粉煤灰對混凝土干濕循環(huán)抗凍性能的影響

楊海明，鄧亞芬，張世杰

YANG Haiming，DENG Yafen，ZHANG Shijie

(1.浙江省天和建材集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310008;2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310012)

混凝土已成為目前土木工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料。但很多工程在使用10～20年后，就由于混凝土耐久性不足而導(dǎo)致過早破壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，這一普遍現(xiàn)象在世界各國引起了學(xué)術(shù)界、工程界的高度重視［1-2］。我國水工建筑物耐久性調(diào)查顯示［2-6］:在寒冷地區(qū)的水工混凝土建筑物，幾乎所有工程都存在凍融破壞，有些為局部破壞，有些為大面積破壞。與普通環(huán)境條件下混凝土相比，處于干濕循環(huán)條件下的混凝土往往承受著更大的凍融破壞，是建筑物最為薄弱的部分，但目前國內(nèi)外對于混凝土干濕-凍融循環(huán)破壞的研究相對很少［7-12］。

影響混凝土抗凍性的主要因素有水膠比、混凝土的孔隙率與孔隙特征、礦物摻合料。而提高混凝土抗凍性的方法是:適當(dāng)加入外加劑［10-11］，嚴(yán)格控制水灰比，適當(dāng)摻入礦物摻合料，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)條件，減少混凝土早期受凍破壞［11-12］。目前國內(nèi)的預(yù)拌混凝土幾乎都使用粉煤灰，應(yīng)用粉煤灰已成為提高混凝土的整體性能、降低成本的最有效技術(shù)途徑之一。但在有抗凍性要求的混凝土中摻入多少粉煤灰比較合理，這需要我們進(jìn)行大量的研究。尤其是在處于干濕-凍融循環(huán)環(huán)境中的混凝土，需要更加準(zhǔn)確、更加合理的粉煤灰摻量，以滿足真實(shí)情況的抗凍性要求［13］。

浙江雖然地處南方，但是隨著極端天氣的增多，混凝土冬期也可能受凍害。本文主要研究粉煤灰摻量對混凝土干濕循環(huán)條件下抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 原料

(1)水泥:選用海螺水泥廠生產(chǎn)的P. O42.5 普通硅酸鹽水泥。

(2)骨料:碎石，5～20 mm 選續(xù)級配;砂，細(xì)度模數(shù)為2.7 的中砂，骨料滿足要求。

(3)粉煤灰:二級粉煤灰，其物理性能見表1。

(4)減水劑:傳化聚羧酸減水劑。

表1 粉煤灰物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比

試件尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm。粉煤灰等量替代水泥的含量為0、15%、30%、45%。水灰比0.45。其配合比見表2。試件采用保濕養(yǎng)護(hù)，1 d后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(養(yǎng)護(hù)溫度(20 ±2)℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d 后，試件開始干濕凍融循環(huán)試驗(yàn)。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

1.2.2 凍融試驗(yàn)

(1)凍融制度。試件浸泡在液體中，液體覆蓋試件頂端，凍融時，試件中心的最高溫度和最低溫度控制在5℃和-10℃，每次凍融循環(huán)約在4 h 內(nèi)完成，其中融化時間大約為1 h，凍化時間大約為3 h。凍結(jié)與融化終了時，試件中心溫度應(yīng)控制在(-10±2)℃和(5 ±2)℃。

(2)干濕循環(huán)制度。使用烘箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為60℃，時間為6 h。在清水中浸泡混凝土使混凝土濕潤，時間為18 h，一次干濕循環(huán)為24 h。

試件標(biāo)養(yǎng)28 d 后，先在水溶液中浸泡16 h，然后在60℃的烘箱中烘6 h，自然冷卻后按凍融制度的步驟進(jìn)行凍融循環(huán)。凍融循環(huán)8 次，干濕循環(huán)6次為一次大循環(huán)，每次大循環(huán)約為10 d，共進(jìn)行5 次大循環(huán)。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

2.1.1 粉煤灰對干濕凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度的影響

研究中分別測量了混凝土28 d 強(qiáng)度及干溫凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度。此外，為反映混凝土破壞程度的大小，測量同齡期(38、48、58、68、78 d)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的強(qiáng)度。

圖1 為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度隨時間變化曲線。

圖1 同齡期下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度發(fā)展

由圖1 可見:未摻粉煤灰混凝土28 d 后強(qiáng)度發(fā)展不明顯。摻粉煤灰混凝土隨著粉煤灰摻量的增加28 d強(qiáng)度雖然下降，但隨著時間的增加后期強(qiáng)度不斷增長。這是因?yàn)榉勖夯一炷?8 d 結(jié)構(gòu)發(fā)展不完全，隨著水化的不斷進(jìn)行，生成的凝膠使混凝土強(qiáng)度上升。

圖2 為干濕凍融循環(huán)條件下混凝土強(qiáng)度隨時間變化圖。

圖2 干濕凍融循環(huán)條件下強(qiáng)度的變化

由圖2 可見:純水泥混凝土破壞更直接。純水泥混凝土在第3 次干濕-凍融循環(huán)結(jié)束后強(qiáng)度明顯下降，而后強(qiáng)度變化不明顯。摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度下降趨勢平緩，且15%摻量與30%、45%摻量相比強(qiáng)度下降平緩。

圖3 為混凝土強(qiáng)度損失隨循環(huán)周期變化圖。

圖3 混凝土強(qiáng)度損失隨循環(huán)周期變化圖

由圖3 可見:摻粉煤灰混凝土，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土強(qiáng)度損失率增加，摻量15%時強(qiáng)度損失率最小，摻量45%時在第五次循環(huán)結(jié)束后強(qiáng)度損失最大。

2.1.2 粉煤灰對干濕凍融循環(huán)質(zhì)量損失的影響

混凝土的質(zhì)量損失反映出混凝土的表面破壞程度，本試驗(yàn)在每次干濕-凍融循環(huán)結(jié)束后將浸泡后的混凝土表面水分擦干，測量相同3 塊混凝土的質(zhì)量，計(jì)算混凝土在各次循環(huán)結(jié)束后的平均質(zhì)量，得出混凝土的質(zhì)量損失，并繪制質(zhì)量損失隨循環(huán)次數(shù)變化折線圖(圖4)。

圖4 為混凝土的質(zhì)量損失隨循環(huán)次數(shù)變化的折線圖。

圖4 混凝土質(zhì)量損失

由圖4 可見:隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的質(zhì)量損失增大。其中摻15%粉煤灰的混凝土質(zhì)量損失較小，損失較為緩慢。而摻45%粉煤灰的混凝土質(zhì)量損失較大，損失較快。

2.2 理論分析

由圖2 及圖3 可見:凍融和干濕交替作用和普通凍融相比破壞性更強(qiáng)。5 次循環(huán)結(jié)束后，混凝土與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土相比強(qiáng)度均有明顯下降，干濕與凍融的共同作用加速了混凝土受凍破壞。實(shí)驗(yàn)中混凝土凍融次數(shù)總和僅為40 次，但強(qiáng)度下降明顯，說明干濕循環(huán)對混凝土受凍破壞的加速作用十分明顯。

摻粉煤灰混凝土在前兩次循環(huán)強(qiáng)度均有所增加，強(qiáng)度變化與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土相比無明顯變化，但后幾次循環(huán)強(qiáng)度下降明顯。未摻粉煤灰混凝土前兩次循環(huán)強(qiáng)度非常高，但第三次循環(huán)與第四次循環(huán)強(qiáng)度下降劇烈，與摻粉煤灰混凝土相比下降更直接?？梢钥闯?，在試驗(yàn)早期，干濕-凍融循環(huán)對混凝土破壞程度較小，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度仍然發(fā)展。干濕凍融循環(huán)破是一個積累性的破壞。

由圖4 可見:隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的質(zhì)量損失增大。粉煤灰的摻入使干濕凍融循環(huán)條件下混凝土表面破壞加重，所表現(xiàn)出來的是混凝土表面結(jié)構(gòu)的破壞從而引起混凝土強(qiáng)度的下降，摻入粉煤灰的混凝土表面更易產(chǎn)生脫皮剝落。而未摻粉煤灰的混凝土在進(jìn)行五次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量變化不明顯，對于抵抗干濕-凍融循環(huán)條件下混凝土表面損壞有所提高，但混凝土的強(qiáng)度也有所下降，說明破壞原因并不是混凝土表面破壞所引起，而是由于內(nèi)部損傷而引起的混凝土整體性破壞。

3 結(jié) 語

(1)干濕循環(huán)引起了混凝土的變形、表面開裂、結(jié)構(gòu)發(fā)展減慢，與凍融循環(huán)共同作用增大了受凍損傷。因此，對于處于干濕-凍融循環(huán)條件下的混凝土，在配制與施工過程中應(yīng)更加注意增加其抗凍性。

(2)干濕凍融循環(huán)條件下的混凝土可適當(dāng)?shù)膿饺肷倭糠勖夯?，以提高混凝土抗干濕凍融破壞的能力，但摻入量?yīng)小于15%。因試驗(yàn)量、試驗(yàn)時間等原因，本試驗(yàn)未能得出粉煤灰最佳摻入量范圍。

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