摻復合型摻和料水泥膠砂的凍融性能試驗研究

□曾文學（河南水利建設投資有限公司）

□方 琳（華北水利水電學院研究生院）

水泥混凝土作為一種建筑材料自問世以來，迄今己有一百多年的歷史，它是現代最重要的工程結構材料之一,隨著大規模的生產,水泥消耗了大量的能源及石灰石、粘土等礦產資源，還排放了大量的污染物。而近年來大量研究表明，將工業廢渣（如鋼渣,粉煤灰等）作為水泥混凝土的礦物摻和料，不僅僅是在水泥混凝土生產中利用了工業廢渣，減少了廢渣引起的環境污染及土地占用，降低了混凝土的制造成本，減少了由于生產水泥造成的環境污染及能源、資源消耗，而且這些礦物摻和料能有效改善普通水泥混凝土的性能。

其中，抗凍性是水泥材料耐久性的最重要的指標之一，我國地域遼闊，有相當大的地區處于嚴寒地帶，不少建筑物出現了凍融破壞現象。寒冷地區的水工、港口、道路橋梁等工程中的水泥混凝土結構物或構筑物在凍融循環作用下的凍融破壞是運行過程中的主要病害。本文研究礦物摻合料對水泥凍融性能的影響。

1.試驗方法

1.1 試件的制作

1.1.1 按“水泥膠砂強度的試驗方法”進行砂漿拌和及成型、養護40mm×40mm×160mm的砂漿試件。試驗以3個試件為一組。

1.1.2 到達試驗齡期的前3d，將試件放入20℃±3℃的水中浸泡，水深應沒過試件頂面2cm以上。

1.1.3 將浸水完畢的試件擦去表面水分，稱量，按“混凝土（砂漿）動彈性模量試驗”測定縱向自振頻率，并做必要的外觀描述，作為評定抗凍性的起始值。

1.1.4 隨即將試件裝入四周及底墊有橡皮板的試件盒中，加入清水，使其沒過試件頂面3～5mm。

1.1.5 將裝有試件的盒子固定在試驗箱內，按“混凝土抗凍性試驗”進行凍融循環試驗。

1.2 混凝土抗凍性試驗

1.2.1 按“混凝土試件的成型與養護方法”成型和養護試件。試件以3個試件為一組。試驗齡期如無特殊要求時一般為28d。到達試驗齡期的前4d，將試件在20℃±3℃的水中浸泡4d（對于水中養護的試件，到達試驗齡期時即可直接用于試驗）。如果凍融介質為海水，試件在養護到期后，應風干48h后再浸泡海水48h。

1.2.2 將已浸泡的試件擦去表面水后，稱初始質量，并按“混凝土（砂漿）動彈性模量試驗”測量初始自振頻率，作為評定抗凍性的起始值。同時做必要的外觀描述和照相。

1.2.3 隨即將試件裝入試件盒中，按凍融介質要求注入淡（海）水，水面應浸沒試件頂面20mm。

1.2.4 通常每做25次凍融循環就對試件檢測一次，也可根據混凝土抗凍性的高低來確定檢測的時間和次數。檢測時，小心將試件從試件盒中取出，沖洗干凈，擦去表面水分，稱量和測定自振頻率，并做必要的外觀描述和照相。每次測試完畢后，應將試件掉頭重新裝入試件盒，注入淡（海）水，繼續試驗。在測試過程中，應防止試件失水，待測試件需用濕布覆蓋。

表1 摻和料水泥膠砂冰融試驗結果表

1.2.5 當有試件中止試驗取出后，應另用試件填充空位，如無正式試件，可用廢試件填充。

1.2.6 試驗因故中斷，應將試件在受凍狀態下保存。

1.2.7 凍融試驗出現以下3種情況者即可停止：

a.凍融至預訂循環次數；

b.相對動彈性模量下降至初始值的60%；

c.質量損失率達到5%。

其中相對動彈性模量按式（1）計算；

式中：Pn—n次凍融循環試驗后試件相對動彈性模量，%；

f0—試件凍融循環前的自振頻率，Hz；

fn—試件凍融n次循環后的自振頻率，Hz。

以3個試件試驗結果的平均值作為測定值。當最大值或最小值之一，與中間值之差超過中間值的20%時，剔除此值，取其余兩值的平均值作為測定值；當最大值和最小值均超過中間值的20%時，則取中間值作為測定值。

質量損失率按式（2）計算；

式中：Wn—n次凍融循環后質量損失率，%；

G0—凍融前的試件質量，g；

Gn—n次凍融循環后的試件質量，g。

以3個試件試驗結果的平均值作為測定值。當3個值中，最大值或最小值超過中間值1%時，剔除此值，取其余兩值的平均值作為測定值；當最大值與最小值與中間值之差均超過1%時，取中間值為測定值。

相對動彈性模量下降至初始值的60%或質量損失率達5%時，即可認為試件已達破壞，并以相應的凍融循環次數作為該混凝土的抗凍等級。若凍融至預訂的循環次數，而相對動彈性模量和質量損失率均未達到上述指標，可認為試驗的混凝土抗凍性已滿足設計要求。

2.凍融試驗結果

根據以上的試驗方法和配比，成型膠砂試件，得到不同摻和料水泥膠砂隨試驗進行而產生的質量損失和動彈模變化，并與純水泥膠砂的凍融數據（質量損失和動彈模變化）進行對比，通過表1直觀的體現。

從表1可以看出：

2.1 凍融至50次時，大摻量鋼渣粉與粉煤灰，粉煤灰與硅灰的復合摻和料水泥膠砂質量損失都＞5%。

2.2 鋼渣粉與硅灰復合、鋼渣粉與粉煤灰復合取代量為15%、20%時，摻和料水泥膠砂表現出的抗凍性能較好，抗凍融循環次數在150次以上。粉煤灰和硅灰復合，在取代量40%時的抗凍性能也比較好，抗凍融循環次數在150次以上。

2.3 在適當的配合比例和取代量的情況下，摻和料水泥膠砂抗凍融循環次數能達到150次以上，因為超細粉料能夠填充水泥顆粒空隙之中，形成結構致密的漿體，具有較高的耐久性能。

3.結論

通過試驗與結果分析，研究了硅酸鹽水泥在摻入鋼渣粉、粉煤灰與硅灰的各種配比組合下水泥膠砂的抗凍融耐久性。其研究成果客觀反映了硅酸鹽水泥中摻入鋼渣粉、粉煤灰與硅灰等活性摻和料后的相關性能，為開發“高強綠色混凝土”等課題的研究提供了參考。通過試驗可知：（1）摻和料水泥膠砂試件的碳化深度都大于純水泥膠砂試件的碳化深度。并且，隨著復合摻和料取代量的增加，碳化深度越大；（2）雙摻復合摻和料水泥膠砂抗碳化性能，各種材料在最大取代量，28d碳化時間而言，其抗碳化能力是：鋼渣粉、硅灰復合＞粉煤灰、硅灰復合＞鋼渣粉、粉煤灰復合；（3）對于指定的28d碳化深度，如20mm，摻鋼渣粉、硅灰取代量可達40%；摻鋼渣粉、粉煤灰取代量可達20%；摻粉煤灰、硅灰取代量可達40%。

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