關(guān)于大摻量粉煤灰混凝土含氣量、氣泡參數(shù)表征抗凍能力相關(guān)性的探討 *

試驗研究

關(guān)于大摻量粉煤灰混凝土含氣量、氣泡參數(shù)表征抗凍能力相關(guān)性的探討*

*基金項目：大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室基金資助(LP1213)。

□□ 艾紅梅，戴碧琳，郭建華，楊晨光(大連理工大學(xué) 建筑材料研究所，遼寧 大連116024)

摘要：鑒于凍融作用對大摻量粉煤灰混凝土(High Fly ash Content Concrete，HFCC)造成的破壞較為嚴(yán)重，對國內(nèi)外的研究情況進(jìn)行了分析，總結(jié)了現(xiàn)階段大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的研究進(jìn)展。主要對混凝土拌合物含氣量和硬化混凝土氣泡參數(shù)表征HFCC抗凍性的科學(xué)性和可行性進(jìn)行了分析，并且對二者的相關(guān)性進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：大摻量粉煤灰混凝土；抗凍性；含氣量；氣泡參數(shù)

文章編號：1009-9441(2015)03-0022-03

中圖分類號：TU 528.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Given the freeze-thaw effect on high fly ash content concrete (HFCC) is relatively serious，the paper analyzes the domestic and foreign research and summarizes the present research progress of antifreeze performance of concrete with high volume of fly ash.

作者簡介：艾紅梅(1974-)，女，遼寧本溪人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，現(xiàn)從事建筑材料教學(xué)與科研工作。

收稿日期：2015-03-19

引言

為了提高混凝土的耐久性，在混凝土中摻入礦物摻合料是一種普遍手段。隨著高效減水劑的發(fā)展和市場上優(yōu)質(zhì)粉煤灰的大量供應(yīng)，大摻量粉煤灰混凝土以其良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益越來越被人們所重視。用粉煤灰大量取代水泥，不僅能夠減少水泥用量、節(jié)約成本，而且使得燃煤發(fā)電廠煙道中的固體廢棄物得到了有效利用，尤其是在海工領(lǐng)域大摻量粉煤灰混凝土有著強大的生命力。但是，由于北方海洋環(huán)境對混凝土的劣化較為嚴(yán)重，造成部分工程的服役年限不足十年。所以，對大摻量粉煤灰混凝土鹽凍性能的研究有著重要意義。

混凝土中的含氣量是影響抗凍性的重要指標(biāo)。引氣劑能夠在混凝土中引入無數(shù)微小且不連通的氣泡，這些微小氣泡均勻地分布在混凝土體內(nèi)，就可以容納自由水的遷移[1]，從而大大緩和了靜水壓力，極大地提高了混凝土承受反復(fù)凍融破壞的能力。同時，引氣劑的加入還明顯改善了混凝土的和易性和抗?jié)B性，從而提高了混凝土的耐久性。但含氣量的增加在一定程度上有損混凝土的強度。賈致榮等[2]的研究表明，含氣量的高低能夠影響大摻量粉煤灰混凝土的強度。隨著引氣量的增加，混凝土抗壓強度下降1.07%~7.49%。在不同齡期時，不同粉煤灰摻量及水膠比不同的混凝土的強度降低幅度存在差異。當(dāng)混凝土中粉煤灰摻量較高時，由于球形的粉煤灰比表面積大，以及粉煤灰中燃燒不完全碳的存在，使得HFCC對引氣劑有一定的吸附作用，致使引氣劑的引氣效果降低，從而影響了大摻量粉煤灰混凝土的抗凍能力。對于HFCC抗凍能力的研究，“混凝土拌合物含氣量”是一種較為常見的表征方法。20世紀(jì)50年代，Powers T C提出的氣泡間距系數(shù)，也是評價混凝土抗凍性的重要參數(shù)。本文將主要探討這兩種方法表征HFCC抗凍能力的準(zhǔn)確性以及兩者間的相關(guān)性。

1大摻量粉煤灰混凝土抗凍性的研究進(jìn)展

凍融破壞是我國北方地區(qū)水工建筑遭受的主要病害。用大摻量粉煤灰代替部分水泥，能降低大體積混凝土由于水化熱過大而產(chǎn)生的溫度梯度，從而減少開裂；有效地降低了孔隙率而使水泥水化產(chǎn)物分布更均勻，增加水泥結(jié)構(gòu)的致密性，減少泌水通道，提高抗凍能力。

對大摻量粉煤灰混凝土抗凍性的研究有很多。Saito M等[3]研究了凍融循環(huán)后混凝土Cl-滲透性的變化以及裂縫對氯離子滲透的影響。研究表明，裂縫的增多會使Cl-滲透性增大；對于非引氣的粉煤灰混凝土，凍融循環(huán)后相對動彈模下降，而且Cl-滲透系數(shù)明顯增大，說明粉煤灰沒有明顯增加內(nèi)部裂縫。游有鯤等[4]研究了含氣量、粉煤灰摻量對混凝土抗凍性的影響。研究表明，低水膠比的混凝土，在摻入原狀Ⅰ級粉煤灰時，混凝土的抗凍性能主要取決于混凝土內(nèi)部的孔隙率和孔徑分布，為了提高混凝土的抗凍性能必須引入適量的氣泡。當(dāng)粉煤灰摻量較大時，混凝土的含氣量穩(wěn)定性受到粉煤灰吸附的影響。但在相同孔隙率下，由于粉煤灰所引入的封閉玻璃體空腔和其火山灰作用，有利于混凝土的抗凍性和抗?jié)B性能的提高。這說明粉煤灰確實會對引氣劑產(chǎn)生一定的吸附作用，這對混凝土的抗凍性是不利的。但同時，在孔隙率一樣的情況下，粉煤灰的加入能在一定程度上提高混凝土的抗凍性。

內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)是影響混凝土受凍融破壞的關(guān)鍵因素。外摻粉煤灰能夠改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增加總孔隙率，細(xì)化最可幾孔徑分布，使混凝土凍融破壞方式由靜水壓侵蝕向滲透壓侵蝕轉(zhuǎn)變，加劇了結(jié)構(gòu)性能的劣化。研究表明[5]，粉煤灰混凝土的抗凍性能隨水膠比的增加而顯著下降；隨著粉煤灰摻量的增加，引氣型混凝土的抗凍性明顯降低。配制粉煤灰混凝土必須摻入引氣劑，以保證必要的抗凍性能。李長祥等[6]的研究表明，粉煤灰混凝土的引氣量、水膠比、強度是影響其抗凍性的決定因素。目前，有很多關(guān)于大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能方面的研究，它仍舊是一個熱點問題，但也極具研究的現(xiàn)實意義。

2含氣量表征HFCC抗凍性的研究進(jìn)展

粉煤灰的大摻量添加，對寒冷地區(qū)水工混凝土的抗凍性會帶來不利影響，此時需要添加引氣劑來改善甚至提高混凝土的抗凍性。引氣劑的引入能夠給混凝土中帶來大量的微小而又均勻分布的封閉氣泡，提高混凝土的含氣量，從而提高混凝土的抗凍性和耐久性。在相同水泥用量和坍落度的條件下，引氣劑摻量越大，混凝土的含氣量就越大，抗壓強度損失率就越大；在含氣量<6%時，隨著含氣量的增加，混凝土的韌性增加；引氣劑摻量一定時，混凝土拌合物坍落度與混凝土含氣量之間為拋物線關(guān)系[7]。

高摻量的粉煤灰導(dǎo)致碳粒對引氣劑有很強的吸附作用，使得混凝土沒有足夠的微細(xì)氣泡。為保證HFCC的含氣量滿足抗凍要求，必須增加引氣劑摻量，而引氣劑摻量的多少又與粉煤灰的細(xì)度和燒失量等因素有關(guān)。對于HFCC而言，引氣含量不宜過大，含氣量超過一定范圍時，均勻分散的氣泡會相互貫穿連通，對混凝土的抗?jié)B性、抗凍性不利[8]。試驗證明[9]，普通混凝土含氣量應(yīng)控制在4.5%~6.0%之間，可達(dá)到較好的抗凍效果。而對于粉煤灰摻量較大的混凝土，含氣量在5%~15%之間時，抗凍性才可能高于普通硅酸鹽混凝土[10]。此外，引氣含量對HFCC的耐久性也有一定影響。研究表明[9]，引氣劑提高了大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性。摻入引氣劑后，大摻量粉煤灰混凝土的28 d抗?jié)B性能大幅度提高，氯離子擴散系數(shù)可以達(dá)到很低的標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍內(nèi)，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著含氣量的提高而降低。

綜上所述，HFCC在寒冷地區(qū)抗凍性的大小可以用含氣量來表征，含氣量的增加不僅能夠提高混凝土的抗凍性，而且對混凝土耐久性方面也有積極影響。但是，由于粉煤灰對引氣劑的吸附較為明顯，造成HFCC含氣量偏低，對抗凍性有不利影響。

3氣泡參數(shù)表征HFCC抗凍性的研究進(jìn)展

與混凝土拌合物含氣量相比，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)能更準(zhǔn)確地反映出混凝土的抗凍能力。硬化混凝土氣泡參數(shù)對引氣混凝土抗凍性起著至關(guān)重要的作用[11]。表征硬化混凝土氣泡體系特征的參數(shù)主要有含氣量、氣泡平均半徑和氣泡間距系數(shù)。采用氣泡參數(shù)來表征HFCC抗凍性的研究有很多。有研究表明[12-14]，在一定含氣量下，氣泡間距越小、氣泡個數(shù)越多，混凝土抗凍性就越好。研究表明[15]，在硬化混凝土氣泡參數(shù)中，氣泡平均半徑對混凝土抗壓強度的影響最大，混凝土抗壓強度隨氣泡平均半徑的增大而降低。氣泡間距系數(shù)對引氣混凝土抗凍性的影響非常顯著。這些都說明，3個主要氣泡參數(shù)對混凝土的抗凍性和抗壓強度有很大影響，用它們來衡量混凝土性能是合理的。

嚴(yán)捍東等[16]的研究表明，在相同水膠比、相同養(yǎng)護(hù)齡期下，混凝土的氣泡參數(shù)與粉煤灰摻量間沒有一定的關(guān)系，但氣泡參數(shù)會隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長向不利于抗凍性的方向變化，粉煤灰摻量越高，則變化的幅度越低。高摻量粉煤灰可能會降低引氣量，但對氣泡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利，這對于提高抗凍性也是有利的。

綜上所述，混凝土的抗凍性可以采用氣泡間距、氣泡個數(shù)和氣泡平均半徑等氣泡參數(shù)來表征，它們更關(guān)注混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特性，能使人在看到試驗中的宏觀現(xiàn)象的同時，更清楚地了解它們的微觀原理，從而方便研究。同時，可以確定的是，適當(dāng)摻量的粉煤灰對于氣泡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是有利的。

4新拌混凝土含氣量與氣泡參數(shù)的相關(guān)性

從以上討論可知，新拌混凝土的含氣量和氣泡參數(shù)均可以用來表征混凝土的抗凍性，那么這二者之間是否有一定的相關(guān)性，從而可進(jìn)行一定的換算，以下就這個問題進(jìn)行討論。

混凝土中加入引氣劑會引入微小氣泡，增加混凝土中的含氣量，這些微小氣泡互不連通，就像一個個彈簧阻隔外界侵蝕，阻礙水的滲透以及泌水通道的形成，從而提高混凝土的抗凍性和耐久性，含氣量指標(biāo)便是表征混凝土結(jié)構(gòu)中所含氣泡數(shù)量的參數(shù)。要使引氣劑引入的氣泡起作用，這些氣泡必須微小且互不連通，穩(wěn)定均勻地分布于混凝土結(jié)構(gòu)中，所以就對氣泡參數(shù)有一定的要求。含氣量是指單位體積中所含氣體的體積百分比，可見氣泡個數(shù)與含氣量有一定的相關(guān)性。要控制氣泡微小，一般用氣泡平均半徑進(jìn)行表征，氣泡越大越容易溢出，反而有損于抗凍性，一般氣泡平均半徑應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)(0.05~1.27 mm)。氣泡間距則可以用來表征氣泡是否均勻分布，是否彼此連通。由此可見，用含氣量表征混凝土抗凍性得以成立，很大程度上源于氣泡參數(shù)符合一定的要求。同時，氣泡尺寸和氣泡間距最終都反映到含氣量上。當(dāng)含氣量一定時，氣泡尺寸越小，氣泡數(shù)量越多，則氣泡間距值越小。當(dāng)氣泡尺寸不變時，則含氣量越大，氣泡間距值越小，抗凍性能越好。因此，對混凝土抗凍融能力的控制最終還是對含氣量的控制[17]。綜上所述，含氣量與氣泡參數(shù)之間確實具有一定的相關(guān)性，用兩者分別表征混凝土抗凍性也有其合理性。

5結(jié)語

大摻量粉煤灰混凝土抗凍能力可由含氣量和氣泡參數(shù)分別進(jìn)行表征，前者是在宏觀層面進(jìn)行考量，后者主要著眼于微觀層面。通過國內(nèi)外的大量研究可知，用這兩個指標(biāo)來進(jìn)行抗凍能力的表征都具有一定的科學(xué)根據(jù)，但兩者之間目前并未發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系。希望在未來能逐漸找到一個指標(biāo)，兼顧含氣量和氣泡參數(shù)的優(yōu)點，統(tǒng)籌微觀和宏觀，對大摻量粉煤灰混凝土的抗凍能力進(jìn)行表征。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛彥林，李小紅，曹繼前.引氣劑在抗凍融混凝土中的應(yīng)用[J].山西建筑，2004，30(24)：103-104.

[2] 賈致榮，張眾.含氣量對大摻量粉煤灰混凝土強度的影響[J].混凝土，2012(10)：39-40，44.

[3] Saito M，Ohta M，Ishimori H.Chloride permeability of concrete subjected to freeze-thaw damage[J].Cement and Concrete Composites，1994，16(4)：233-239.

[4] 游有鯤，繆昌文，慕儒.粉煤灰高性能混凝土抗凍性研究[J].混凝土與水泥制品，2000(5)：14-15.

[5] 袁曉露，李北星，崔鞏，等.粉煤灰混凝土的抗凍性能及機理分析[J].混凝土，2008(12)：43-44，62.

[6] 李長祥.淺談?chuàng)郊右龤鈩└纳品勖夯一炷两Y(jié)構(gòu)抗凍性[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2011(10)：161-162.

[7] 單旭輝，朱爾玉，韓玉蓮.引氣劑對混凝土性能的影響[J].南水北調(diào)與水利科技，2004，2(6)：47-51.

[8] 梁文泉，駱翔宇，何金榮，等.大摻量引氣劑混凝土在高寒干燥地區(qū)的抗凍性研究[J].混凝土，2005(1)：27-32.

[9] 王林，宋少民.引氣含量對大摻量粉煤灰混凝土耐久性的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31(7)：60-63.

[10] 班瑾，韓明珍，張晶磊，等.含氣量對粉煤灰混凝土抗凍性能影響的研究[J].水資源與水工程學(xué)報，2014，25(1)：137-139.

[11] 楊華全，李文偉.水工混凝土研究與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2004：178-183.

[12] Zhang D S.Air-Entrainment in Fresh Conerete with PFA[J].Cement and Concrete Composites，1996，18(6)：409-416.

[13] Johnston C D.Deicer salt scaling resistance and chloride permeability and code requirements for air content，spacing factor[J].Concrete International，1994，16(8)：48-55.

[14] Attiogbe E K.Mean spacing of air void in hardened concrete[J].ACI Materials Journal，1993，90(2)：174-181.

[15] 楊華全，周世華，蘇杰.氣泡參數(shù)對引氣混凝土性能的影響[J].水力發(fā)電，2009，35(1)：18-19，98.

[16] 嚴(yán)捍東，孫偉，李鋼.大摻量粉煤灰水工混凝土的氣泡參數(shù)和抗凍性研究[J].工業(yè)建筑，2001，31(8)：46-48，73.

[17] 宋擁軍.含氣量對混凝土抗凍性能的影響[J].中國三峽建設(shè)，1999(11)：45-47，52.

On the Correlation between Air Content and Air Bubble Parameters Frost Resistance Performance of High Fly Ash Content Concrete

AI Hong-mei，DAI Bi-lin，GUO Jian-hua，YANG Chen-guang

(Building Materials Research Institute，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024，China)

This paper mainly analyzes the science and feasibility of concrete mixture air content and hardened concrete bubble parameters HFCC frost resistance and explores the correlation between the two.

Key words：high volume fly ash concrete；frost resistance；air content；bubble parameters

(編輯盛晉生)