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1、粉煤灰对低胶材自密实混凝土强度及孔结构的影响河海大学陈璋I,陈徐东I白银2,唐建辉1(1.河海大学土木与交通学院，江苏南京210098；2.南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏南京210029)水利水电技术(中英文).2023,54(02)指导教师：陈徐东教授摘要：为了研究粉煤灰替代率影响低胶凝材料用量的自密实混凝土抗压强度以及孔结构的机理，基于可压缩堆积模型(CPM),通过正交试验测试得到不同粉煤灰替代率和胶凝材料用量情况下的自密实混凝土流动性及28d抗压强度,并基于X射线计算机断层扫描技术(X-CT)对自密实混凝土的内部孔结构特征进行了分析。研究结果表明：提高粉煤灰替代率和胶凝材料用量可
2、以提高自密实混凝土流动性和28d抗压强度，粉煤灰替代率达到20%左右时28d抗压强度达到峰值，大于20%后有所回落。此外，提高粉煤灰替代率和胶凝材料用量可以降低自密实混凝土孔隙率，改善孔隙分布均匀性，减少孔隙数量，细化孔隙，提富孔隙球形度，优化自密实混凝土内部结构。研究成果为实际水利水电工程中实现低胶凝材料用量自密实混凝土的低成本、高性能、绿色环保提供了理论支持。关键词：粉煤灰；计算机断层扫描术；自密实混凝土;孔结构；球形度；胶凝材料ImpactofFlyAshReplacementRateonCompressiveStrengthandPoreStructureofSelf-compacti
3、ngConcretewithLowCementitiousMaterialsAmountCHENZhang,CHENXudong1,BAIYin2,TANGJianhui1(1.CollegeofCivilandTransportationEngineering.HohaiUniversity.Nanjing210098,China:2.Materials&StructuralEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute.Nanjing210029,China)Abstract:Inordertostudytheimpactof
4、flyashreplacementrateonporestructureandcompressivestrengthofself-compactingconcretewithlowcementitiousmaterialsamount,wetestedtheflowabilityand28dcompressivestrengthofconcretewithdifferentflyashreplacementrateandcementitiousmaterialsbyorthogonalexperiment.anddiscussedtheporestructurefeaturesofconcre
5、tebasingonX-raycomputertomographytechniques(X-CT).Theresultsindicatethat:increasingflyashreplacementrateandcementitiousamountcanimprovetheflowabilityandthe28dcompressivestrength,butwhenflyashreplacementrateexceeded20%,the28dcompressivestrengthfellback.Inaddition,increasingflyashreplacementrateandcem
6、entitiousamountcanalsoreducetheporosityofconcrete,refinethepores,optimizetheinternalstructureofconcreteandimprovetheporositysphericity.Thepaperprovidestheoreticalsupportforlowcost,highperformanceandenvironmentalprotectionofself-compactingconcretewithlowcementitiousmaterialsamountinactualwaterconserv
7、ancyandhydropowerengineeringprojects.Keywords:flyash；computertomography：self-compactingconcrete；porestructure：sphericity；cementitiousmaterials0引言自密实混凝土(self-compactingconcrete,SCC)是一类在水胶比较低时仍具有高流动性的混凝土，凭借其免振捣的优势现已广泛应用于水利水电实际工程中，如南水北调南干渠隧洞、布仑口公格尔水电站隧洞等，工程重要性显著。然而SCC的水泥、粉煤灰和矿粉等胶凝材料用量一般较高，由此造成施工成本的增加的同
8、时，导致SeC收缩、温度变形较大，影响耐久性，提高了安全隐患31。此外，水泥在混凝土生产过程中CO2排放量巨大。因此，在水利水电工程的成本、安全、环保三方面，研发低胶凝材料用量的SCC都具有现实意义。为了得到性能良好的低胶凝材料SCC,学者通常从提高颗粒堆积密实度、采用矿物掺合料替代部分水泥两方面入手。提高密实度方面，Ghoddousi等采取多类矿物混合取代部分水泥得到了良好的SCC填充物堆积密实度，此外众多学者也提出了不同的计算密实度的方法,如FUHel1模型、修正TOUfar模型、修正AndreaSen&Andersen模型和DeWar模型划等，但上述几种模型只探讨了有限数量的骨料颗粒或是
9、视所有单独骨料为简化的颗粒分布，在计算实际混合物的密实度上有着各种程度的局限性。与上述模型不同，法国路桥中心提出的可压缩堆积模型(COmPreSSibIepackingmodel,CPM)WL充分探讨各级别粒径颗粒间互相影响，引入堆积阶段中的压实指数，提出并定义了虚拟堆积密实度，从而能计算任意骨料数量的颗粒堆积密实度。SBIN基于CPM模型发现在SCC中随着抗压强度的增加，细颗粒对提高堆积密度的贡献增大；BALA等提出了一种确定宽粒度分布的颗粒混合物CPM参数的预测方法，从而减少优化颗粒混合物填充密度的试验次数。矿物掺合料代替部分水泥方面，张玲峰等同发现矿物掺合料在替代部分水泥的同时与水泥水化
10、产物反应，降低混凝土内部水化程度，从而提高力学性能；RUAN等网发现煨烧粘土和石灰石粉代替50%70%水泥可以有效提高混凝土硬度，细化孔隙结构，但对强度的提高效果不明显；RIYANA等I发现稻壳灰-粉煤灰-水泥三元混合SCC的28d龄期抗压、劈裂抗拉、抗弯强度均优于传统SCC,并找到了最佳替代比例。然而，过去的研究更多集中于矿物掺合料对SCC力学性能的影响机制上，直接研究SCC孔结构，并探究其抗压强度与孔结构之间关系的学者仍然较少。随着混凝土无损检测技术的发展与成熟，X射线计算机断层扫描技术(X-raycomputertomography,X-CT)近年来开始逐渐广泛应用于混凝土的组分、结构方
11、面的检验研究【。SUN等四利用X-CT重建了混凝土在间歇动态加载下的三维裂纹形态，揭示了混凝土中既有的大尺寸孔洞与载荷诱导的裂纹网络之间的内在联系。Stefanou等网基于x-c对混凝土各组分体积分数的变异系数进行了量化,基于其统计特征对微观结构影响混凝土力学性能的机理进行了评估。KRSTIC等采用X-CT监测1000次冻融循环的玻璃灰替代水泥混凝土，确定了其中的空气孔隙空间参数，证明玻璃绘替代部分水泥有助于孔隙的细化。采用X-CT检测，可以得到清晰的SCC试样内部孔隙分布和孔隙形态本文基于CPM模型，固定最佳砂率，研究矿物掺合料-粉燥灰替代率对各等级胶凝材料用量SCC工作性能及力学性能的影响
12、，通过X-CT技术,进一步研究对低胶凝材料用量SCC孔结构的影响0通过提高密实度降低浆体含量，同时用粉煤灰代替部分水泥，从而降低胶凝材料用量，为实现低胶凝材料用量SCC在水利水电工程应用中的低成本化、高性能化、绿色生态化提供了一种理论支持。1试验设计1.1原材料水泥为强度等级为P.II52.5的硅酸盐水泥；矿粉为S95级矿粉；采用I级粉煤灰；粗骨料采用粒径范围10-25mm的大石子，粒径范围5-10mm的小石子，大小石子以质量比例3:1混合；细骨料为细度模数为2.6的黄砂；减水剂为上海承智减水剂；水为普通自来水。各胶凝材料相关技术指标均符合矿物掺合料应用技术规范(GB/T51003-2014)
13、.骨料、胶材的粒径曲线如图I所示。00 0.075 0.15 0.3 0.6 0.9 1.18 2.36 4.75 9.5 16.1筛分径(mm)T-河砂-石子llo10090807060so403020io0 I=_Ii111i00.28 0.561.122.244.478.93 17.82 35.56 70.%141.58筛分径(mm)110100908070605040302010(%)帕加第还解骨料(b)胶材图1骨料、胶材粒径累积曲线Fig.1Particle-sizeaccumulationcurveofaggregateandcementitiousmaterials1.2 配合比
14、根据CPM模型，个粒级混合料堆积密实度为IiY=Yi=7X1tX(I-)-1X(If)(2)=l-（l-15式中，i和/均为颗粒粒级叙述；、为分别为第八/级颗粒的质量分数；伏为颗粒粒级的特征值；”为虚拟堆积密实度；的为松动系数；%为附壁系数；&、4分别为第八/级颗粒的颗粒直径。实际密实度S计算公式如下K=E二登（4）Yi式中，K是密实指数。本文在前期试验中基于CPM模型得到不同砂率的密实度,并得到最佳砂率的取值范围，通过测定力学性能验证最佳砂率为45%,此时密实度最大,为0.7283。固定SCC砂率为45%,水胶比为0.45。固定矿粉占总胶凝材料质量比例30%,以粉煤灰占总胶凝材料的质量替代率
15、（以下简称粉煤灰替代率）作为变量，变量选择为0%、10%、20%、30%、40%o设计5组胶凝材料用量,分别为330kg340kgm350kgm360kgm370kgm为探讨两组变量对混凝土流动性能、力学性能和孔结构的影响，进行正交实验共25组，配合比如表1所列。表1试验配合比(kgm3)Table1Concretemixdesign(kgm3)“=0%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301075.6866.8231990.0148.54.03401064.2857.62381020.0153.04.13501052.7848.32451050.0157.54.23601041.2
16、839.12521080.0162.04.33701029.7829.8259Ill0.0166.54.4=10%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301068.1860.71989933148.54.03401056.4851.320410234153.04.13501044.7841.921010535157.54.23601033.0832.421610836162.04.33701021.3823.0222Ill37166.54.44=20%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301060.5854.61659966148.54.03401()48.6845.0170
17、10268153.04.13501036.7835.417510570157.54.23601024.8825.818010872162.04.33701012.8816.2185Ill74166.54.4=30%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉煤灰水减水剂3301053.0848.61329999148.54.03401040.8838.8136102102153.04.13501028.7829.0140105105157.54.23601016.5819.2144108108162.04.33701004.4809.4148IllIll166.54.4=40%胶凝材料粗骨料细骨料水泥矿粉粉
18、煤灰水减水剂3301045.5842.59999132148.54.03401033.1832.5102102136153.04.13501020.7822.5105105140157.54.23601(X)8.3812.5108108144162.04.3370995.9802.6IllIll148166.54.41.3 力学性能测定混凝土强度测试按照BGb50081-2002普通混凝土力学性能测试方法标准进行，用微机控制电子万能试验机，对养护龄期28d的混凝土的抗压强度进行测定。1.4 X-CT仪器使用Vtomexs（德国）微焦点X射线仪进行CT扫描，设置120kV试验电压，150A试验电
19、流，18W试验功率。测试扫描的混凝土试样是从养护28d混凝土试样中心切割得到，试样尺寸为底面直径50mm,高100mm的圆柱体，获得的2D图像分辨率为54.8m体素，即最小可测得孔隙孔径为54.8m,像素数量为10241024o图2CT扫描设备Fig.2CTscantestsetup1.5 CT图像处理方法由imageJ和AViZo（美国VSG公司）软件对所得CT图像进行处理。为避免边壁效应造成分析结果的误差，从试件的每一张原始扫描图像（直径为52.6mm的圆形区域）的中心选取直径为46.6mm的圆形区域进行CT图像的分析，省略区域外的部分。利用imageJ图像分析二维图像上不同位置的灰度分布
20、，确定了孔隙和水泥基体的灰度范围。AViZo可以降低图像的噪声，对不同成分进行阈值分割，然后进行三维重建，分析试块的三维孔隙形态分布特征。2结果与讨论2.1流动性图3（a）表明随着粉煤灰替代率提高，混凝土的坍落扩展度也随之提高。由于粉煤灰为球形颗粒且体积较水泥颗粒小，相同质量的胶凝材料，粉煤灰越多，浆体体积越大，浆体对骨料间孔隙的填充效果越好，同时对颗粒的润滑效果也越好，因而提升了混凝土的可塑性和黏聚性；此外，粉煤灰颗粒降低了浆体和砂石颗粒之间的接触界面磨擦，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，起到球形轴承的作用效果，改善了和易性。图3(c)和图3(d)分别为当胶凝材料为330kg时，混凝土中粉煤灰含量
21、为0%和20%时的流动情况，明显可以看出，当粉煤灰含量在0%时，混凝土骨料堆积，出现离析现象。20%粉煤灰掺量、330kg也是本文唯一出现离析现象的试验组，这是因为该组胶凝材料最少，且不含粉煤灰，导致胶凝材料与细骨料质量之比过低，材料间粘聚力不足，造成离析现象，而随着粉燥灰替代率越高以及胶凝材料越多，浆体体积越大，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，从而改善了新拌混凝土的和易性,不出现离析现象。胶凝材料用量增加以及粉煤灰替代率增大都可以减小浆体的塑性粘度，而浆体粘度主要表征的是SCC拌合物变形的速度，通常用从提起坍落度桶开始至扩展开的混凝土直径达到50Omm所需时间(Tsoo)表示，粘度越小则流体可
22、塑性越好，流动速度越大，即T500越小磔L图3(b)展示了粉煤灰替代率和Tsoo之间的关系，粉煤灰替代率增加与胶凝材料增加都会使Tsoo减小，即流动性越好。当胶凝材料含量为330kg粉煤灰替代水泥0%时，SCC达不到T5oo,且混凝土发生严重的离析现象,这是因为浆体含量少，且没有粉煤灰对其进行改善，因此SCC达不到要求。(wE-当法实10203040I&煤灰普代率(%)(a)坍落扩展度(c)0%-330流动性(d)2O%-33O 流动性图3SCC流动性分析Fig.3AnalysisonSCCflowability2.2抗压强度图4为粉煤灰替代率和胶凝材料用量与混凝土抗压强度关系。在粉煤灰替代率
23、为0%20%时，随着粉煤灰替代率提高，混凝土抗压强度逐渐增加，这是由微集料的物理填充效应和二次水化反应所产生的化学增强效应两方面所导致的。粉煤灰替代率达到20%左右，试样强度达到峰值，此后强度有所回落，这是因为水泥用量随着粉煤灰替代率继续升高而降低，水泥水化的生成物氢氧化钙Ca（OH）2也相应降低，粉煤灰和其二次反应生成的C-S-H凝胶量也降低。另外，随着胶凝材料用量的增加混凝土强度也增加，这是因为胶凝材料越多，骨料间胶结程度越好，因此混凝土强度越大123L0IO203040330340350360370P(%)胶凝材料用量(kgm3)(a)(b)图4抗压强度与粉煤灰替代率和胶凝材料用量关系F
24、ig.4Relationshipbetweencompressivestrength-/?andcementitiousmaterialsamount2.3孔结构分析选取胶凝材料用量360kgm粉燥灰替代率为0%、20%和40%的三组试样（编号为0%-360.20%-360和40%-360）及粉煤灰替代率10%,胶凝材料用量为330kg350kgm3和370kgn的三组试样（编号为10%-330、10%-350和10%-370）共六组试样，进行X-CT扫描，处理得到如图5所示的三维孔结构分布图像。对其CT图像的处理及研究可知，粉煤灰替代率与胶凝材料用量对孔隙结构的空间分布及演化规律的影响主要体
25、现在平均孔隙率、孔径分布及孔隙球形度等方面。(a) 0%-360(b) 20%-360(c) 40%-360(d) 10%-330(e) 1O%-35O图5三维孔结构分布图像Fig. 5 3D image of pore structure distribution(f) IO%-37O2.3.1孔隙率为了分析不同的粉燥灰替代率与胶凝材料用量对混凝土的孔隙率的影响，沿着竖直方向由表及里对六种情况下的混凝土试样的二维孔隙率进行提取与分析,得到如图6所示的沿竖直方向的二维孔隙率分布图。从图6中可以看出，沿Z轴深度二维孔隙率的变化明显。混凝土的三维孔隙率可通过计算二维孔隙率的平均值得到，平均孔隙率与
26、其方差见表2。由表2可知，胶凝材料用量为360kg时，粉煤灰替代率为20%、40%的混凝土比无粉煤灰替代的混凝土的平均孔隙率分别减小了55.21%、65.29%,表明使用粉燥灰替代部分水泥可有效减少混凝土的孔隙。这是因为粉煤灰替代率为0%时，没有尺寸更小的粉煤灰颗粒填充，孔隙尺寸较大，随着粉煤灰替代率的提高，粉煤灰颗粒逐渐填充骨料间隙，增加了混凝土的密实度，减小了孔隙率；粉煤灰替代率为10%时，胶凝材料为350kgnA370kgm3的混凝土比胶凝材料为330kgm3的混凝土的平均孔隙率分别减少了53.73%、79.74%,表明适当增加胶凝材料的用量也有减少混凝土孔隙的效果。这是因为随着胶凝材料
27、用量增加，相应的水化产物的数量增多，提高了胶结能力124L此外，越小的方差数值代表了孔隙率在扫描层之间的分布越均匀，由表2可知，与0%-360组的混凝土的方差相比，20%-360与40%-360组的混凝土方差分别减小了56.38%、39.82%,说明使用粉燥灰替代部分水泥可以改善孔隙分布的均匀性；与10%-330组的混凝土的方差相比，IO%-35O与10%-370组的混凝土方差分别增加了16.60%、减小了8L70%,说明随着胶凝材料用量增加，孔隙分布均匀性改善效果越发明显。此外，结合图4(a)、图4(b)得到如图7孔隙率与抗压强度的关系，可以看出相同粉煤灰掺量情况下试样28d抗压强度与孔隙率
28、是成负相关关系，而相同胶凝材料用量情况下试样28d抗压强度与孔隙率关系无明显规律。表2平均孔隙率与方差Table2Meanporosityandvariance试样编号0%-36020%-36040%-3601O%-33O10%-35010%-370平均孔隙率/%6.052.712.104.692.170.95方差1057.913.454.764.705.480.8610%3J0 0 J5Oi l% JTOIKnO 的 i 6饯 IgMO 的 fnt i。 JR 的依介埃n020% 040*0152025-1 V书Ss率(%)(a)360kgm3胶材用量时(b)10%粉煤灰替代率时图6沿竖直方
29、向二维孔隙率2.0 26 3.0 3.5 4.0 4.5 S.0 5.5 6.0 66 7.0孔隙率(%)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0孔隙率(%)Fig. 5 2D porosity along the vertical direction(a) 360kgm3胶材用量时(b) 10%粉煤灰替代率时图7抗压强度孔隙率关系曲线Fig.7Compressivestress-porositycurve2.3.2 孔径分布特征基于X-CT统计分析了六种混凝土试样的内部孔隙孔径的分布特征，得到如图8的分布图。图8(a)表明，粉煤灰替代率的增加可以减少各种孔径级别的孔隙，对100
30、8OOm的孔隙减少效果尤为明显。这是因为粉煤灰的填充性能以及火山灰效应，与水泥水化产物Ca(OH)2二次反应，进一步填充孔隙、优化内部空间结构，并在养护过程中持续生成C-S-H凝胶，提升混凝土致密性；各孔径级别孔隙同时被水化产物填充，大孔隙效果更加明显磔】。由图8(b)可以看出，少量增加胶凝材料用量，对100-800m的孔隙没有减少效果，对800m以上孔隙略有减少效果；而随着胶凝材料用量继续增加，各级别孔径的孔隙减少效果逐渐明显。这是因为随着胶凝材料用量的增加，浆体中生成了大量有益的微观凝胶孔，使大孔径的孔隙不断细化1的。7000图8基于X-CT的孔径分布Fig.8Porediameterdi
31、stributiondiagrambasedonX-CT2.3.3 球形度水泥基材料中孔隙的几何形状较为复杂，不全是完美的球形或椭球形孔隙。为探讨粉媒灰替代率及胶材用量对混凝土内部孔隙的三维形态的影响，使用球形度对孔隙进行统计分析。孔隙的球形度是孔隙的表面积与孔体积对应的球体表面积之比。根据球形度的大小可以对孔隙的三维形态的不规则程度进行描述。球形度的计算公式为：(6v)iD-A(5)其中，V为孔隙三维体积，A为孔隙三维表面积。图9所示为混凝土孔隙球形度与孔体积关系散点图。从图9可以直观地看出，球形度大于0.6的孔隙占到很大比例，且球形度较大的孔隙在各体积范围之中均存在，而球形度较小的孔隙仅存
32、在于体积较大范围中。图10为混凝土孔隙球形度分布图，可看出混凝土孔隙球形度大部分分布在0.9l的区间中。图10(a)中20%-360和40%-360两种混凝土的孔隙球形度在该区间的占比均超过了50%,分别为77.69%和78.86%,可认为大部分孔隙己趋于理想，而0%-360在该区间的占比仅为47.39%。这说明粉煤灰替代率升高可以提高球形度09l的孔隙占所有孔隙的比例,但粉燥灰替代率的继续提升对混凝土孔隙球形度的分布并没有明显的影响，已知0%-360组没有细小的粉煤灰颗粒来填充孔隙，孔隙体积较大，球形度较小，粉煤灰替代率提升后优化了混凝土内部空间结构，孔隙体积降低、球形度升高，表明混凝土孔隙
33、球形度与体积存在负相关关系，与文献2728J的结论相同。图0(b)中1O%-33OJO%-35O.10%-370三种混凝土内部孔隙在0.9-1的球形度区间占比都高于50%,具体分别是79.96%、68.87%和91.35%,这说明随着胶凝材料用量增加，孔隙球形度的提高效果越发明显，这与图8(b)的原因相同，胶凝材料用量的提升使浆体中生成了大量有益的微观凝胶孔，并使大孔径的孔隙不断细化，因此球形度大的孔隙占比较高。(a)360kg胶材用量时(b)10%粉煤灰替代率时图9孔隙球形度与孔体积关系oo000Fig. 9 Relationship between sphericity-pore volu
34、me二】0% 330 nroAS0 HO37O(a)(b)图10球形度分布图Fig10Sphericitydistribution3结论(1)粉煤灰替代率越高以及胶凝材料越多，浆体体积越大，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，改善了新拌混凝土的和易性，提高了自密实混凝土流动性。(2)在粉煤灰替代率为0%20%时，随着粉煤灰替代率的提高自密实混凝土28d抗压强度增加，当粉煤灰掺量超过20%以后，28d抗压强度有所回落。随着胶凝材料的增加，自密实混凝土28d抗压强度增大。(3)提高粉煤灰替代率和增加胶凝材料用量都可以减小自密实混凝土孔隙率，并优化孔隙分布的均匀性。(4)提高粉煤灰替代率可以减少混凝土中各
35、种孔径级别的孔隙，而适量增加胶凝材料用量仅对减少800m以上孔隙有效，随着胶凝材料用量继续增加，各种孔径级别的孔隙减少效果逐渐明显。(5)提高煤灰替代率和增加胶凝材料用量都可以优化自密实混凝土内部空间结构，降低孔隙体积、提高球形度。参考文献：I孟学文，李志强，马继周4700mm隧道二衬自密实混凝土全圆一次浇筑施工技术J.水利水电技术，2013,44(01):93-96.doi:10.13928/j.2013.01.028.MENGXuewen,LIZhiqiang,MAJizhou.Constructiontechnologyofwhole-circleandone-timepouringof
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