复掺硅灰粉煤灰的水泥砂浆的毛细吸水性研究.docx
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复掺硅灰粉煤灰的水泥砂浆的毛细吸水性研究
复掺硅灰粉煤灰的水泥砂浆的毛细吸水性研究
【摘要】在干湿交替顺的作用之下，由于混凝土中的毛细管的虹吸作用，容易使得混凝土材料的性能产生劣化或者钢筋发生腐蚀作用性，从而失去耐久性。
基于此，本文采用ISAT（initialsurfaceabsorptiontest）的方法对混凝土的吸水性进行了测定，研究了不同的水胶比，以及将粉煤灰和硅灰两种矿物进行掺合形成的掺合料料对于混凝土的毛细吸水性的影响。
研究的结果表明，通过对于水胶比的降低能够使得混凝土的吸水性大大降低，另外，粉煤灰以及硅灰等掺合一起的掺合料能够减少水泥砂石之中的毛细孔的数量，从而使得混凝土的吸水性降低，并且粉煤灰和硅灰的复掺作用具有一定的叠加效应。
【关键词】硅灰；粉煤灰；毛细吸水性；影响
studyofCapillarywaterabsorptionofcomplexflyashmixedwithsilicafumecementmortar
Abstract:
Undertheroleofalternatingwetanddryalongbecauseconcretecapillarysiphoneffect,easytomakethematerialpropertiesofconcretereinforcementcorrosionordeteriorationgeneratedeffects,therebylosingdurability.Basedonthis,theuseofISAT（initialsurfaceabsorptiontest）methodsforwaterabsorptionofconcreteweremeasuredtostudythedifferentwater-cementratio,aswellasflyashandsilicafumeblendoftwomineralsformedbyblendingfeedmaterialforthecapillarywaterabsorptionofconcreteimpact.Resultsofthestudyshowedthatbyreducingthewater-cementratiocanbegreatlyreducedsothatthewater-absorbingconcrete,inaddition,flyashandsilicafumeadmixturecanbeblendedtogethertoreducethenumberofcementsandandgravelintothepores,sothatthewaterabsorptionofconcreteislowered,andthecomplexeffectofflyashandsilicafumemixedwithacertainadditiveeffect.
Keywords:
silicafume;flyash;capillarywaterabsorption;influence
1前言
1.1研究目的和意义
所谓“毛细吸水性”也被人们称为“毛细作用”，指的就是液体表面对于固体表面的一种吸引力，也就是当毛细管插入浸润的液体之中时，造成管内的液体的液面上升，液面高于管外，而当毛细管插入不浸润的液体之中的时候，管内的液体的液面反而下降，并且液面比管外偏低的一种现象。
例如，毛巾吸水的现象，以及地下的水沿着土壤而逐渐上升的现象都是毛细现象。
但是，在很多的情况之下，毛细吸水性[1-3]都是有害的，特别是在混凝土方面，混凝土在干湿交替的作用之下，其中的毛细管能够通过虹吸作用，将水分快速的迁移到混凝土的内部。
但是如果在水中含有一些腐蚀性的介质（例如，氯盐以及硫酸盐等等），则容易引起混凝土材料的性能发生劣化或者钢筋发生腐蚀[4-5]。
具体来说就是，当混凝土的孔隙处于非饱和的状态的时候，混凝土和溶液接触的时候容易使得毛细孔隙的压力提高，因而溶液就容易被吸收到混凝土的孔隙之内，另外，混凝土是一种非常多孔的建筑材料，孔在混凝土的微结构之占有十分重要的作用，也是混凝土的重要的组成部分。
孔对于混凝土具有很多重要的作用，例如，孔能够提高混凝土的耐久性，并且对于氯离子以及硫酸盐等一些有害的物质在混凝土中的传输都具有十分重要的影响[6-7]，因此，毛细吸水性的研究应当被给予高度的重视，我们对于毛细吸水性的研究也是十分有必要的。
此外，为了减缓由于毛细的吸水性而造成的一些相关的危害，改善毛细吸水性，本文尝试着采用掺入硅灰以及粉煤灰的掺和料的方式，来帮助减小细化的混凝土的空隙结构的方法来改善对毛细吸水性的性能方面进行研究，力求达到能够改善毛细现象在混凝土的有害作用的目的，并且为相关的研究提供一定的具有借鉴和指导作用的理论依据。
1.2国内外的研究现状
混凝土是一种亲水性的材料，其表面含有不同数量的并且具有很大的活性的亲水性的羟基（羟基主要来自水泥在不断水化过程中不断的析出的Ca（OH）2物质）。
由于水在毛细管中的接触角是比较小的，因此空气中的水分或者雨水等很容易在混凝土的表面进行延展，并且不断的沿毛细管逐渐向混凝土材料的内部进行渗透。
另外，一些暴露于环境之中的水溶性的且具有一定的侵蚀性质的介质（例如氯盐以及硫酸盐等等），经常把水作为载体，把混凝土的孔隙作为其传输的通道，从而使得混凝土材料的内部浸入了大量的腐蚀性的介质。
对水在混凝土中的传输性能的测定，能够在一定的程度上对混凝土的渗透性能进行评价。
综上所述，对于混凝土的吸水性性能的测试能够对于混凝土的毛细管的虹吸作用进行一定的评价，另外，吸水性是一个相对来说比较容易的测定的参数，并且，吸水性不仅能够对混凝土的渗透性、孔隙率以及毛细管的张力等等因素进行相应的表征，而且吸水性也可以被用来评价混凝土的抗渗性或者耐久性等等。
近年来，毛细吸水性的研究越来越引起很多学者的重视，关于毛细吸水性的相关的研究，国内外的很多学者也都有了一些相关的尝试[8-9]。
例如，为了解决中国的北方地区的天气干旱少雨以及水资源相对短缺的问题，阚常庆[10]进行了保水剂对沙质土毛细管水上升特性影响的相关的研究，通过一定的试验，他发现有很多因素能够影响毛细管的水上升的现象，例如土壤中的氯化钠的浓度，添加保水剂的量以及保水剂的使用方式和土壤中的初始的含水率、土壤的容重等等。
另外，李昕[11]采用了电性法对水泥基材料的毛细吸收特性以及液体的传输特征进行了一定的研究，他主要研究了骨料的含量对于混凝土的毛细吸收的影响，并且研究了在消除骨的料影响之下，采用不同的水胶比以及龄期和盐溶液等等作为传输的介质等等，这些因素对于混凝土的毛细吸收的作用，从而为对于混凝土的结构的耐久性的评估提供一定的具有参考价值的理论依据；另外，通过一定的试验，对于水泥石的电性能的影响规律进行了试验研究，从而确定了以水泥石的电性能的影响规律为指标的比较合理和是和的养护龄期，这项成果对于对水泥基材料的收缩等和孔隙率相关的一些特性的评价都具有一定的参考价值。
此外，田冬梅和邓德华等[12]基于水泥的乳化沥青砂浆的方向对其毛细吸水的性能进行了相关的研究，并且采用了ISAT的测定方法对于水泥的乳化沥青砂浆的毛细吸水的速率进行了测定，研究结果表明了，水泥的毛细吸水性的决定性的因素是其乳化的沥青砂浆的毛细孔的特征是。
近年来，随着环境越来越恶劣，酸雨问题也变得越来越严重，对环境造成了极大的危害，也影响人们的正常的生活。
有研究表明，混凝土中的毛细管通过虹吸作用能够将水分快速的迁移到混凝土的内部，如果在水中含有一些腐蚀性的介质（例如，氯盐以及硫酸盐等等），则容易引起混凝土材料的性能发生劣化或者钢筋发生腐蚀，因会对混凝土的寿命和使用性能等产生一定的影响，甚至会产生影响混凝土的正常的使用。
因此，为了改善其负面的效果，很多学者也对混凝土的毛细吸水性进行了一定的研究。
贾兴文等人[13-14]研究了粉煤灰加气的混凝土的吸水性能究，他的研究结果表明，在整体吸水时候的吸水速度以及吸水量方面，粉煤灰加气的混凝土显著大于粘土砖，粉煤灰加气的混凝土的一端进行吸水的时候，其吸水性能和混凝土成型的时候的膨胀的方向有很大的相关性。
另外，巫昊峰和刘宝举等[15-16]研究了Ⅱ级粉煤灰对于混凝土的吸水性以及抗氯离子的渗透性的影响，通过试验他发现在掺入Ⅱ级粉煤灰之后，混凝土的强度有了明显的降低，当Ⅱ级粉煤灰的掺入量比较低的时候，能够对混凝土的抗氯离子的渗透性能的改善起到一定的作用，并且能够降低混凝土的吸水率。
而降低水胶比，能够提高混凝土的强度，而且能够增强抗氯离子的渗透性能，并使得其吸水率降低。
朱方之和赵铁军等
[17]初步探讨了混凝土的毛细吸水的一些影响的因素，他发现，水胶比以及烘干的温度会显著影响混凝土的吸水性，并且增加吸水试验的环境温度以及相对湿度，能够有助于促进水的毛细吸收，另外，毛细吸收对于环境温度的敏感性要比对于环境相对湿度的敏感性稍高。
李淑红[18-19]研究了混凝土中的毛细吸水过程的相关的理论以及试验，并且对混凝土中的毛细吸水的理论模型以及国内外的研究的进展进行了系统的完整的总结，并对在除去重力作用的影响之外，毛细吸水的理论在土壤以及多孔的建筑材料之中的应用的情况，另外，通过相关的试验对荷载损伤对于混凝土的毛细吸水过程的影响的规律进行了研究。
刘伟等[20]研究了矿物掺合料对于混凝土的毛细吸水性的影响，通过试验他发现，水胶比的降低能够使得混凝土吸水的吸水性大大的降低，粉煤灰以及硅灰等的掺合料能够使得水泥石中的毛细孔的数量降低，从而降低了混凝土的吸水性，另外，粉煤灰和硅灰的复掺具有一定的叠加的效应。
因此，虽然国内外得学者对于混凝土的毛细吸性进行了大量的试验和探索，但是关于粉煤灰以及硅灰对于混凝土的毛细吸水性的影响的研究却还很少，因此，我们有必要对其进行更深一步的研究和探索。
2研究材料与方法
2.1原材料和性能
试验用的水泥是湖南湘乡水泥厂的P.O.42.5级的水泥，该水泥的强度指标如下表1。
采用的粉煤灰是由湖南湘潭电厂生产的采用风选的超细、Ⅰ级以及Ⅱ级的粉煤灰，它的一些物理性质如下表2.试验使用的硅灰是由贵州遵义硅铁合金厂的微硅灰.试验所用的砂是由湖南湘江的河砂，中砂，其细度模数是2.7，Ⅱ区级配合格.试验使用的石是由湖南长沙市郊的直径5至25mm的石灰石的碎石，其压碎的指标是7.8%.试验使用的高效减水剂是由上海花王化学有限公司的迈地100萘系的高效减水剂。
表1水泥的强度的实验的结果
水泥的类型
抗折强度，MPa
抗压强度，MPa
3d水泥
5.26
21.8
28d水泥
8.78
43.9
表2粉煤灰的物理性质
粉煤灰的类型
细度（过45um筛），%
含量率，%
烧失量，%
密度，kg.m3
比表面积，m2.kg-1
超细粉
25
2.28
5.1
2.54
799
Ⅰ级粉
39
0.21
3.6
2.29
541
Ⅱ级粉
78
0.18
2.9
2.17
311
2.2混凝土的配合比
试验所采用的混凝土的配合比见下表3。
在表3中,采用下列1、2、3号配合比研究矿物掺合料的影响，标养，测试7天、28天、90天毛细吸水性。
采用下列2、4、5号配合比研究水胶比对毛细吸水性的影响。
表3试验配合比
编号
水泥
/㎏/m3
硅灰
/㎏/m3
粉煤灰
砂
/㎏/m3
水胶比
1
450
0
0
1350
0.5
2
315
36
99
1350
0.5
3
315
72
45
1350
0.5
4
315
36
99
1350
0.4
5
315
36
99
1350
0.3
4#、5#配合比通过加减水剂保持与2#同流动性
2.3混凝土的毛细吸水性测试方法
Hall[21]等通过研究，发现混凝土中的毛细管吸水现象符合达西定律。
当我们将混凝土材料的毛细孔进行简化，变成等径的毛细管，而且不考虑水的自重的影响的时候，试验的条件能够使得水从接触面而沿着混凝土的开口的孔体系进行一维的上升，因此，试验的结果可以采用方程
（1）来得到，在方程中，S代表吸水性。
当测试的时间比较短的时候，混凝土材料的毛细的管吸附作用遵照i～t
0.5的规律，而对于时间大于一小时的测试，因为混凝土材料的吸水性逐渐降低，因此会出现一个很大的偏离i～t0.5的情况，另外，根据管模型的吸附的理论，我们可以通过指数的衰减函数来对其进行拟和。
一般来说，混凝土的毛细吸水性是一个比较容易测定的参数，并且毛细吸水性的精度比较高，因此在对混凝土的耐久性的进行评价的时候是经常被一些研究者采用的参数。
本试验中，对于混凝土的毛细吸水性的测定采用的是如图1的实验装置[21-22]，另外。
采用公式
（1）和式
（2）来对混凝土的毛细吸水性能进行描述。
（1）
（2）
式中，i表示试件的单位面积的累计吸水量；t表示测试的时间；△W表示吸水的质量；Ar表示试件的截面积；ρ0表示水的密度；a是一个常数；S表示毛细的吸附系数，单位，mm/min0.5。
由试验可以得到不同测试时间的吸水的质量△W，并且通过公式
（1）可以计算出单位面积的累计吸水量i，然后可以绘制出来i—t0.5曲线，通过进行线性拟合可以得到该曲线的斜率S，斜率S表示的就是混凝土的吸水性。
另外，混凝土吸水性S和混凝土的初始的含水率（θ0）以及环境的温度有一定的关系.吸水性S可以表示为初始含水率θ0的函数，如公式3：
S1=S0（1-1.08θir）1/2.（3）
式中，S0表示干燥试件的吸水性（θ0=0）；Si表示发的是含水率为θir的时候的相同试件的吸水性；θ表示试件的含水率。
为了保证该试验的结果具有一定的可比性，我们在对混凝土的毛细吸水性进行测定的时候，应该保持每个混凝土试件的初始含水率的一致性。
本实验对于所有的用于测定毛细吸水性的混凝土的试件首先在105℃的温度下进行干燥预处理3h，以便使得各个混凝土试件的初始含水率都相同。
在试验中，将各个混凝土试件的侧面涂石蜡，然后将混凝土试件在干燥塔中进行冷却，直至室温，随后将混凝土试件的一端在水中进行浸泡，并且使得水位不能超过混凝土试件的底面5mm，在试验过程中，通过加水控制水位控制一直保持在4至5mm之间。
水的温度对混凝土的毛细吸水性具有一定的影响，而且随着水的温度的不断升高，混凝土的毛细吸水性呈现缓慢增加的趋势.在不同温度下的混凝土的毛细吸水性与（σ/η）1/2值成一定的比例关系（σ表示水的表面张力
，η表示水的粘度）。
我们由理论计算得到：
5℃的时候（σ/η）1/2值是7m1/2/s1/2，而在35℃的温度的时候，（σ/η）Z值为10m1/2/s1/2。
因此，本实验的吸水性试验是在常温条件下进行的，环境的温度为25℃，相对湿度是85%。
试验使用的是直径为100mm长为150mm的混凝土的试件，试件是由150mm×150mm×150mm的立方体试件进行标准的养护28d之后通过取芯而得到得，预处理后，在干燥塔中冷却至室温，然后将试件一端浸泡在水中，其侧面必须密封，以保证水在混凝土中的一维迁移，且水位不应超过试件底面5mm。
试验的测量是在试验进行的24h（1440min）之内按照一定的时间间隔一共测量大概15个时刻的混凝土试件的累计的吸水的质量△W，分别测量时间t为0，20，40，80，120，160，240，360，720，1440min。
混凝土试件的质量是使用天平进行称量的，天平的刻度精确到0.1g。
在称量的时候，应当把混凝土试件的表面的水擦干净，并且每次称量的时间不应该超过30s。
另外，由于混凝土的初始的吸水速度具有比较大的离散性，因此在进行试验数据的拟和的时候，不应当除去t=0时刻的点的数值。
图1吸水性试验的装置
3结果与分析
3.1典型i-t0.5曲线
典型的i-t0.5曲线见图2。
对数据进行线性拟和之后得到了该曲线的斜率，也即是混凝土的吸水性S是0.0233，其相关系数R为0.9841。
图2典型的i-t0.5曲线（试样A1）
3.2水胶比对混凝土的毛细吸水性的影响
试验研究了水胶比对混凝土的毛细吸水性的影响，结果见图3。
由图我们可以看出，混凝土的毛细吸水性与水胶比成一定的正相关的关系，随着水胶比的增加，混凝土的吸水性呈现逐渐增大的趋势，随着水胶比的降低，混凝土的吸水性也逐渐的下降，当水胶比从0.5下降到0.3的时候，混凝土的吸水性却下降了52%，下降的幅度很大。
这可能是因为与混凝土的毛细的孔隙率是随着水胶比的变化而变化得。
另外，由孔隙率的试验结果可知[23]，当水胶比降低的时候，混凝土的毛细孔隙率也是呈现降低的趋势的。
当水胶比较高的时候，水胶比的变化对于混凝土的吸水性的影响变得更加的显著，当水胶比从0.5下降到0.3的时候，混凝土的吸水性的下降速率变得缓慢，这可能是因为水胶比的逐渐变化能够使得混凝土的大孔的孔隙率逐渐降低，并且随着水胶比的降低，与混凝土的吸水性相关的毛细孔的孔隙率的下降逐渐变缓。
图3水胶比对混凝土吸水性的影响
3.3粉煤灰掺量对混凝土吸水性的影响
分别设定不同的粉煤灰的掺入量，研究在水胶比分别为0.3和0.4的时候，粉煤灰的掺入量对于混凝土的吸水性的影响，试验的结果见图4。
图4可知，无论采用0.3的水胶比还是0.4的水胶比，水胶比分别为0.3和0.4时，混凝土的吸水性都与粉煤灰的掺入量具有很好的线性相关性，并呈现一定的负相关。
混凝土的吸水性随着粉煤灰的掺入量增加而逐渐降低。
另外，在相同的粉煤灰的掺入量的时候，水胶比为0.4时的混凝土的吸水性比水胶比为0.3时的吸水性略高。
此外，我们还可以看出，随着粉煤灰的掺入量的增加，在两种不同的水胶比下，混凝土的吸水性的下降速率是比较接近的。
例如，当粉煤灰的掺入量为40%，水胶比为0.3的时候，混凝土的吸水性下降了42%，而当水胶比为0.4的时候，混凝的土吸水性下了降40%。
用粉煤灰对部分的水泥进行等量的替代，可以使得混凝土的毛细孔的含量降低，并且随粉煤灰的掺入量的逐渐增加，混凝土的毛细孔的含量呈现逐渐减少的趋势。
虽然随着粉煤灰的掺量的逐渐增加，混凝土的大孔的含量有一定的增加趋势，但是混凝土的大孔对于与毛细管的吸附作用相关的混凝土的吸水性的影响并不明显。
图4粉煤灰掺量对混凝土吸水性的影响
3.4硅灰的掺入量对混凝土的吸水性的影响
采用硅灰对5%～10%的水泥进行等量替代，研究硅灰的掺入量对于混凝的土吸水性的影响，试验结果见图6。
由图6我们可以看出，在只掺入硅灰的时候，可以使得混凝土的吸水性降低，并且随着硅灰的掺入量的逐渐增加，混凝土的吸水性越来越低，当硅灰的掺入量为5%的时候，与空白的混凝土的吸水性相比的话，混凝土的吸水性降低6.3%；当硅灰的掺入量增加到10%的时候，与空白的混凝土相比，混凝土的吸水性降低了30%，可见降低的幅度很大。
硅灰对于混凝土的吸水性的影响作用可能是因为硅灰的密实填充效应以及火山灰效应等。
图6硅灰掺量对混凝土吸水性的影响
3.5硅灰和粉煤灰复掺时对混凝土的吸水性的影响
试验分别选择了5%以及10%的硅灰和10%～30%范围内的粉煤灰进行混合，用以研究两者的复掺对于混凝土的吸水性的影响，结果如图7。
由图7可知，当用硅灰和粉煤灰进行掺和的时候，随着粉煤灰的掺入量的逐渐增加，混凝土的吸水性呈现逐渐降低的趋势。
当掺入相同的粉煤灰的时候，掺入5%的硅灰的混凝土的吸水性大于掺入10%的硅灰的混凝土的吸水性。
当粉煤灰的掺入量为30%的时候，与5%的硅灰进行混合制成的混凝土的吸水性比只掺入粉煤灰的混凝土降低了8%，比只掺入硅灰的混凝土降低了14%；而当与10%的硅灰进行复合的混凝土的吸水性比只掺入粉煤灰的混凝土降低了32%，比只掺入硅灰的混凝土降低了26%。
这些数据说明了硅灰和粉煤灰的双掺对于对混凝土的吸水性具有一定的叠加效应。
图7硅灰与粉煤灰复合对混凝土吸水性的影响
4结语
混凝土的毛细吸水性与水胶比成一定的正相关的关系，随着水胶比的增加，混凝土的吸水性呈现逐渐增大的趋势，随着水胶比的降低，混凝土的吸水性也逐渐的下降。
当水胶比较高的时候，水胶比的变化对于混凝土的吸水性的影响变得更加的显著。
混凝土的吸水性都与粉煤灰的掺入量具有很好的线性相关性，并呈现一定的负相关。
混凝土的吸水性随着粉煤灰的掺入量增加而逐渐降低。
虽然随着粉煤灰的掺量的逐渐增加，混凝土的大孔的含量有一定的增加趋势，但是混凝土的大孔对于与毛细管的吸附作用相关的混凝土的吸水性的影响并不明显。
在只掺入硅灰的时候，可以使得混凝土的吸水性降低，并且随着硅灰的掺入量的逐渐增加，混凝土的吸水性越来越低。
硅灰对于混凝土的吸水性的影响作用可能是因为硅灰的密实填充效应以及火山灰效应等。
当用硅灰和粉煤灰进行掺和的时候，随着粉煤灰的掺入量的逐渐增加，混凝土的吸水性呈现逐渐降低的趋势。
硅灰和粉煤灰的双掺对于对混凝土的吸水性具有一定的叠加效应。
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