粉煤灰對大含氣量混凝土抗凍性能的影響

劉昱　申向東　董偉　李亞童　趙貴成

摘要：為了研究粉煤灰對大含氣量混凝土抗凍性的影響，制備了粉煤灰摻量為25%、30%、35%、40%、50%的混凝土試件，采用快凍法進行凍融循環(huán)試驗研究。結果表明：一定量的粉煤灰會對試件的早期抗壓強度造成影響，整體上大含氣量混凝土的強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低；混凝土試件在凍融試驗初期質量損失不明顯，隨著試驗的進行，質量損失率整體呈增大趨勢；對比質量損失率和相對動彈性模量兩個評價指標，引氣劑的添加對混凝土的內部結構有明顯改善作用，凍融循環(huán)破壞主要是試件外表面的破壞；在含氣量為6%條件下，粉煤灰的最適宜摻量為25%，結合工程實際需要可提升至30%，以節(jié)約施工成本。

關鍵詞：含氣量；粉煤灰；抗凍性；孔結構分析

粉煤灰作為混凝土礦物摻和料，具有降低混凝土水化熱、改善混凝土和易性等特點，可以替代部分水泥，從而起到節(jié)約成本的作用，廣泛應用于建筑行業(yè)的各個領域。一般情況下，粉煤灰的摻量不宜過多，通?？刂圃?0%以內，否則會對混凝土的抗凍性產生影響。試驗表明，摻入引氣劑可以提高混凝土的含氣量，從而有效改善混凝土的抗凍性。目前，不同含氣量對混凝土的影響以及粉煤灰摻加量對混凝土的影響方面的研究較多，但是針對不同粉煤灰摻量對大含氣量混凝土影響的研究較少。本文結合內蒙古河套灌區(qū)沈烏灌域輸水渠道模袋混凝土襯砌工程，通過凍融循環(huán)試驗、孔結構分析試驗等研究不同粉煤灰摻量對大含氣量混凝土抗凍性的影響。

1試驗概況

1.1試驗原材料

水泥選用蒙西牌P·0 42.5R水泥，細度為1.7%，標準稠度為28.4%，安定性合格，初凝時間為220 min，終凝時間為260 min，3 d齡期抗壓強度為29.6 MPa，28 d齡期抗壓強度為51.1 MPa：粉煤灰采用磴口縣金?；鹆Πl(fā)電廠生產的Ⅱ級灰，密度為2.25 g/cm3，細度為18.2%，含水率為0.3%，燒失量為2.34%，需水量比為98%；細骨料采用磴口當地河砂，級配良好，細度模數為2.5，表觀密度為2 630 kg/m3，堆積密度為1 690kg/m3，含泥量為1.8%，含水率為0.5%；粗骨料采用磴口當地碎石，粒徑為5-15 mm，表觀密度為2 760 kg/m3，含泥量為0.5%，泥塊含量為0.2%，石子壓碎指標為6.7%；水采用普通自來水；外加劑為內蒙古榮升達新材料有限責任公司生產的復合型聚羧酸高性能引氣減水劑，其質量符合《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GB50119-2013）。

1.2配合比設計

基于模袋混凝土除滿足普通混凝土設計要求外，還應具有良好流動性的特點，設計水灰比為0.5，含氣量控制在6%左右。試驗采用等量替代法，依照質量分數分別用粉煤灰替代水泥用量的25%、30%、35%、40%、50%，具體配合比見表1。

1.3試驗設計

（1）力學性能試驗。試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）進行。試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試件成型脫模后，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，并測試7、28 d的抗壓強度。

（2）凍融循環(huán)試驗。試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）中的快凍法進行抗凍性試驗。標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 d、清水中浸泡4 d后，分別測定試件25、50、75、100、125、150、175、200次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量和質量變化。

（3）孔結構分析試驗。將凍融后的試件進行切割，取試件中間部分切割成12 mm左右的薄片，經過打磨、涂色后，利用氣孔分析儀分析得到試件的氣泡個數頻數、氣孔問距系數、孔徑比表面積等。

2試驗結果分析

2.1力學性能試驗結果及分析

由圖1可知，在含氣量一定的情況下，粉煤灰的摻量對混凝土的抗壓強度有一定影響。一定摻量范圍內，粉煤灰摻量越少，試件早期抗壓強度越高，當粉煤灰摻量為25%時，試件的7 d抗壓強度最大，達到24.0 MPa，隨著粉煤灰摻量的增加，試件抗壓強度呈降低趨勢，且粉煤灰摻量越大，下降趨勢越明顯，當粉煤灰摻量為50%時，7 d抗壓強度僅為11.8 MPa。28 d抗壓強度呈現相同的變化趨勢，當粉煤灰摻量過大，超過40%時，已不能滿足設計要求。粉煤灰摻量為30%-40%時，7 d抗壓強度變化不大，說明粉煤灰僅在一定程度上對試件早期強度產生影響，粉煤灰替代一定量的水泥，將會影響試件的早期強度。

2.2凍融循環(huán)試驗結果及分析

（1）質量損失率。由圖2可知，凍融循環(huán)作用下，混凝土試件初期質量損失不明顯，隨著試驗的進行，質量損失率整體呈增大趨勢，并且粉煤灰摻量越大，后期質量損失越嚴重，同時質量損失率伴隨有質量波動現象。產生這一現象的主要原因是，試件的含氣量較大，內部存在大量孔隙，有效地增強了試件的抗凍性。在試驗前期，凍融破壞主要作用于試件表面，試件表面逐漸受到破壞，慢慢出現細微裂紋，水分通過表面的細微裂紋進入試件內部，因此各組試件的質量出現少許增加；當凍融循環(huán)次數超過75次后，各組試件的質量均開始明顯下降，試件表面光滑層完全破壞、粗糙、脫落；凍融循環(huán)次數為100-150次時，出現質量增加現象，原因是試件內部與溶液大面積接觸，溶液通過試件孔隙進入試件內部，凍結后在混凝土內部產生張力，融化后部分溶液殘留在孔隙當中，使試件質量增加；凍融循環(huán)次數達到150次以后，試件質量又開始明顯下降，整體質量損失開始加快，原因是試件與溶液的接觸部分的膠凝材料等發(fā)生破壞，產生酥松、剝落，導致質量損失增大。

（2）凍融破壞形態(tài)。以粉煤灰摻量為25%的試件為例，研究凍融循環(huán)次數對試件形態(tài)的影響。整體上看，凍融循環(huán)75次前后，試件表面無明顯變化。凍融循環(huán)100-150次，試件表面明顯出現破損掉渣現象，棱角遭到破壞，可以看見部分試件表層脫落露出石子；凍融循環(huán)175-200次，試件表面出現明顯松動剝落，兩端尤為嚴重，表面已無完整漿體包裹，部分骨料脫落，各個側面裸露大量石子，損傷脫落部分具有一定厚度，但整體性能完好。其他不同摻量粉煤灰試件受損情況類似，整體性能未受破壞，差別為受損程度隨著粉煤灰摻量的增大而加深。

（3）相對動彈性模量。相對動彈性模量的下降程度能夠反映混凝土結構內部的損傷程度，由圖3可知：凍融循環(huán)作用下，隨著凍融循環(huán)次數的增加，試件的相對動彈性模量呈降低趨勢。在50次凍融循環(huán)之前，各組試件的變化率差異不大；凍融循環(huán)75次開始，粉煤灰摻量為50%的試件的相對動彈性模量明顯下降，其他混凝土試件相對動彈性模量下降趨勢差別不大：當凍融循環(huán)100次時，粉煤灰摻量為30%、35%的混凝土試件的相對動彈性模量出現交叉、重合現象；凍融循環(huán)200次時，各試件仍具有良好的整體性，只有粉煤灰摻量50%試件的相對動彈性模量不足60%，下降為55.4%。由此可知：雖然含氣量可以提高混凝土的抗凍性，但是過大的粉煤灰摻量，在凍融循環(huán)初期對混凝土抗凍融性能影響不大，在凍融循環(huán)達到一定次數后，混凝土的抗凍融性能明顯劣化。

2.3孔結構試驗結果及分析

（1）氣泡個數頻數。由圖4可知，各組試件不同弦長氣泡分布有明顯規(guī)律，整體近似呈正態(tài)分布，所含大部分弦長氣泡為0-100 um，也有部分氣泡弦長達到200 um，弦長為0-500 um的氣泡占大多數，約為氣泡總數的80%，氣泡弦長超過1 000 un的比例不足10%。

粉煤灰摻量25%、30%、35%、40%的試件氣泡個數頻數相差不大，氣泡弦長為0-100 um均超過60%，而粉煤灰摻量50%的試件在該區(qū)問個數頻數不足40%，微小氣泡含量較少，對比大弦長氣泡個數頻數，其含量又相對較多。說明粉煤灰的摻量存在一個穩(wěn)定區(qū)間，在該區(qū)間內粉煤灰摻量對氣泡個數頻數影響不大，一旦超出這一區(qū)間，過大的粉煤灰摻量會對氣泡個數頻數造成影響，而正是大量微小氣泡的存在使得混凝土試件具有良好的抗凍性，因此粉煤灰含量過高影響其抗凍性。

（2）氣孔間距系數。不同粉煤灰摻量下氣泡間距系數與氣孔數量見表2，從表2可以看出，各組試件氣泡間距系數均小于200 um，符合諸多專家學者對有抗凍性能要求的混凝土氣孔間距系數范圍的推定，同時整體上氣孔問距系數與氣孔數量成反比，這也驗證了氣孔間距系數過大，氣孑L數量減少，抗凍性能降低的結論。

氣孔間距系數隨著粉煤灰摻量的增加呈現出先減小后增大的規(guī)律，單從氣孔間距系數的角度考慮，粉煤灰摻量為30%、35%的混凝土的抗凍性能優(yōu)于其他摻量混凝土的，但從上文抗凍性能試驗結果來看，二者的抗凍性能并不是最優(yōu)，由此說明氣孔間距系數雖是影響混凝土抗凍性能的關鍵指標，但不是決定性指標。

（3）氣泡比表面積。氣泡比表面積是混凝土中氣泡的總面積與氣泡體積的比值。一般來說，氣泡比表面積這一參數不能單獨用來評價混凝土氣泡的孔徑分布，原因是即使氣泡比表面積相同，氣泡孔徑分布也可能存在較大差異。但本文混凝土試件含氣量相差不大，因此氣泡比表面積可以在一定程度上反映混凝土試件的氣泡孑L徑分布。粉煤灰摻量為25%、30%、35%、40%、50%的混凝土的氣泡比表面積分別為30.05、34.84、43.09、34.46、11.84 mm-1，可以看出，粉煤灰摻量50%的混凝土的氣泡比表面積較其他摻量混凝土的要小。根據嚴捍東等的研究成果，混凝土氣泡比表面積為24-43 mm-1時，混凝土表現出良好的抗凍性，說明粉煤灰摻量50%的混凝土的抗凍性相對較差。

3結語

通過力學性能試驗得出，一定量的粉煤灰會對試件的早期抗壓強度造成影響，試件強度整體隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當粉煤灰摻量超過40%時，已不能滿足設計要求：混凝土試件在凍融試驗初期質量損失不明顯，隨著試驗的進行，質量損失率整體呈增大趨勢，但在凍融循環(huán)200次后，粉煤灰摻量25%、30%的混凝土試件的質量損失率不足5%；相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數呈負相關關系，經過200次凍融循環(huán)后，僅粉煤灰摻量50%的試件的相對動彈性模量下降到60%以下，對比質量損失率和相對動彈性模量兩個評價指標。說明引氣劑的添加對混凝土內部結構有明顯改善作用，凍融循環(huán)破壞主要是試件外表面的破壞：通過孔結構分析試驗從微觀角度對混凝土的抗凍性進行分析，得到的試驗結果同凍融循環(huán)試驗結果基本吻合，即粉煤灰摻量越少，混凝土試件抗凍性能越好。

通過試驗結果分析，在含氣量為6%條件下，粉煤灰的最優(yōu)摻量為25%，鑒于25%與30%粉煤灰摻量的混凝土試件各項性能差別不大，根據實際工程需要可以使用粉煤灰摻量為30%的配合比，以節(jié)約成本。