田 帥，李 翔，李世華

(1.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昭通 657000； 2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明 650501)

0 引言

粉煤灰大部分呈球狀且表面光滑，具有良好的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)，在配制混凝土?xí)r，摻加適量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，可以顯著改善混凝土的工作性能，降低混凝土水化熱，并可提高混凝土的某些耐久性能，是制備高性能混凝土的優(yōu)良礦物摻合料[1]。在寒冷地區(qū)抗凍性是影響混凝土耐久性的主要因素，也是工程建設(shè)面臨的主要問題。針對(duì)粉煤灰及含氣量對(duì)混凝土的抗凍性能的影響，許多研究人員進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，劉昱等[2]采用快凍法研究了0.5水膠比(質(zhì)量比)下?lián)搅繛?5%，30%，35%，40%，50%的粉煤灰對(duì)6%含氣量混凝土抗凍性的影響，研究表明在含氣量為6%條件下，粉煤灰的最適宜摻量為25%，抗凍融循環(huán)等級(jí)為F200。王敏等[3]研究了0.45，0.39和0.31水膠比(質(zhì)量比)下不同摻量粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性的影響，結(jié)果表明摻加粉煤灰能夠提高混凝土的抗凍性，并且當(dāng)粉煤灰摻量15%時(shí)混凝土的抗凍性最佳。劉玉琨等[4]研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明摻入粉煤灰對(duì)混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性能沒有明顯改善，過(guò)量摻加粉煤灰會(huì)降低混凝土的抗凍和抗?jié)B性能。由于粉煤灰摻量、含氣量、水膠比等試驗(yàn)條件的不同，目前針對(duì)粉煤灰及含氣量對(duì)混凝土抗凍性能影響的研究結(jié)果差異較大，為進(jìn)一步明確粉煤灰及含氣量對(duì)混凝土抗凍性能的作用，結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)的需要，研究了混凝土水膠比、含氣量、粉煤灰摻量等因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響，以期為實(shí)際工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 原材料

1)水泥：采用P.O42.5水泥，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

2)粉煤灰：采Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比為101%，細(xì)度為21.7%，燒失量為7.9%，活性為74%。

3)砂：采用規(guī)格為0 mm～4.75 mm機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，含石粉的量為6.0%，含泥塊的量為0.2%，壓碎指標(biāo)為22%。

4)碎石：采用4.75 mm～19 mm連續(xù)級(jí)配碎石，針片狀含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4%，壓碎值為18.2%，含泥量為0.8%。

5)外加劑：采用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 混凝土試驗(yàn)配合比

為研究混凝土強(qiáng)度、含氣量、粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性能的影響，混凝土水膠比(質(zhì)量比)的范圍選擇0.32～0.42，含氣量范圍控制為2%～6%，粉煤灰摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0%～40%，混凝土坍落度設(shè)計(jì)為180 mm～220 mm?；炷猎囼?yàn)配合比具體如表2所示?；炷林械暮瑲饬客ㄟ^(guò)外加劑中的引氣組分調(diào)整，使得外加劑摻量在2%左右時(shí)，混凝土含氣量可以在1.8%～2.2%的范圍內(nèi)；當(dāng)混凝土需要較高的含氣量時(shí)，通過(guò)單獨(dú)添加引氣劑使其含氣量接近控制值后開展相關(guān)試驗(yàn)。

表2 混凝土抗凍試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1)含氣量測(cè)定：根據(jù)GB/T 50080普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)開展混凝土含氣量試驗(yàn)，混凝土攪拌均勻后裝入CA-3含氣量測(cè)定儀進(jìn)行含氣量值測(cè)定。

2)凍融測(cè)試方法：根據(jù)GB/T 50082普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法中快凍法采用TDRK9(整體式)凍融試驗(yàn)機(jī)開展抗凍試驗(yàn)，試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d再放入清水浸泡4 d后開展初始質(zhì)量與動(dòng)彈性模量測(cè)量，然后每?jī)鋈谘h(huán)25次開展一次試樣質(zhì)量與動(dòng)彈性模量的測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土工作性能及力學(xué)性能

根據(jù)表2混凝土抗凍試驗(yàn)配合比開展相關(guān)試驗(yàn)，混凝土工作性能、含氣量及抗壓強(qiáng)度如表3所示。由表2及表3可知，配制的各組混凝土坍落度為180 mm～220 mm，擴(kuò)展度為500 mm～555 mm；混凝土拌合物狀態(tài)黏聚性較好，無(wú)泌水與離析情況出現(xiàn)，工作性能良好。A-1～A-5混凝土粉煤灰摻量均為其膠凝材料總量的20%，隨著水膠比的增加混凝土3 d～56 d抗壓強(qiáng)度逐漸最低。B-1～B-5混凝土水膠比(質(zhì)量比)均為0.36，所用原材料均相同，當(dāng)含氣量由2%左右增加到6%時(shí)，由于混凝土中引入了大量均勻、密閉的微小氣泡，改善了混凝土的流動(dòng)性，所以混凝土的坍落度及擴(kuò)展度呈逐漸增大的趨勢(shì)；但是含氣量的增加對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大，隨著含氣量的增加混凝土有效受力面積下降、抗壓強(qiáng)度降低，其中B-5混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度比B-1降低12 MPa，B-5混凝土的56 d抗壓強(qiáng)度比B-1降低15.5 MPa。由C-1～C-5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度有所增加，由于粉煤灰的滾珠效應(yīng)，可以改善混凝土的流動(dòng)性；但是隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著降低，C-5的28 d抗壓強(qiáng)度比C-1的28 d抗壓強(qiáng)度降低15.9 MPa，C-5的56 d抗壓強(qiáng)度比C-1的56 d抗壓強(qiáng)度降低20.8 MPa。

表3 混凝土工作性能及力學(xué)性能

2.2 水膠比對(duì)混凝土抗凍性能的影響

A-1～A-5混凝土水膠比(質(zhì)量比)由0.32逐漸增大至0.42，含氣量控制在2%左右。由表3及圖1可知，A-1～A-5混凝土28 d抗壓強(qiáng)度由64.8 MPa逐漸降低至43.9 MPa，而混凝土的抗凍等級(jí)也由F250降低至F100，混凝土水膠比越低、抗壓強(qiáng)度越高其抗凍等級(jí)也越高。由于水膠比越大，混凝土中用水量越多，水參與膠凝材料水化或蒸發(fā)后留在混凝土中毛細(xì)孔或孔隙的概率越大，一方面會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的降低，另一方面隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，水通過(guò)毛細(xì)孔及孔隙逐漸向混凝土中滲入，進(jìn)入混凝土內(nèi)部的水受凍后體積膨脹而對(duì)混凝土產(chǎn)生應(yīng)力破壞，在凍融循環(huán)的反復(fù)作用下，造成混凝土動(dòng)彈性模量下降、表層剝落及質(zhì)量降低?；炷了z比越低，其內(nèi)部越密實(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度也越高；一方面由于混凝土密實(shí)水通過(guò)毛細(xì)孔或孔隙進(jìn)入混凝土的難度變大，另一方面由于低水膠比混凝土具有更高的強(qiáng)度，抵抗水凍脹后產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的能力越強(qiáng)，越不容易被破壞。因此，在粉煤灰摻加比例及含氣量相同的情況下，水膠比低、強(qiáng)度高的混凝土比水膠比大、強(qiáng)度低的混凝土具有更好的抗凍性能。

2.3 含氣量對(duì)混凝土抗凍性能的影響

以0.36水膠比(質(zhì)量比)的混凝土開展含氣量對(duì)混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)，混凝土含氣量分別控制在2%依次增加至6%。由表3可知，隨著B-1～B-5含氣量的增加，B-1～B-5的3 d～56 d齡期抗壓強(qiáng)度都有所下降，其中B-5的28 d抗壓強(qiáng)度比B-1下降了12 MPa。由于在相同配合比及原材料條件下，新拌混凝土含氣量越高，其內(nèi)部存在更多的均勻球形氣泡，這些氣泡的存在增大了混凝土的孔隙率，有效承載力截面減少，引起了混凝土強(qiáng)度的降低，隨著氣泡數(shù)量的增多，混凝土強(qiáng)度損失越多，并且在受力時(shí)孔隙附近應(yīng)力集中，給混凝土強(qiáng)度造成了不同損失。

由圖2可知，B-1～B-5隨著混凝土含氣量的增加，混凝土的抗凍性逐漸變好，當(dāng)含氣量為6.1%時(shí)，粉煤灰摻量為20%的B-5混凝土抗凍循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到400次。這主要是因?yàn)樵诨炷林幸氪罅糠€(wěn)定的微小而密閉的氣泡，在一定程度上阻斷了毛細(xì)孔或孔隙的形成；同時(shí)在負(fù)溫條件下，這些微小而密閉的氣泡對(duì)水變成冰而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力有一定的緩沖與消減作用，從而能夠大幅度提高混凝土的抗凍性能。因此在一定范圍內(nèi)，在相同配合比及原材料條件下，含氣量越高，混凝土的抗凍性越好，抗剝蝕能力也越強(qiáng)。

2.4 粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響

以0.36水膠比(質(zhì)量比)的混凝土開展粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍性能影響的試驗(yàn)，粉煤灰摻量分別取膠凝材料質(zhì)量的0%逐步增加至40%。由表3及圖3可知，C1～C5隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d～56 d齡期抗壓強(qiáng)度均有所降低，抗凍性下降。這主要由于當(dāng)粉煤灰加入混凝土當(dāng)中后，二次水化速率較慢，影響膠凝材料體系的水化速率，同時(shí)降低了混凝土抗壓強(qiáng)度，其中28 d抗壓強(qiáng)度C-5比C-1降低15.9 MPa，使混凝土抵抗受凍破壞能力降低，因此粉煤灰摻量達(dá)膠凝材料質(zhì)量的40%時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)僅能達(dá)F50；另外，混凝土含氣量為2%左右時(shí)，引入混凝土中微小而密閉的氣泡數(shù)量較少，在凍融循環(huán)時(shí)對(duì)水變成冰而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力的緩沖與消減作用較弱，因此，在混凝土水膠比為0.36、含氣量為2%時(shí)，混凝土抗凍性能隨粉煤灰摻量的增加而降低[5]。

3 結(jié)論

1)在粉煤灰摻量為20%及含氣量為2%的條件下，混凝土抗凍性能隨著水膠比(質(zhì)量比)的增加而降低，當(dāng)水膠比(質(zhì)量比)為0.32時(shí)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度最高、抗凍性能最優(yōu)，抗凍等級(jí)可達(dá)F250。

2)在混凝土水膠比(質(zhì)量比)為0.36、粉煤灰摻量為20%的條件下，當(dāng)混凝土含氣量由1.8%增加至6.1%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著含氣量的增加而降低，其中含氣量為6.1%的混凝土比含氣量為1.8%混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度降低了12 MPa，但隨著含氣量的增加混凝土的抗凍性能顯著改善，當(dāng)含氣量為6.1%時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)可達(dá)F400。

3)在混凝土水膠比(質(zhì)量比)為0.36、含氣量為2%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度降低、抗凍性變差，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，混凝土的抗凍性能最差、抗凍等級(jí)僅為F50，不摻粉煤灰的混凝土抗凍性能最優(yōu)、抗凍等級(jí)可達(dá)F200。