高性能混凝土8HFCC力学与耐久性.docx
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高性能混凝土8HFCC力学与耐久性
高掺量粉煤灰混凝土（HFCC）的力学性能与耐久性
A.BilodeauandV.M.Malhotraetal.
摘要
本文介绍对美国产8种粉煤灰，两种波特兰水泥配制的HFCC进行新拌与硬化混凝土各种性能研究的结果。
试验混凝土中，水与水泥用量分别仅为115Kg/m8和155Kg/m8左右；而粉煤灰约占胶凝材料总量的55～60%。
研究的内容包括新拌混凝土的工作度、泌水率、凝结时间、自生温升和硬化混凝土的抗压、抗折与劈裂抗拉强度、弹性模量、干缩、徐变、耐磨耗等力学性能以及气孔参数、抗冻融循环能力、抗除冰盐性能、抗氯离子渗透的能力以及透水系数的测定。
对试验结果的分析得出的结论是：
以本研究中使用的粉煤灰和水泥可以配制出高性能引气大掺量粉煤灰混凝土。
这种混凝土泌水小、耐久性良好。
唯一的例外是抗除冰盐性能不大令人满意。
在1985年，加拿大能源矿产部（CANMET）开发了高掺量粉煤灰混凝土，一种用低含钙粉煤灰掺量很大的结构混凝土。
这种混凝土的水与水泥用量很少，仅115Kg/m8和155Kg/m8左右；与其相应，粉煤灰要占胶凝材料总量的55～60%。
通过使用超塑化剂，它获得了很高的工作度。
这种混凝土开发以后，CANMET和其他一些学术机构进行的无数试验表明：
HFCC有着极好的力学性能与耐久性能。
1990年，CANMET开始了一项旨在利用几种美国粉煤灰与水泥配制HFCC的基础上，建立工程应用数据库的课题。
这项正在进行的课题，是为加州的电力研究院（EPRI）而开展的，与多伦多RadianCanada公司签定了子合同。
研究中选用了来源不同，矿物化学成份覆盖范围很宽的8种粉煤灰和两种硅酸盐水泥。
本文提供了采用上述材料配制的HFCC新拌与硬化混凝土各种性能试验得到的结果。
研究意义
目前粉煤灰用于结构混凝土时，掺量限制在水泥用量的25%左右。
本研究的目的在于开发粉煤灰掺量约为水泥重量60%的混凝土，增大粉煤灰用量将有助于减轻它的存放问题，一定程度上有助于环境保护。
范围
本研究共配制112拌，每拌0.06m8的16种引气混凝土。
水胶比（W/C+F）固定为0.33、粉煤灰为胶凝材料总量的58%。
测试了新拌混凝土的性能，包括坍落度、含气量、凝结时间和泌水率、自生温升、成型并湿养护了大量试件，以测定其力学性能，包括不同龄期的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度、弹性模量、耐磨耗、干缩与徐变，还测试了包括抗冻融循环能力、抗除冰盐性能、抗氯离子渗透的能力以及渗透系数等耐久性。
混凝土拌和物
16种引气混凝土，每种拌7盘；A、B、C、D和E共5盘是先进行的；F和G两盘相隔几个月以后才进行的。
每种粉煤灰均与两种水泥配制了混凝土，下面详细介绍所用各种原材料。
水泥
所用两种水泥均为ASTMⅠ型水泥，细度相近，主要区别在碱含量与C3A含量不同。
两种水泥的矿物组成与化学成份见表1。
C1含碱低、C3A含量只有6.4%；而C2含碱高、C3A含量达11.9%。
C2水泥的3d，7d抗压强度高于C1水泥。
表1水泥的物理性质与化学分析
Ⅰ型水泥
物理试验
C1
C2
细度-45μ筛通过量%
93.6
94.9
比表面积，m2/kg
371
376
比重
3.14
3.14
抗压强度（51mm立方体）（MPa）
3d
21.2
31.5
7d
31.5
34.5
28d
45.0
41.9
化学分析（%）
SiO2
21.16
19.20
Al2O3
4.75
5.79
Fe2O3
3.65
2.03
CaO
64.99
63.48
MgO
1.24
2.52
SO3
2.27
3.50
Na2O
0.07
0.33
K2O
0.18
1.16
烧失量
1.11
2.61
矿物组成
C3S
65.4
63.7
C2S
11.4
7.0
C3A
6.4
11.9
C4AF
11.1
6.2
粉煤灰
所用8种粉煤灰的矿物与化学成份范围很大，其中两种CaO含量较高，有5种CaO含量低于4.5%；含碱高的可达6.75%（Na2O当量）；其余在1.5-3.5%之间。
8种粉煤灰的矿物组成与化学成份见表2。
表2粉煤灰的物理与化学分析
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
物理试验
细度-45μ筛通过量%
68.1
78.6
72.7
83.3
78.5
70.1
84.7
80.8
比表面积m2/kg
273
221
239
318
263
238
327
355
比重
2.35
2.23
2.45
2.45
2.46
2.34
2.43
2.41
化学分析（%）
SiO2
49.02
53.64
46.20
48.87
46.38
54.54
47.33
55.39
Al2O3
26.69
27.42
15.60
21.12
15.32
31.53
25.44
18.54
Fe2O3
12.31
7.74
7.70
16.57
7.83
6.28
13.82
6.38
CaO
2.37
2.88
14.98
4.49
19.34
1.17
1.81
9.51
MgO
0.95
0.99
4.34
1.09
5.48
0.85
1.52
2.16
SO3
0.77
0.37
1.72
1.85
1.45
0.40
0.90
0.92
Na2O
0.21
0.38
5.52
1.43
0.83
0.22
1.18
3.08
K2O
2.34
2.42
1.86
2.40
1.82
2.00
2.80
烧失量
2.78
1.49
0.45
0.95
0.54
1.46
2.22
0.30
含碳量
1.65
1.04
0.16
0.28
0.04
0.95
1.38
0.31
与水泥活性之比
84.8
84.5
87.7
90.6
100.9
85.2
84.9
——
骨料
级配粗骨料为破碎石灰石，最大粒径19mm；细骨料为天然砂。
为保证每种拌和物的骨料级配一致，粗细骨料均经筛分后重新组成一定的级配。
粗骨料的密度与含水率为2.69和0.7；细骨料的为2.70和0.8，细度模数为2.74。
超塑化剂
所用为萘磺酸盐甲醛缩合物商品超塑化剂。
引气剂
所用引气剂均为合成树脂类。
拌和物配合比
配合比见表3（A～E盘）和表5（F与G盘）。
分级的粗细骨料均在室干状态下称重；然后粗骨料浸水24小时，泌去过量的水，其含水率通过浸水前后称重确定；细骨料加入计算好的水量，放置24小时。
所有拌和物的水胶比均为0.33，都掺有引气剂；水泥与粉煤灰的用量维持一定，控制含气量在5.5±0.5%，调整超塑化剂剂量使坍落度为150±25mm。
拌和物用试验室的反转出料搅拌机拌和，粉煤灰作为单独的组份加入，每盘拌60升。
新拌混凝土的性质
新拌混凝土的性质，包括温度、坍落度、密度、含气量示于表4和5。
表3A、B、C、D与E盘的配合比
编号
W/（C+FA）
水
水泥
粉煤灰
粗骨料
细骨料
引气剂*
高效
减水剂
kg/m3
牌号
kg/m3
来源
kg/m3
kg/m3
Kg/m3
mL/m3
1
0.33
119
C1
152
F1
211
1192
641
300
3.8
2
0.33
120
C2
152
F1
211
1196
643
210
4.5
3
0.33
120
C1
153
F2
212
1191
639
470
3.9
4
0.33
120
C2
153
F2
212
1192
639
400
4.7
5
0.33
119
C1
152
F3
211
1197
643
80
1.4
6
0.33
120
C2
153
F3
213
1206
648
45
2.0
7
0.33
119
C1
152
F4
212
1200
645
265
3.6
8
0.33
118
C2
152
F4
211
1195
642
135
3.4
9
0.33
119
C1
152
F5
211
1200
646
170
1.9
10
0.33
119
C2
152
F5
211
1201
646
85
2.1
11
0.33
118
C1
152
F6
210
1189
640
475
3.5
12
0.33
119
C2
152
F6
210
1188
639
340
4.3
13
0.33
119
C1
152
F7
211
1195
642
285
2.4
14
0.33
118
C2
152
F7
211
1193
641
210
3.7
15
0.33
118
C1
152
F8
210
1194
641
220
2.7
16
0.33
117
C2
151
F8
209
1187
638
150
2.8
表4A、B、C、D到E盘新拌混凝土的性质
编号
水泥品牌
粉煤灰来源
坍落度（mm）
单位重：
kg/m3
含气量（%）
温度
（℃）
A*
B*
C*
D*
E*
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
1
C1
F1
140
125
145
125
140
2320
2320
2305
2320
2320
5.8
5.6
5.9
5.3
5.6
24
2
C2
F1
180
150
170
150
165
2320
2330
2305
2330
2320
4.8
5.0
5.7
4.9
5.2
22
3
C1
F2
180
230
190
230
230
2330
2295
2320
2320
2320
5.0
5.9
5.4
4.5
4.9
23
4
C2
F2
195
180
180
190
180
2330
2320
2330
2305
2305
5.2
5.0
4.7
5.8
5.9
23
5
C1
F3
140
125
160
165
135
2345
2320
2320
2315
2320
5.5
6.1
5.9
6.0
5.9
25
6
C2
F3
110
115
95
120
125
2345
2345
2355
2320
2330
5.2
5.2
4.8
5.9
5.6
23
7
C1
F4
150
160
170
185
180
2330
2345
2320
2320
2330
5.7
5.0
5.4
5.6
5.3
23
8
C2
F4
150
160
145
150
150
2330
2305
2330
2320
2305
5.5
5.8
5.3
5.5
5.8
24
9
C1
F5
195
180
180
170
170
2345
2305
2330
2330
2330
5.1
5.6
5.4
5.5
5.5
22
10
C2
F5
120
125
160
135
140
2320
2330
2330
2330
2345
5.9
5.6
5.2
5.4
5.3
20
11
C1
F6
185
160
180
170
75
2320
2330
2295
2305
2305
5.4
5.0
5.5
5.6
5.8
22
12
C2
F6
160
205
205
160
150
2320
2305
2295
2305
2320
5.0
5.3
5.6
5.4
5.5
22
13
C1
F7
170
170
180
180
180
2320
2305
2320
2330
2320
5.8
5.5
5.3
5.1
5.3
23
14
C2
F7
120
140
100
100
145
2320
2300
2325
2320
2320
5.6
5.8
5.4
5.8
5.8
21
15
C1
F8
165
165
170
165
165
2330
2305
2295
2320
2330
4.7
5.5
5.9
5.4
5.2
22
16
C2
F8
180
190
190
160
160
2305
2295
2305
2305
2305
5.7
5.9
5.6
5.8
5.9
22
注：
*A、B、C、D和E是盘号。
表5F和G盘新拌混凝土的性质
编号
W/
（C+FA）
水
kg/m3
水泥品牌
粉煤灰来源
粗骨料kg/m3
细骨料kg/m3
引气剂
mL/m3
超塑
化剂
L/m3
坍落度
（mm）
单位重kg/m3
含气量kg/m3
温度（℃）
品牌
kg/m3
来源
kg/m3
F
G
F
G
F
G
1
0.33
120
C1
154
F1
213
1198
645
405
4.6
125
140
2330
2330
5.9
5.0
23
2
0.33
121
C2
154
F1
214
1210
650
250
4.6
120
110
2360
2345
4.8
4.9
23
3
0.33
120
C1
153
F2
212
1197
641
800
4.0
210
130
2330
2320
4.5
5.8
23
4
0.33
120
C2
152
F2
211
1190
638
485
3.9
160
190
2320
2305
5.5
6.4
23
5
0.33
119
C1
152
F3
212
1206
648
75
1.3
125
135
2360
2320
5.0
6.1
21
6
0.33
119
C2
153
F3
212
1206
648
65
2.0
85
120
2345
2330
5.5
5.8
21
7
0.33
120
C1
153
F4
212
1205
647
305
4.1
150
185
2345
2330
5.2
5.8
23
8
0.33
120
C2
154
F4
214
1216
653
160
3.7
125
120
2370
2345
5.0
5.7
22
9
0.33
119
C1
153
F5
212
1205
648
175
1.9
160
165
2345
2330
5.3
6.1
18
10
0.33
120
C2
153
F5
212
1205
648
75
2.1
140
135
2345
2330
5.7
5.9
18
11
0.33
120
C1
154
F6
214
1211
651
325
3.2
95
190
2360
2345
4.8
4.6
21
12
0.33
120
C2
153
F6
213
1203
647
335
4.2
135
160
2345
2330
5.3
5.3
21
13
0.33
120
C1
153
F7
212
1205
647
290
2.4
120
165
2360
2320
5.7
5.9
17
14
0.33
119
C2
152
F7
211
1202
645
200
3.7
100
125
2330
2330
5.8
5.6
17
15
0.33
119
C1
151
F8
210
1195
642
280
3.0
100
125
2320
2320
6.1
6.2
20
16
0.33
119
C2
152
F8
211
1199
644
210
3.4
125
110
2330
2320
5.9
6.2
21
注：
SP*超塑化剂
试件的制备与成型
每种拌合物都拌制7盘，以制备足够的试件。
下面描述这部分研究中为确定混凝土绝势温升、凝结时间、泌水率和力学性能与耐久性而制备的试件。
每种拌和物的D和E盘各成型6个，共12个152×305mm的圆柱体试件，用于测定不同龄期混凝土的抗压强度和弹性模量；
每种拌和物的A盘成型9个76×102×406mm棱柱体试件，用于确定混凝土不同龄期的抗弯强度；
每种拌和物的C盘成型2个152×305mm圆柱体试件和1块305×305×95mm的板，圆柱体试件用于确定劈裂抗拉强度，板用于确定混凝土的耐磨性；
每种拌和物的D盘成型6个76×102×390mm圆柱体试件，用于确定混凝土徐变特性；
每种拌和物的A，B，C和G盘各成型2个152×305mm，F盘成型3个102×203mm圆柱体试件，用于确定混凝土28d的抗压强度；
每种拌和物的A，B，C和G盘各成型2个152×305mm，F盘成型3个102×2043mm圆柱体试件，用于确定混凝土28d的抗压强度；
每种拌和物的A盘成型6个102×203mm圆柱体，用于测定混凝土抗氯离子渗透的能力；另外，每种拌和物的E盘成型2个152×305mm圆柱体试件测定混凝土的透水性能；
每种拌和物的B盘浇筑6个76×102×390mm棱柱体试件和2个280×300×75mm板状试件。
棱柱体试件用于测试混凝土抗冻融循环的能力。
板状试件用于测试混凝土抗剥落的能力。
对所有各盘料，圆柱体试件和棱柱体试件都分两层浇筑。
对152×305mm的圆柱体试件的每层要用插入式振捣棒振密实；其它试件则用振动台振实。
板状试件一次浇筑，振动台振实。
浇筑后，所有试件都用塑料膜和浸饱水的麻布覆盖。
在成型室存放24小时，然后脱模，并移到相对湿度为100%的养护室养护直至试验。
测定干缩的棱柱体是放在饱和石灰水里养护的。
试件的测试
在自动养护箱内放两个152×305mm的新拌混凝土圆柱体，在它们中心放置热电偶，用于测试绝热温升，养护箱符合ASTMC684“混凝土抗压试件的制作、加速养护和测试”中步骤C的要求，每隔30min记录一次温度，连续记录48小时。
D和E盘成型的各6个圆柱体试件测定龄期至2年的抗压强度，每个龄期测两个，每盘一个；为了对比，测定了28d时A，B，C和G盘各成型的两个152×305mm的以及F盘的3个102×203mm的圆柱体试件的抗压强度；测试了D和E盘各4个圆柱体28d，91d，1年与2年龄期的杨氏弹性模量；9个A盘的棱柱体用于测定14d、91d和2年龄期的抗折强度；C拌的两个圆柱体用于确定28d混凝土的劈裂抗拉强度。
测试了每盘各一块板在91d湿养护后的耐磨性；所有拌和物的D盘中成型的棱柱用于测试在饱和石灰水存放7至91d后的干缩，5个圆柱体在养护约130d后测徐变。
B盘成型的6个棱柱体试件经14d湿养护后用ASTMC666A方法测定其抗反复冻融循环的能力；另外两个棱柱体试件进行抗弯试验，以确定受冻前的抗折强度。
从棱柱体试件锯下一截用于测定硬化混凝土的气孔结构；八下的4个棱柱体试件在进行冻融试验前，放到温度为4.4±1.7℃的冷水箱里，受冻融试件以及对照试件的初始及后来的测定，都是这个温度下进行。
初始测定后，两个试件放在冻融箱中，另两个参照试件放在湿养护室里作对比。
冻融试验后，对比试件与受冻融试件均进行抗折强度试验。
B盘成型的两块板经14d养护后，从湿养护室移到相对湿度为50±5%、温度为23±1.7℃空气中存在14d，然后用3%氯化钠溶液进行每天一个循环的冻融试验，经5个循环后，更换新液，并进行表观检测，收集剥落碎片。
A盘成型的102×203mm试件分别在28d、91d、365d进行快速氯离子渗透试验（AASHTOT277-83）。
渗透性试验采用CANMET提出的方法测定。
该试验用152×305mm圆柱体试件切割成厚度50mm的试件，加水压2.8MPa，测出透水体积或劈开未透水的试件，测出透水深度。
测试结果
表6所示为混凝土拌和物的泌水率和凝结时间数据；绝热温升的测试结果见图1和2；最大温升见表6；圆柱体试件的密度在1d测试，其结果见表7，表7不定期给出了抗压强度试验结果，绘于图3和图4；28d，91d和1年的弹性模量测试结果见表8；14d和91d的抗折强度和28d劈裂抗拉强度数据见表9；耐磨耗数据见表10；干燥收缩试验结果总结于表11和12；部分徐变数据列于表13。
硬化混凝土的气孔特性见表14；经过1000次冻融循环后的试验结果，包括耐久性系数见表15；参照棱柱体和试验棱柱体经冻融循环后的抗折强度见表16。
经50～100次3%氯化钠溶液冻融循环后，板状试件表观检查结果及剥落物总量见表17。
混凝土抗氯离子渗透的数据见表18；抗氯离子渗透的能力与龄期的关系曲线分别见图5和图6；混凝土渗透性的部分数据见表19。
图1C1水泥混凝土的最大温升图2C2水泥混凝土的最大温升
·超塑化剂的掺量与坍落度
超塑化剂的掺量变化范围较大，对不同的混凝土拌和物来说，在胶凝材料总量的0.4～1.3%之间。
拌和物的流变性能也有差异，一些拌和物只需要较小的坍落度，就可以获得相似的振动效果，把这种拌和物的坍落度增大到一定值，则可能导致离析并浪费大量超塑化剂。
这种超塑化剂所需剂量上的差别，可能是由于粉煤灰的细度与组成不同造成的，之间的关系尚不清楚。
一般说来，用C2水泥配制的混凝土，比用C1所需的超塑化剂掺量大，这可能是前者含C3A高的缘故。
·泌水率
用C2水泥配制的混凝土，总泌水量在1.4～8.9ml/cm2，小到可以忽略的程度（表6）。
因为两种水泥细度接近，泌水率小可能也是因为它C3A含量高的缘故。
看来粉煤灰对泌水的影响与其细度没有明显的关系，表3和表6的数据显示出：
泌水率最大的拌和物所需超塑化剂用量最小。
·凝结时间
初凝时间与终凝时间分别为4:
50～12:
51和6:
28～13:
24之间，除了7号拌和物可能超过13:
24（见表6）。
用C1水泥配制的混凝土，其初凝时间与终凝时间均较长，无论
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