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摘要：本文研究结果表明：煤灰、CAS微膨胀剂双掺于混凝土中，使混凝土的工作性能、补偿收缩性、强度等均得到明显改善。这是由于两者双掺的“互补效用”使混凝土具有微膨胀性能，起到了补偿收缩作用和填充密实作用，使混凝土具有良好的抗渗防裂性能。
关键词：混凝土；煤灰；CAS微膨胀剂；双掺；补偿收缩性
Abstract: In this paper, the results show that: coal ash, CAS micro expansion agent in concrete mixing in double, concrete work performance, compensation shrinkage sex, strength, etc, have been improved obviously. This is because both of the double mixing "complementary and utility" make concrete with micro expansion performance, and play the compensation shrinkage effect and close-grained filling effect, making concrete has good anti-permeability guards against the crack performance.
Key Words: concrete; coal ash; CAS micro expansion agent; double mixing; compensation shrinkage
中图分类号：P618.11文献标识码：A 文章编号：
0 前言
在道路工程、地下工程、水工工程、人防工程、化工管道工程和桥面铺装工程等所用的混凝土作为永久性的结构材料，都要求所用砼具有良好的抗渗性能，由于其工作条件恶劣，常年暴露在野外，经受风吹、日晒、雨淋、寒冻以及含砂石、高速水流的冲磨，使混凝土的抗渗性、抗冻性等耐久性能减退，混凝土的耐久性不良导致结构破坏的损失也非常惊人，而且影响时间长，涉及面广[1]。
众所周知，混凝土是多相复合材料，在吴中伟院士的中心质假说[2]中，把不同尺度的分散相称为中心质，把连续相称为介质。孔是混凝土中必然存在的组分，在中心质假说中，孔被称为负中心质。当孔隙尺寸超过不同限度时，就带来了渗漏、强度降低、表面开裂、钢筋锈蚀，导致混凝土的耐久性降低，最终造成结构物的破坏、崩塌等危害，混凝土内部的微孔与毛细孔是在其成型和水化硬化过程中形成的，当然裂缝的形成原因是很多的，如水泥的化学收缩、荷载的作用、失水和降温引起的体积变化、混凝土内部热湿变化等。不论是何种原因引起的体积不稳定，都可能导致裂缝的产生，但最常见的是在限制条件下因收缩而引起的开裂[3]。
本文正是针对上述问题，选择以卓资山电厂煤灰作矿物掺和料、以CAS作膨胀外加剂，采取双掺方式配制补偿收缩混凝土，并对其性能进行试验研究，分析双掺对混凝土各方面性能的影响。
1 实验方案
1.1原料选用
（1）本试验水泥采用呼市玉泉区冀东散装水泥P.O42.5级水泥，该水泥水化热较低，质量稳定。
（2）骨料选用呼市中砂及本地碎石。
（3）矿物掺合料：卓资山电厂煤灰，其物理性能如表1-4。采用等量取代水泥方式掺入。
（4）膨胀剂采用的是内蒙古土默特右旗特种建材厂利用工业废料粉煤灰和氯化物废渣生产的CAS，膨胀源为钙矾石，采用等量取代水泥方式掺入。
（6）为便于泵送施工，每立方米砼加约0.3%的WDN-8泵送剂。
1.2方案设计
（1）设计强度及抗渗等级：C35、P8；
（2）水灰比：确定为0.4士0.02；
（3）坍落度：控制在90~160mm之间；
（4）砂率：按砂率40%确定，视工地用砂含水量的变化可改变两个百分点；
（5）具体配制方案见表2-6。
表1-6混凝土配合比设计(kg/m3)
2 实验结果分析
2.1 双掺对混凝土和易性的影响
图2-1CAS掺量对坍落度的影响
从图2-1可以看出，煤灰和CAS双掺后，不论掺量大小，混凝土坍落度均比基准混凝土坍落度大，使混凝土具有良好的流动性，同时实践结果也表明，双掺后的混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象，使混凝土保持最佳工作性能。从图中也可看出，煤灰和CAS的掺量都不能太多，当超过一定量（两项之和大于45%）后，混凝土流动性又会逐渐变差。
2.2双掺对混凝土补偿收缩性的影响
图2-2 混凝土试样收缩膨胀率对比
由图2-2所示结果可知，煤灰和CAS的掺加，对混凝土的体积变化影响较大。煤灰单掺后，其收缩率大于基准混凝土，且其掺量大，收缩率也大。混凝土产生干缩变形的原因是在干燥过程中毛细孔水的蒸发，当毛细孔水蒸发时，毛细孔中的负压逐渐增大，产生收缩力，使混凝土产生收缩变形即干缩。除此以外，水泥石中凝胶脱水也是引起干缩的重要原因。当混凝土毛细孔中的水蒸发完之后，如果继续干燥，则凝胶体颗粒的吸附水也要发生部分蒸发，亦会引起混凝土的干缩变形。
试验结果表明，以等量CAS取代水泥后，使混凝土具有微膨胀性能，这是因为CAS具有较好的水溶性，加入到混凝土中，其与水泥反应的生成物形成的钙矾石促进了水泥结构的膨胀，从而使形成的混凝土的体积有所增大。
单掺CAS混凝土28d的膨胀率均在4×10-4以上，起到了补偿收缩的作用。且随着膨胀剂掺量的增加（15%~25%），混凝土早期的膨胀率增大，28d左右趋于平稳，但其工作性和强度等却有所下降，因此，存在着一个最佳膨胀剂掺量问题。
煤灰和CAS双掺后，由于CAS的膨胀作用，发生适度的微膨胀，补偿了混凝土的收缩。实践中可以利用煤灰和CAS微膨胀剂双掺降低混凝土的干缩率，提高其体积稳定性，防止混凝土产生收缩裂缝。
2.3双掺对混凝土强度的影响
图2-3双掺对混凝土各龄期强度的影响
由图2-3可知，不管是单掺还是双掺，混凝土早期强度（7d前）均低于基准混凝土，混凝土早期强度发展较基准混凝土缓慢；但后期强度的发展却差异较大，A组单掺煤灰的混凝土，其28天、60天的强度增长率分别为79%和86%，后期强度发展也较基准混凝土缓慢；B组单掺CAS的混凝土，其28天、60天的强度增长率分别为94%和98%，后期强度发展接近基准混凝土；煤灰和CAS双掺后，其28天的强度增长率分别为91%和95%，其强度发展也较基准混凝土缓慢，但其60天强度增长率分别为116%、118%，其强度均已超过基准混凝土的强度。
由此表明，煤灰和CAS双掺后，混凝土的早期强度（7d前）要比单掺混凝土的早期强度和基准混凝土的早期强度发展缓慢，但28d强度要比单掺混凝土的强度发展快，但仍然不及基准混凝土的强度发展，60d强度发展均超过单掺混凝土和基准混凝土的强度。这是由于煤灰取代了混凝土中的部分水泥，降低了混凝土中水泥的浓度，而煤灰的活性一般要在混凝土浇筑14d后才开始发挥出来，即与水泥的水化产物CH产生二次水化反应，因此，用煤灰取代混凝土中的水泥后，如不采取某种补救措施，混凝土早期强度必然下降。本试验中，煤灰取代水泥时采用等量取代法，同时，掺入适量的CAS，在保持混凝土水灰比不变的情况下，适当调整混凝土的坍落度，使混凝土拌合物中的砂浆浓度得以提高，因此，A组单掺煤灰混凝土早期强度的发展低于基准混凝土早期强度的发展。由于煤灰与水泥水化产物的二次水化反应形成较多的水化硅酸钙和水化铝酸钙，同时，水泥的水化反应因CH的被消耗而加速，因此，混凝土的密实度提高，后期强度也高。此外，CAS的加入，促进了水泥中硅酸钙矿物的水化，使单位时间内CH的量增多，由此加速了粉煤灰的二次水化反应，使煤灰的潜在活性得以更好地发挥。所以，双掺使混凝土后期强度均大幅度提高了。
2.4双掺对混凝土抗渗性的影响
图2-4各组试验渗透深度平均值对比
对各组试样的渗透深度平均值作柱状图2-4，从图中可知，煤灰和CAS掺入后，其混凝土抗渗性能均比基准混凝土好，尤其是B组、C组试样的抗渗性能明显改善，由此可知，煤灰和CAS双掺后，混凝土的抗渗性能提高了。这是由于双掺混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象，内部微结构均匀密实，孔结构分布合理，界面过渡區改善并且抹面性能好，所以混凝土具有优良的抗渗性。
3 结论
通过以上分析，可知电厂煤灰作为填充密实组份、CAS作为膨胀组份双掺后，由于两者双掺后的“互补效用”[4]，使混凝土的强度和抗渗性能等得到显著改善。这是因为煤灰能改善和易性、降低水化热，容易浇捣密实，使混凝土结构密实度提高。CAS能使混凝土产生适度膨胀，补偿混凝土的收缩，降低混凝土孔隙率，改善微孔结构，使混凝土更密实。两者双掺后，混凝土的工作性能进一步改善，硬化混凝土密实度进一步提高，特别是胶凝材料水化的程度大幅度提高，而煤灰中活性成分与水泥组分在外加剂的激发下发生了二次水化反应，生成了低碱度的水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙钒石，使Ca(OH)2显著减少，C-S-H凝胶体增多[5]，这些凝胶物质能够细化隔断细小的孔洞连通形成的微小孔道与由粘结物料堆积形成的较大管道，从而使得整个混凝土内部填充密实，具有较强的抗渗防裂性能，因而提高了混凝土的强度和抗渗性。
参考文献：
[1] P.K.Mehta著.混凝土的结构、性能与材料[M].祝永年等译.北京:同济大学出版社,1991.11:302
[2] 吴中伟,廉慧珍著.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:49~50
[3] 游宝坤等.大体积补偿收缩混凝土的结构稳定性问题[J]:混凝土.2001,05: 26~29
[4] 熊大玉等.混凝土外加剂[M].北京:化学工业出版社,2002:88~96
[5] 丁成勇.粉煤灰和UEA膨胀剂在抗渗混凝土中的应用[J]:浙江建筑.2003增刊,总第123期:78~82
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：混凝土；煤灰；CAS微膨胀剂；双掺；补偿收缩性
Abstract: In this paper, the results show that: coal ash, CAS micro expansion agent in concrete mixing in double, concrete work performance, compensation shrinkage sex, strength, etc, have been improved obviously. This is because both of the double mixing "complementary and utility" make concrete with micro expansion performance, and play the compensation shrinkage effect and close-grained filling effect, making concrete has good anti-permeability guards against the crack performance.
Key Words: concrete; coal ash; CAS micro expansion agent; double mixing; compensation shrinkage
中图分类号：P618.11文献标识码：A 文章编号：
0 前言
在道路工程、地下工程、水工工程、人防工程、化工管道工程和桥面铺装工程等所用的混凝土作为永久性的结构材料，都要求所用砼具有良好的抗渗性能，由于其工作条件恶劣，常年暴露在野外，经受风吹、日晒、雨淋、寒冻以及含砂石、高速水流的冲磨，使混凝土的抗渗性、抗冻性等耐久性能减退，混凝土的耐久性不良导致结构破坏的损失也非常惊人，而且影响时间长，涉及面广[1]。
众所周知，混凝土是多相复合材料，在吴中伟院士的中心质假说[2]中，把不同尺度的分散相称为中心质，把连续相称为介质。孔是混凝土中必然存在的组分，在中心质假说中，孔被称为负中心质。当孔隙尺寸超过不同限度时，就带来了渗漏、强度降低、表面开裂、钢筋锈蚀，导致混凝土的耐久性降低，最终造成结构物的破坏、崩塌等危害，混凝土内部的微孔与毛细孔是在其成型和水化硬化过程中形成的，当然裂缝的形成原因是很多的，如水泥的化学收缩、荷载的作用、失水和降温引起的体积变化、混凝土内部热湿变化等。不论是何种原因引起的体积不稳定，都可能导致裂缝的产生，但最常见的是在限制条件下因收缩而引起的开裂[3]。
本文正是针对上述问题，选择以卓资山电厂煤灰作矿物掺和料、以CAS作膨胀外加剂，采取双掺方式配制补偿收缩混凝土，并对其性能进行试验研究，分析双掺对混凝土各方面性能的影响。
1 实验方案
1.1原料选用
（1）本试验水泥采用呼市玉泉区冀东散装水泥P.O42.5级水泥，该水泥水化热较低，质量稳定。
（2）骨料选用呼市中砂及本地碎石。
（3）矿物掺合料：卓资山电厂煤灰，其物理性能如表1-4。采用等量取代水泥方式掺入。
（4）膨胀剂采用的是内蒙古土默特右旗特种建材厂利用工业废料粉煤灰和氯化物废渣生产的CAS，膨胀源为钙矾石，采用等量取代水泥方式掺入。
（6）为便于泵送施工，每立方米砼加约0.3%的WDN-8泵送剂。
1.2方案设计
（1）设计强度及抗渗等级：C35、P8；
（2）水灰比：确定为0.4士0.02；
（3）坍落度：控制在90~160mm之间；
（4）砂率：按砂率40%确定，视工地用砂含水量的变化可改变两个百分点；
（5）具体配制方案见表2-6。
表1-6混凝土配合比设计(kg/m3)
2 实验结果分析
2.1 双掺对混凝土和易性的影响
图2-1CAS掺量对坍落度的影响
从图2-1可以看出，煤灰和CAS双掺后，不论掺量大小，混凝土坍落度均比基准混凝土坍落度大，使混凝土具有良好的流动性，同时实践结果也表明，双掺后的混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象，使混凝土保持最佳工作性能。从图中也可看出，煤灰和CAS的掺量都不能太多，当超过一定量（两项之和大于45%）后，混凝土流动性又会逐渐变差。
2.2双掺对混凝土补偿收缩性的影响
图2-2 混凝土试样收缩膨胀率对比
由图2-2所示结果可知，煤灰和CAS的掺加，对混凝土的体积变化影响较大。煤灰单掺后，其收缩率大于基准混凝土，且其掺量大，收缩率也大。混凝土产生干缩变形的原因是在干燥过程中毛细孔水的蒸发，当毛细孔水蒸发时，毛细孔中的负压逐渐增大，产生收缩力，使混凝土产生收缩变形即干缩。除此以外，水泥石中凝胶脱水也是引起干缩的重要原因。当混凝土毛细孔中的水蒸发完之后，如果继续干燥，则凝胶体颗粒的吸附水也要发生部分蒸发，亦会引起混凝土的干缩变形。
试验结果表明，以等量CAS取代水泥后，使混凝土具有微膨胀性能，这是因为CAS具有较好的水溶性，加入到混凝土中，其与水泥反应的生成物形成的钙矾石促进了水泥结构的膨胀，从而使形成的混凝土的体积有所增大。
单掺CAS混凝土28d的膨胀率均在4×10-4以上，起到了补偿收缩的作用。且随着膨胀剂掺量的增加（15%~25%），混凝土早期的膨胀率增大，28d左右趋于平稳，但其工作性和强度等却有所下降，因此，存在着一个最佳膨胀剂掺量问题。
煤灰和CAS双掺后，由于CAS的膨胀作用，发生适度的微膨胀，补偿了混凝土的收缩。实践中可以利用煤灰和CAS微膨胀剂双掺降低混凝土的干缩率，提高其体积稳定性，防止混凝土产生收缩裂缝。
2.3双掺对混凝土强度的影响
图2-3双掺对混凝土各龄期强度的影响
由图2-3可知，不管是单掺还是双掺，混凝土早期强度（7d前）均低于基准混凝土，混凝土早期强度发展较基准混凝土缓慢；但后期强度的发展却差异较大，A组单掺煤灰的混凝土，其28天、60天的强度增长率分别为79%和86%，后期强度发展也较基准混凝土缓慢；B组单掺CAS的混凝土，其28天、60天的强度增长率分别为94%和98%，后期强度发展接近基准混凝土；煤灰和CAS双掺后，其28天的强度增长率分别为91%和95%，其强度发展也较基准混凝土缓慢，但其60天强度增长率分别为116%、118%，其强度均已超过基准混凝土的强度。
由此表明，煤灰和CAS双掺后，混凝土的早期强度（7d前）要比单掺混凝土的早期强度和基准混凝土的早期强度发展缓慢，但28d强度要比单掺混凝土的强度发展快，但仍然不及基准混凝土的强度发展，60d强度发展均超过单掺混凝土和基准混凝土的强度。这是由于煤灰取代了混凝土中的部分水泥，降低了混凝土中水泥的浓度，而煤灰的活性一般要在混凝土浇筑14d后才开始发挥出来，即与水泥的水化产物CH产生二次水化反应，因此，用煤灰取代混凝土中的水泥后，如不采取某种补救措施，混凝土早期强度必然下降。本试验中，煤灰取代水泥时采用等量取代法，同时，掺入适量的CAS，在保持混凝土水灰比不变的情况下，适当调整混凝土的坍落度，使混凝土拌合物中的砂浆浓度得以提高，因此，A组单掺煤灰混凝土早期强度的发展低于基准混凝土早期强度的发展。由于煤灰与水泥水化产物的二次水化反应形成较多的水化硅酸钙和水化铝酸钙，同时，水泥的水化反应因CH的被消耗而加速，因此，混凝土的密实度提高，后期强度也高。此外，CAS的加入，促进了水泥中硅酸钙矿物的水化，使单位时间内CH的量增多，由此加速了粉煤灰的二次水化反应，使煤灰的潜在活性得以更好地发挥。所以，双掺使混凝土后期强度均大幅度提高了。
2.4双掺对混凝土抗渗性的影响
图2-4各组试验渗透深度平均值对比
对各组试样的渗透深度平均值作柱状图2-4，从图中可知，煤灰和CAS掺入后，其混凝土抗渗性能均比基准混凝土好，尤其是B组、C组试样的抗渗性能明显改善，由此可知，煤灰和CAS双掺后，混凝土的抗渗性能提高了。这是由于双掺混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象，内部微结构均匀密实，孔结构分布合理，界面过渡區改善并且抹面性能好，所以混凝土具有优良的抗渗性。
3 结论
通过以上分析，可知电厂煤灰作为填充密实组份、CAS作为膨胀组份双掺后，由于两者双掺后的“互补效用”[4]，使混凝土的强度和抗渗性能等得到显著改善。这是因为煤灰能改善和易性、降低水化热，容易浇捣密实，使混凝土结构密实度提高。CAS能使混凝土产生适度膨胀，补偿混凝土的收缩，降低混凝土孔隙率，改善微孔结构，使混凝土更密实。两者双掺后，混凝土的工作性能进一步改善，硬化混凝土密实度进一步提高，特别是胶凝材料水化的程度大幅度提高，而煤灰中活性成分与水泥组分在外加剂的激发下发生了二次水化反应，生成了低碱度的水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙钒石，使Ca(OH)2显著减少，C-S-H凝胶体增多[5]，这些凝胶物质能够细化隔断细小的孔洞连通形成的微小孔道与由粘结物料堆积形成的较大管道，从而使得整个混凝土内部填充密实，具有较强的抗渗防裂性能，因而提高了混凝土的强度和抗渗性。
参考文献：
[1] P.K.Mehta著.混凝土的结构、性能与材料[M].祝永年等译.北京:同济大学出版社,1991.11:302
[2] 吴中伟,廉慧珍著.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:49~50
[3] 游宝坤等.大体积补偿收缩混凝土的结构稳定性问题[J]:混凝土.2001,05: 26~29
[4] 熊大玉等.混凝土外加剂[M].北京:化学工业出版社,2002:88~96
[5] 丁成勇.粉煤灰和UEA膨胀剂在抗渗混凝土中的应用[J]:浙江建筑.2003增刊,总第123期:78~82
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。