粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍性能的試驗(yàn)研究

江西鐵建工程檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330002

0 引言

混凝土是一個(gè)充滿孔隙結(jié)構(gòu)的多相復(fù)合材料，這些孔隙的產(chǎn)生主要是由于混凝土中游離水分的蒸發(fā)、水泥水化過(guò)程產(chǎn)生收縮等多種原因造成的。在凍融作用下，孔隙中的自由水受凍而產(chǎn)生體積膨脹，從而混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力，破壞水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)，受熱后又從固態(tài)的冰轉(zhuǎn)變成液態(tài)的水。在這種凍融往復(fù)循環(huán)的長(zhǎng)期作用下，造成了水泥石結(jié)構(gòu)的內(nèi)部破壞，從而使混凝土結(jié)構(gòu)失去作用。通常認(rèn)為，水泥石強(qiáng)度越高抵抗凍融破壞的能力也越強(qiáng)，同時(shí)，水膠比及粉煤灰摻量對(duì)抗凍融的能力影響也很大［1］。

抗凍耐久性是混凝土耐久性能力的一個(gè)方面，國(guó)外評(píng)價(jià)抗凍耐久性的方法基本一致。北美地區(qū)以美國(guó)的ASTM666-86 和ASMC671-86 為代表，歐洲以RILEMTC4 -CDCI-77 為代表。我國(guó)則在《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2001）中對(duì)抗凍耐久性的試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。這些試驗(yàn)方法基本上可分為快凍法與慢凍法兩種。一般在國(guó)內(nèi)除有特別說(shuō)明均使用快凍法。本試驗(yàn)亦使用規(guī)程規(guī)定的快凍法。除抗凍試驗(yàn)外，其它試驗(yàn)亦按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2001）及《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 48-94）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1 試驗(yàn)情況

1.1 原材料

（1）采用都江堰拉法基水泥生產(chǎn)的P.O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1；

（2）細(xì)集料為河砂，該砂細(xì)度模數(shù)Mx為2.4，屬于II區(qū)中砂，級(jí)配合格。

（3）粗集料為碎石，石子粒徑為5～20mm，級(jí)配良好，含泥量＜1.0%

（4）粉煤灰：采用眉山市華慶建材科技有限公司生產(chǎn)的粉煤灰，其化學(xué)成分如表1；

（5）減水劑：采用四川金江建材科技有限公司JS-N 型聚羧酸減水劑，摻量1.0%，減水率26.3%。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)配比及性能如表1。試驗(yàn)尺寸為 100 ×100 ×400mm，每組成型三塊試件，成型24h 后脫模，試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后，再在水中浸泡4d，然后進(jìn)行抗凍試驗(yàn)；試驗(yàn)采用快速凍融法，按照GB/T 50082-2009 中的“快凍法”進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用TDRI 型全自動(dòng)快速凍融機(jī)，每天6～8 個(gè)循環(huán)，每隔25 次凍融循環(huán)后測(cè)定一次動(dòng)彈模量與重量，相對(duì)動(dòng)彈模量用共振法測(cè)定。

表1 原料化學(xué)成分表 %

2 試驗(yàn)與分析

2.1 粉煤灰摻量對(duì)碾壓混凝土抗凍耐久性的影響

表2 試驗(yàn)配合比（水膠比0.45）

本試驗(yàn)是在保持水膠比不變，調(diào)整粉煤灰摻量，與此同時(shí)也調(diào)整引氣劑用量，使含氣量控制在4%～5%之間，VC 值控制在4～5s 的條件下，根據(jù)粉煤灰摻量適當(dāng)調(diào)整砂率，以保持混凝土的和易性。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2、試驗(yàn)效果見(jiàn)表3，表4 與圖1。

表3 粉煤灰摻量對(duì)抗凍性能的影響

表4 粉煤灰摻量對(duì)抗凍性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水膠比不變，VC 值為4～5s，含氣量控制在4%-5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的減少，抗凍指數(shù)大幅提高。在0.45 水膠比條件下，粉煤灰摻量在50%以下時(shí)，抗凍融指數(shù)達(dá)到70%，可以達(dá)到碾壓混凝土300 次凍融的要求。

圖1 FA 摻量對(duì)抗凍性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：在保持含氣量為4%～5%，VC 值4～5s，粉煤灰摻量50%的條件下，其隨著水膠比的增大，抗凍融耐久性下降，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，若要滿足300 次抗凍融的設(shè)計(jì)要求，則必須使水膠比小于0.50。

圖2 水膠比和抗凍指數(shù)之間的關(guān)系

2.2 粉煤灰混凝土的抗凍機(jī)理分析

2.2.1 粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

據(jù) T.C.Powers 測(cè)定和計(jì)算，完全水化的水泥結(jié)合水量占水泥質(zhì)量的0 .227，使水泥完全水化并具有最低毛細(xì)孔隙率的水灰比為0 .437［2］，隨著水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，自由水相應(yīng)減少，但混凝土中的水泥不可能達(dá)到完全水化的程度，水泥漿體由水化物、未水化顆粒、水和毛細(xì)孔組成。當(dāng)水灰比過(guò)低時(shí)，混凝土內(nèi)部必然存在大量未水化膠凝材料；采用粉煤灰部分代替水泥后，一方面，由于水泥用量減少，Ca（OH）2的生成量也隨之減少，隨著粉煤灰的二次水化，增加C-S-H 凝膠和AFt，減少了結(jié)晶Ca（OH）2的數(shù)量和尺寸，降低了水泥石與骨料界面過(guò)渡層的孔隙率；另一方面，當(dāng)細(xì)微的粉煤灰顆粒均勻分散到水泥漿體中時(shí)，會(huì)成為部分水化物沉積的核心，隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行，這些細(xì)微顆粒及其新的水化產(chǎn)物填充水泥石中的孔隙，混凝土的孔結(jié)構(gòu)得到了改善；同時(shí)一部分空心玻璃球體引入砼中，這些硬質(zhì)空心玻璃體的直徑比毛細(xì)孔更大，會(huì)切斷毛細(xì)孔滲水的通道，提高了混凝土抗?jié)B性和抗凍性。

2.2.2 引氣劑的效能及作用機(jī)理

一般通過(guò)在混凝土中摻入引氣劑可引人一定量的微小氣泡來(lái)改善混凝土的抗凍性能，這些微小氣泡的直徑一般都小于200μm，可切斷毛細(xì)作用的通道，大大降低毛細(xì)作用而提高抗?jié)B性。

在相同引氣劑摻量下，隨著粉煤灰的摻量的增加，混凝土中的含氣量呈下降趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，粉煤灰中細(xì)微碳粒將可能吸附引氣劑引入的微小氣泡，砼中有效含氣量從而降低；在相同水膠比下，由于隨著粉煤灰摻量的增大，水泥漿體總量增大，從而降低了單位體積內(nèi)引氣劑的有效含量，同時(shí)也降低了新拌砼中的含氣量，從而影響混凝土的抗凍性能。

3 結(jié)論

（1）小水膠比原則，水膠比是對(duì)碾壓混凝土抗凍耐久性影響最大，而且又相對(duì)獨(dú)立的因素，可靠性高，高抗凍性碾壓混凝土的水膠比不宜大于0.50。

（2）優(yōu)質(zhì)I 級(jí)粉煤灰及其摻量控制原則，從耐久性分析，粉煤灰摻量應(yīng)該合理適量，而其他性能（施工和易性、溫控要求等）要求多摻粉煤灰。因此，只能在多因素下考慮平衡，選取適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅?。多組試驗(yàn)結(jié)果表明，使用優(yōu)質(zhì)I 級(jí)粉煤灰，其摻量不宜大于50%。