粉煤灰品質(zhì)和取代率對再生混凝土抗凍性能影響

姚烈波

（重慶市武隆區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測所，重慶 404100）

0 引言

北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的重要原因是混凝土凍融破壞，混凝土內(nèi)水體凍融循環(huán)造成結(jié)構(gòu)表層剝落和內(nèi)部凍脹開裂，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。粉煤灰的資源化利用，為混凝土提供了向綠色、環(huán)保發(fā)展的可能，應用于混凝土結(jié)構(gòu)中，具有十分廣闊的前景[1-4]。本文試驗研究粉煤灰品質(zhì)和取代率對再生混凝土的毛細吸水性能和凍融循環(huán)次數(shù)影響，以期優(yōu)化配合比，提高再生混凝土的抗凍性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用材料及其技術(shù)參數(shù)如下：

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，見表1和表2；粉煤灰：Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰，符合 《粉煤灰混凝土應用技術(shù)規(guī)程》（GBJ 146-90）要求，其X射線分析結(jié)果見表3；砂：河砂，Ⅱ級砂，級配合理；再生粗骨料：Ⅰ類再生粗骨料，用EZ表示，見表4和表5；減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率為30%；水：自來水，符合《混凝土用水標準》（JGJ 63-2006）要求。

表1 水泥的性能指標

表4 再生粗骨料顆粒級配

表5 再生粗骨料的性能指標

1.2 試驗方法

采用砂率為40%，減水劑取膠凝材料質(zhì)量的1.2%，控制坍落度160～200mm，確定用水量，測試試件的毛細吸水量和相對動彈性模量，研究粉煤灰品質(zhì)和取代率對再生混凝土抗凍性能的影響，試驗配合比見表6。

表6 再生混凝土試驗配合比（以1m3計）

2 試驗分析

2.1 試驗過程

顆粒整形法原理如圖1所示，再生粗骨料形貌圖如圖2所示。

圖1 顆粒整形法

圖2 Ⅰ類再生粗骨料形貌圖

廢棄混凝土經(jīng)顎式破碎機和顆粒整形機處理制得再生粗骨料，根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）和針片狀顆粒含量、有機物含量、壓碎指標、顆粒級配、吸水率、表觀密度和空隙率等參數(shù)區(qū)分品質(zhì)，遴選出Ⅰ類標準再生粗骨料，見表7。

表7 顆粒整形法再生粗骨料品質(zhì)

2.2 試驗結(jié)果

參照 《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009），測試試件的毛細吸水量和相對動彈性模量，詳細數(shù)據(jù)列表由于篇幅所限，不予贅述，詳見下節(jié)文字分析。

2.3 不同品質(zhì)粉煤灰對再生混凝土抗凍性能的影響

由圖3可知，粉煤灰再生混凝土抗凍性能為：Ⅰ級粉煤灰再生混凝土＞Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，且膠凝材料用量增大，粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)增加，表明：粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。

以圖3c為例，與Ⅰ級粉煤灰再生混凝土相比，當Φz=10%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)減小了25次，相對動彈性模量降低較快；當Φz=20%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)減小了25次；當Φz=30%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的相對動彈性模量降低了15.3%。

在凍融循環(huán)過程中，游離水體積膨脹產(chǎn)生靜水壓和滲透壓，從而引起游離水遷移，沖刷擠脹混凝土內(nèi)孔隙和裂縫，最終混凝土結(jié)構(gòu)破壞。由凍融破壞機理可知，混凝土抗凍性主要取決于水泥品種和用量，骨料品質(zhì)、強度，平均氣泡間距等[5]。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅及氧化鋁，與混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應，生成膠凝物質(zhì)。粉煤灰的 “火山灰效應”，堵塞了混凝土中的毛細孔，能提高混凝土的抵抗水侵蝕的能力，這種物理化學作用提高了粉煤灰類混凝土的抗凍性能[6]。

由表3可知，Ⅰ級粉煤灰的需水量和燒失量分別比Ⅱ級粉煤灰低12.6%和34.7%，表明：Ⅱ級粉煤灰再生混凝土內(nèi)部存在的自由水遠遠大于Ⅰ級粉煤灰再生混凝土；且用壓汞法測得，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的孔隙率比Ⅰ級粉煤灰再生混凝土高3.2%。

在凍融循環(huán)中，粗骨料同樣發(fā)生游離水遷移，當游離水產(chǎn)生的靜水壓超過骨料-水泥漿界面強度，混凝土表面的受凍骨料就會剝落[7]。Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的界面區(qū)顯微硬度低以及內(nèi)部存在相對較多的孔隙，導致Ⅱ級粉煤灰再生混凝土抗凍性差于Ⅰ級粉煤灰再生混凝土。

混凝土凍融破壞的必要條件是處于接近水飽和狀態(tài)[7]。兩類粉煤灰再生混凝土的毛細吸水量初期均大致呈線性增長，后期增勢變緩，最終趨于穩(wěn)定。線性擬合的直線斜率即為毛細吸水系數(shù)，反映了粉煤灰品質(zhì)和取代率對再生混凝土毛細吸水性能的影響。相比Ⅰ級粉煤灰再生混凝土，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的毛細吸水量較高，表明其孔隙率較高，水的遷移活動和吸水過程更加流暢，從而減弱了再生混凝土的抗凍性。

2.4 不同粉煤灰取代率對再生混凝土抗凍性能影響

增大粉煤灰的取代率，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土凍融循環(huán)次數(shù)減少，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)先增多后減少。

研究表明：相同質(zhì)量引氣劑（本文未添加）和工藝水平條件下，混凝土含氣量大致相當，減小水膠比，水泥漿內(nèi)的可凍水含量減小，可凍水間隙形成的氣泡結(jié)構(gòu)數(shù)量會多，則氣泡間隔系數(shù)越小，利于提高混凝土抗凍性能[8]。

如圖4a所示，隨著Φz的增大，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的水膠比增大，則氣泡間隔系數(shù)增大。相比Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗拉強度提高了1.1%～9.8%，提高了其抗凍性能。

在電子顯微鏡下，Ⅰ級粉煤灰中含有粒形完整、表面光滑、質(zhì)地致密玻璃微珠，含量高達70%。這些玻璃微珠起到減水和致密作用。粉煤灰中微米級粒徑的微珠和碎屑，極大地提高了混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強度[9]。由圖4b可知，隨著Φz的增大，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的水膠比減小，氣泡間隔系數(shù)降低。Φz增大至20%前，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的強度高于未添加粉煤灰的再生混凝土，這兩種因素導致Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能提高；當Φz繼續(xù)增大至30%，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的強度降低，毛細吸水量也有同樣的變化特征，這使得Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小，最終表現(xiàn)為Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。

圖4 粉煤灰取代率對再生混凝土水膠比的影響

3 結(jié)語

（1）隨著粉煤灰取代率的增大，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土毛細吸水性能減小，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的毛細吸水性能先增大后減小。

（2）Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能高于Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，且增大膠凝材料用量，粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。

（3）增大粉煤灰取代率，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。