，construction practice，and case histories［Z］.Ottawa:2008.

［3］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Mechanical properties of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1993，90(6):535-544.

［4］CARETTE G G，BILODEAU A，CHEVRIER R L，et al.Durability of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the US［J］.ACI Materials Journal，1994，91(1):3-12.

［5］谭盐宾，李化建，谢永江，等.烧失量和细度对粉煤灰浆体流变特性的影响［J］.铁道建筑，2010(2):127-129.

［6］中华人民共和国铁道部.铁路混凝土结构耐久性设计规范(报批稿)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.