粉煤灰對混凝土干濕循環抗凍性能的影響

楊海明，鄧亞芬，張世杰

YANG Haiming，DENG Yafen，ZHANG Shijie

(1.浙江省天和建材集團有限公司，浙江 杭州310008;2.浙江省建筑科學設計研究院有限公司，浙江 杭州310012)

混凝土已成為目前土木工程中應用最廣泛的建筑材料。但很多工程在使用10～20年后，就由于混凝土耐久性不足而導致過早破壞，造成了巨大的經濟浪費，這一普遍現象在世界各國引起了學術界、工程界的高度重視［1-2］。我國水工建筑物耐久性調查顯示［2-6］:在寒冷地區的水工混凝土建筑物，幾乎所有工程都存在凍融破壞，有些為局部破壞，有些為大面積破壞。與普通環境條件下混凝土相比，處于干濕循環條件下的混凝土往往承受著更大的凍融破壞，是建筑物最為薄弱的部分，但目前國內外對于混凝土干濕-凍融循環破壞的研究相對很少［7-12］。

影響混凝土抗凍性的主要因素有水膠比、混凝土的孔隙率與孔隙特征、礦物摻合料。而提高混凝土抗凍性的方法是:適當加入外加劑［10-11］，嚴格控制水灰比，適當摻入礦物摻合料，加強養護條件，減少混凝土早期受凍破壞［11-12］。目前國內的預拌混凝土幾乎都使用粉煤灰，應用粉煤灰已成為提高混凝土的整體性能、降低成本的最有效技術途徑之一。但在有抗凍性要求的混凝土中摻入多少粉煤灰比較合理，這需要我們進行大量的研究。尤其是在處于干濕-凍融循環環境中的混凝土，需要更加準確、更加合理的粉煤灰摻量，以滿足真實情況的抗凍性要求［13］。

浙江雖然地處南方，但是隨著極端天氣的增多，混凝土冬期也可能受凍害。本文主要研究粉煤灰摻量對混凝土干濕循環條件下抗凍性能的影響。

1 試驗原料及方法

1.1 原料

(1)水泥:選用海螺水泥廠生產的P. O42.5 普通硅酸鹽水泥。

(2)骨料:碎石，5～20 mm 選續級配;砂，細度模數為2.7 的中砂，骨料滿足要求。

(3)粉煤灰:二級粉煤灰，其物理性能見表1。

(4)減水劑:傳化聚羧酸減水劑。

表1 粉煤灰物理性能

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比

試件尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm。粉煤灰等量替代水泥的含量為0、15%、30%、45%。水灰比0.45。其配合比見表2。試件采用保濕養護，1 d后拆模，在標準養護條件下(養護溫度(20 ±2)℃，相對濕度95%以上)養護28 d 后，試件開始干濕凍融循環試驗。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

1.2.2 凍融試驗

(1)凍融制度。試件浸泡在液體中，液體覆蓋試件頂端，凍融時，試件中心的最高溫度和最低溫度控制在5℃和-10℃，每次凍融循環約在4 h 內完成，其中融化時間大約為1 h，凍化時間大約為3 h。凍結與融化終了時，試件中心溫度應控制在(-10±2)℃和(5 ±2)℃。

(2)干濕循環制度。使用烘箱進行干燥，干燥溫度為60℃，時間為6 h。在清水中浸泡混凝土使混凝土濕潤，時間為18 h，一次干濕循環為24 h。

試件標養28 d 后，先在水溶液中浸泡16 h，然后在60℃的烘箱中烘6 h，自然冷卻后按凍融制度的步驟進行凍融循環。凍融循環8 次，干濕循環6次為一次大循環，每次大循環約為10 d，共進行5 次大循環。

2 結果與分析

2.1 結果

2.1.1 粉煤灰對干濕凍融循環抗壓強度的影響

研究中分別測量了混凝土28 d 強度及干溫凍融循環后混凝土的強度。此外，為反映混凝土破壞程度的大小，測量同齡期(38、48、58、68、78 d)在標準養護條件下混凝土的強度。

圖1 為標準養護的混凝土強度隨時間變化曲線。

圖1 同齡期下標準養護混凝土強度發展

由圖1 可見:未摻粉煤灰混凝土28 d 后強度發展不明顯。摻粉煤灰混凝土隨著粉煤灰摻量的增加28 d強度雖然下降，但隨著時間的增加后期強度不斷增長。這是因為粉煤灰混凝土28 d 結構發展不完全，隨著水化的不斷進行，生成的凝膠使混凝土強度上升。

圖2 為干濕凍融循環條件下混凝土強度隨時間變化圖。

圖2 干濕凍融循環條件下強度的變化

由圖2 可見:純水泥混凝土破壞更直接。純水泥混凝土在第3 次干濕-凍融循環結束后強度明顯下降，而后強度變化不明顯。摻粉煤灰混凝土強度下降趨勢平緩，且15%摻量與30%、45%摻量相比強度下降平緩。

圖3 為混凝土強度損失隨循環周期變化圖。

圖3 混凝土強度損失隨循環周期變化圖

由圖3 可見:摻粉煤灰混凝土，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土強度損失率增加，摻量15%時強度損失率最小，摻量45%時在第五次循環結束后強度損失最大。

2.1.2 粉煤灰對干濕凍融循環質量損失的影響

混凝土的質量損失反映出混凝土的表面破壞程度，本試驗在每次干濕-凍融循環結束后將浸泡后的混凝土表面水分擦干，測量相同3 塊混凝土的質量，計算混凝土在各次循環結束后的平均質量，得出混凝土的質量損失，并繪制質量損失隨循環次數變化折線圖(圖4)。

圖4 為混凝土的質量損失隨循環次數變化的折線圖。

圖4 混凝土質量損失

由圖4 可見:隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的質量損失增大。其中摻15%粉煤灰的混凝土質量損失較小，損失較為緩慢。而摻45%粉煤灰的混凝土質量損失較大，損失較快。

2.2 理論分析

由圖2 及圖3 可見:凍融和干濕交替作用和普通凍融相比破壞性更強。5 次循環結束后，混凝土與同齡期標準養護條件下混凝土相比強度均有明顯下降，干濕與凍融的共同作用加速了混凝土受凍破壞。實驗中混凝土凍融次數總和僅為40 次，但強度下降明顯，說明干濕循環對混凝土受凍破壞的加速作用十分明顯。

摻粉煤灰混凝土在前兩次循環強度均有所增加，強度變化與同齡期標準養護條件下混凝土相比無明顯變化，但后幾次循環強度下降明顯。未摻粉煤灰混凝土前兩次循環強度非常高，但第三次循環與第四次循環強度下降劇烈，與摻粉煤灰混凝土相比下降更直接。可以看出，在試驗早期，干濕-凍融循環對混凝土破壞程度較小，粉煤灰混凝土的強度仍然發展。干濕凍融循環破是一個積累性的破壞。

由圖4 可見:隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的質量損失增大。粉煤灰的摻入使干濕凍融循環條件下混凝土表面破壞加重，所表現出來的是混凝土表面結構的破壞從而引起混凝土強度的下降，摻入粉煤灰的混凝土表面更易產生脫皮剝落。而未摻粉煤灰的混凝土在進行五次凍融循環實驗后質量變化不明顯，對于抵抗干濕-凍融循環條件下混凝土表面損壞有所提高，但混凝土的強度也有所下降，說明破壞原因并不是混凝土表面破壞所引起，而是由于內部損傷而引起的混凝土整體性破壞。

3 結 語

(1)干濕循環引起了混凝土的變形、表面開裂、結構發展減慢，與凍融循環共同作用增大了受凍損傷。因此，對于處于干濕-凍融循環條件下的混凝土，在配制與施工過程中應更加注意增加其抗凍性。

(2)干濕凍融循環條件下的混凝土可適當的摻入少量粉煤灰，以提高混凝土抗干濕凍融破壞的能力，但摻入量應小于15%。因試驗量、試驗時間等原因，本試驗未能得出粉煤灰最佳摻入量范圍。

［1]高原.干濕環境下混凝土收縮與收縮應力研究［D］. 北京:清華大學，2013.

［2]張鴻雁.混凝土抗凍耐久性研究［D］. 內蒙古:內蒙古科技大學，2009.

［3]陳肇元.混凝土結構的耐久性設計方法［J］. 建筑技術，2003，34(5):328 -333.

［4]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性研究的回顧與展望［J］.浙江大學學報:工學版，2002，36(4):371 -380.

［5]覃維祖.混凝土耐久性若干問題的討論［J］. 建筑技術，2003，31(1):17 -19.

［6]Aatcirt P C. The durability characteristics of high performance concrete:a review［J］. Cement＆Concrete Composites，2003(25):409 -420.

［7]刮俊.新疆高寒地區橋梁混凝土耐久性研究［D］. 長安:長安大學，2010.

［8]清華大學.GB 50476—2008 混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［9]McCarter W J，Watson D W，Chrisp T M. Surface zone concrete:drying，absorption，and moisture distribution［J］. ASCE Journal of Materials in Civil Engineering，2001，13(1):49- 57.

［10]孫瑋，郭香利，孟現敬.混凝土凍傷研究及防凍抗凍措施［J］.科技信息，2013(5):349 -355.

［11]呂琦.混凝土抗凍性的主要影響因素及改善措施［J］.吉林廣播電視大學學報，2008(6):120 -122.

［12]肖治微.高寒地區混凝土抗凍性試驗研究［D］.重慶:重慶交通大學，2010.

［13]梁家頂.混凝土中粉煤灰摻量對耐久性的影響［J］. 建筑科學，2014(6):227.