粉煤灰對引氣混凝土凍融損傷的影響

朱文憑，王博，徐再修

(西安建筑科技大學，陜西西安710055)

混凝土抗凍性是混凝土耐久性研究的一個重要方面。隨混凝土技術的提高，粉煤灰在混凝土當中的應用得到了很大程度的推廣。國內外相關研究指出粉煤灰在引氣混凝土當中的應用能夠對混凝土當中的氣泡起到吸附作用，同時粉煤灰自身的形態特征及其火山灰作用均有利于混凝土的抗凍性能的提高［1］，［2］。為進一步明確粉煤灰的存在對引氣混凝土抗凍性能的影響，本文對不同粉煤灰參量下的引氣混凝土進行對比實驗旨在從混凝土內部和表面損傷兩個方面考察粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為陜西秦嶺水泥總廠的PO42.5R水泥。砂為霸河中砂，表觀密度2 650 kg/m3，堆積密度1 480 kg/m3，含泥量1.0%，細度模數2.7。石子為涇陽口鎮石灰巖質錘破碎石，無針片狀顆粒，粒徑5～15 mm，表觀密度2 820 kg/m3，堆積密度1 435 kg/m3，含泥量0.3%，壓碎指標6%。引氣劑為同濟大學以天然野生植物皂類為主要原料研制的SJ－3型高效引氣劑。水為自來水。粉煤灰:渭河電廠“正元牌”II級粉煤灰，其化學成分及物理性能參見表1、表2。

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1.2 混凝土配合比及試驗設計

在全部試驗配比中，混凝土水膠比均為0.45。為對各配合比下的不同粉煤灰摻量和實測含氣量加以區分，所有配合比下的混凝土試件進行統一命名，參見表3。其中F30A4.6表示粉煤灰摻量百分比為30%，實測含氣量百分比為4.6%。

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依據GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，在試驗進行前，對粉煤灰混凝土試件養護至90 d齡期，其強度發展參見表4。試驗過程中，試件核心溫度設定為－17℃±2℃～8℃±2℃。每50次循環，取一組各配比下混凝土試件進行強度測定;每25次循環，取一組試件(三個)進行質量損失測定，并得出其平均值。

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2 實驗結果與分析

本文所進行的試驗研究主要考慮凍融過程中混凝土的內部和表面損傷兩個方面。宏觀上，這兩類損傷最直接的表現分別為混凝土抗壓強度的下降和混凝土質量損失。

2.1 凍融循環過程中混凝土強度損失規律

研究表明［1］，［3］，混凝土內部損傷主要是因為混凝土內部微孔隙中的孔隙水由于結冰而出現體積膨脹并產生冰脹壓力造成混凝土內部微孔隙的擴張，其內部水化產物由原有的密實結構向凍融循環后的疏松結構轉變，造成混凝土抗壓強度的下降。本文實驗中的幾組試件在凍融過程中的抗壓強度值變化曲線參見圖1。

圖1 抗壓強度隨凍融循環次數的變化

圖2 “陡劣點”前后抗壓強度損失

由以上不同粉煤灰摻量下的混凝土在200次凍融循環過程中的強度下降曲線可以看出，當粉煤灰摻量在30%以下時，不論是含氣量為3.7%還是4.6%的兩個試驗組，混凝土均表現出較好的前期抗凍性。F10A4.6、F30A4.6和F30A4.6在凍融循環進行到第100次之前，其抗壓強度下降趨勢較為緩慢，當凍融循環進行到100次后才出現抗壓強度急劇下降;因此，可以看出，混凝土在凍融環境下都存在一個抗壓強度突然下降點。羅昕［4］等人將混凝土在凍融條件下抗壓強度曲線出現突然下降的位置稱作為混凝土凍融損傷“陡劣點”。在凍融損傷“陡劣點”出現之前，摻有粉煤灰的F10A4.6、F30A4.6和F30A3.7其強度損失只占全過程強度損失的一小部分。計算可得，F30A4.6在經受前100次循環過程中所出現的抗壓強度損失占全部200次凍融循環過程中抗壓強度損失的14.45%，而在“陡劣點”出現之后，其抗壓強度損失占到全部損失的85.54%。同樣可得出F10A4.6和F30A3.7在“陡劣點”前后的強度損失比例，參見圖2。

2.2 粉煤灰對引氣混凝土內部損傷的影響機理

由上述抗壓強度劣化特征可以看出，當粉煤灰摻量適當時，粉煤灰的存在對混凝土內部損傷具有明顯的緩沖作用。其機理可從三個方面進行闡述:一是在混凝土拌制和成型階段，粉煤灰所特有的玻璃微珠顆粒能在拌制和振搗時對混凝土的粗細骨料起到潤滑作用，從而降低混凝土的實際需水量［5］。因此，摻有粉煤灰的混凝土能夠有效減少混凝土內部未參與水化反應的游離水含量，從而減少了游離水的蒸發所造成的混凝土內部孔隙連通;二是Puertas等［6］指出在水膠比不變的情況下，超過80%的粉煤灰在混凝土養護達90 d齡期時依然處于未水化狀態。這就使得粉煤灰的微集料效應得到發揮，大量未水化的細小粉煤灰顆粒均勻分散在混凝土內部，有效地填充了混凝土內部的毛細孔，降低了混凝土內部毛細孔率;粉煤灰自身微觀上的玻璃球體顆粒結構也有利于沮滯混凝土內部毛細孔的連通［1］;三是由于粉煤灰所具有的二次水化效應，當混凝土在凍融初期內部結構由于冰脹壓力而產生少量微裂縫時，粉煤灰的持續水化會消耗掉一部分水泥水化析出的Ca(OH)2而生成一定量的硅酸鈣和鋁酸鈣進而在一定程度上阻礙了這一部分微裂縫的繼續擴展，可以抵消掉這部分微裂縫的生成對混凝土帶來的內部損傷。有學者也將粉煤灰的這一作用稱為“強度增益效應”［7］。

2.3 凍融循環過程中的質量損失

凍融過程中混凝土的質量損失主要是因為試件表面混凝土剝蝕造成的，因此質量損失可以看成是混凝土表面損傷在宏觀上的表現。由于在凍融過程中混凝土表面的吸水程度最先達到飽合，在凍融循環過程中試件表面混凝土將因為表面孔隙當中的冰脹壓力而出現剝落，從而造成混凝土試件在凍融過程中的質量損失。本文分別對比了不同含氣量下的兩組試驗當中的試件在凍融200次的過程中質量損失趨勢，參見圖3。

圖3 凍融循環過程中的混凝土質量損失

可見，在含氣量為4.6%條件下，較之于F0A4.6，F10A4.6的粉煤灰摻量提高到10%時，混凝土在凍融過程中質量損失速率大致相當;當粉煤灰摻量提高到30%時，由F30A4.6的質量損失曲線可以看出，混凝土的質量損失速率有所減慢，這也就意味著當粉煤灰摻量達到30%時，粉煤灰的存在能使得混凝土在凍融過程中抵抗表面損傷的性能稍許提高。但是，由F30A3.7的質量損失曲線可以看出，粉煤灰摻量的多少對混凝土抵御凍融過程中表面損傷的能力影響不大;對這一性能影響最明顯的是引氣混凝土當中的實際含氣量。

2.4 粉煤灰對引氣混凝土表面損傷的影響機理

上述試驗結果表明粉煤灰摻量對凍融過程中引氣混凝土表面損傷的影響并不明顯。一方面是因為在標準養護環境下，混凝土表面的水泥率先水化且水化程度較為徹底并生成了水泥水化產物硅酸鈣和鋁酸鈣;在水泥生成其水化產物的過程中，由于混凝土表面在標準養護環境下的飽水程度較之于混凝土內部更高，水泥水化生成的Ca(OH)2由于較容易被水析出，因而表面附著的粉煤灰微細顆粒與所析出的Ca(OH)2發生反應的二次水化效應較之于混凝土內部粉煤灰顆粒更為強烈，這就進一步消耗了表面混凝土當中未水化的粉煤灰，造成粉煤灰的微集料效應得不到發揮。因而當粉煤灰摻量不大時，由于微集料效應的喪失，其對混凝土表面抗凍融損傷的改善效果并不明顯。另一方面，隨混凝土養護達到90 d齡期，表面粉煤灰的二次水化效應已幾乎消失殆盡，一旦凍融初期表面混凝土產生冰脹微裂縫，隨凍融循環次數的增加，將不再有額外水化產物的產生。進而造成表面混凝土損傷無法象混凝土內部損傷那樣得到補償。在這一基礎上，混凝土的含氣量對混凝土抵抗表面凍融損傷的效果將顯得至為重要，即混凝土在凍融過程的表面損傷程度主要取決于混凝土的實際含氣量。

3 結論

(1)粉煤灰對混凝土在凍融過程中抵御表面損傷和抵御內部損傷的性能改善程度是不同的。摻加適量粉煤灰能夠在較大程度上緩解混凝土經受凍融循環時的內部損傷，并對混凝土的抗壓強度起到一定的“增益效應”。而對表面混凝土的凍融損傷幫助不大。

(2)在有適量引氣保證的前提下，處于凍融環境下的混凝土，其粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料總量的30%。

(3)對處于凍融環境中，對混凝土表面剝落有嚴格限制的粉煤灰混凝土構件一定要保證其含氣量;通常含氣量不宜低于5%。

［1］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

［2］K·H·Pedersen，A·D·Jensen，M·S·Skj?th－Rasmussen，K·Dam－Johansen．A review of the interference of carbon containing fly ash with air entrainment in concrete［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2008，34(2):135－154

［3］李金玉，曹建國，徐文雨，等．混凝土凍融破壞機理的研究［J］．水利學報，1999，1(1):41－49

［4］羅昕，衛軍．凍融條件下混凝土劣化陡劣點的探討［J］．混凝土，2005，11(3):14－16

［5］Aiqin Wang，Chengzhi Zhang，Wei Sun．Fly ash effects:I．The morphological effect of fly ash［J］．Cement and Concrete Research，2003，33(12):2023－2029

［6］F·Puertas，S·Martínez－Ramírez，S．Alonso，T．Vázquez．Alkali－activated fly ash/slag cement Strength behaviour and hydration products［J］．Cement and Concrete Research，2000，30(10):1625－1632

［7］Cengiz Duran Atis，Okan Karahan．Properties of steel fiber reinforced fly ash concrete［J］．Construction and Building Materials，2009，23(1):392－399