粉煤灰品質和取代率對再生混凝土抗凍性能影響

姚烈波

（重慶市武隆區建設工程質量檢測所，重慶 404100）

0 引言

北方地區混凝土結構耐久性失效的重要原因是混凝土凍融破壞，混凝土內水體凍融循環造成結構表層剝落和內部凍脹開裂，降低了混凝土結構的使用壽命。粉煤灰的資源化利用，為混凝土提供了向綠色、環保發展的可能，應用于混凝土結構中，具有十分廣闊的前景[1-4]。本文試驗研究粉煤灰品質和取代率對再生混凝土的毛細吸水性能和凍融循環次數影響，以期優化配合比，提高再生混凝土的抗凍性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用材料及其技術參數如下：

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，見表1和表2；粉煤灰：Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰，符合 《粉煤灰混凝土應用技術規程》（GBJ 146-90）要求，其X射線分析結果見表3；砂：河砂，Ⅱ級砂，級配合理；再生粗骨料：Ⅰ類再生粗骨料，用EZ表示，見表4和表5；減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率為30%；水：自來水，符合《混凝土用水標準》（JGJ 63-2006）要求。

表1 水泥的性能指標

表4 再生粗骨料顆粒級配

表5 再生粗骨料的性能指標

1.2 試驗方法

采用砂率為40%，減水劑取膠凝材料質量的1.2%，控制坍落度160～200mm，確定用水量，測試試件的毛細吸水量和相對動彈性模量，研究粉煤灰品質和取代率對再生混凝土抗凍性能的影響，試驗配合比見表6。

表6 再生混凝土試驗配合比（以1m3計）

2 試驗分析

2.1 試驗過程

顆粒整形法原理如圖1所示，再生粗骨料形貌圖如圖2所示。

圖1 顆粒整形法

圖2 Ⅰ類再生粗骨料形貌圖

廢棄混凝土經顎式破碎機和顆粒整形機處理制得再生粗骨料，根據《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）和針片狀顆粒含量、有機物含量、壓碎指標、顆粒級配、吸水率、表觀密度和空隙率等參數區分品質，遴選出Ⅰ類標準再生粗骨料，見表7。

表7 顆粒整形法再生粗骨料品質

2.2 試驗結果

參照 《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009），測試試件的毛細吸水量和相對動彈性模量，詳細數據列表由于篇幅所限，不予贅述，詳見下節文字分析。

2.3 不同品質粉煤灰對再生混凝土抗凍性能的影響

由圖3可知，粉煤灰再生混凝土抗凍性能為：Ⅰ級粉煤灰再生混凝土＞Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，且膠凝材料用量增大，粉煤灰再生混凝土的凍融循環次數增加，表明：粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。

以圖3c為例，與Ⅰ級粉煤灰再生混凝土相比，當Φz=10%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環次數減小了25次，相對動彈性模量降低較快；當Φz=20%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環次數減小了25次；當Φz=30%時，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的相對動彈性模量降低了15.3%。

在凍融循環過程中，游離水體積膨脹產生靜水壓和滲透壓，從而引起游離水遷移，沖刷擠脹混凝土內孔隙和裂縫，最終混凝土結構破壞。由凍融破壞機理可知，混凝土抗凍性主要取決于水泥品種和用量，骨料品質、強度，平均氣泡間距等[5]。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅及氧化鋁，與混凝土內堿性物質發生化學反應，生成膠凝物質。粉煤灰的 “火山灰效應”，堵塞了混凝土中的毛細孔，能提高混凝土的抵抗水侵蝕的能力，這種物理化學作用提高了粉煤灰類混凝土的抗凍性能[6]。

由表3可知，Ⅰ級粉煤灰的需水量和燒失量分別比Ⅱ級粉煤灰低12.6%和34.7%，表明：Ⅱ級粉煤灰再生混凝土內部存在的自由水遠遠大于Ⅰ級粉煤灰再生混凝土；且用壓汞法測得，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的孔隙率比Ⅰ級粉煤灰再生混凝土高3.2%。

在凍融循環中，粗骨料同樣發生游離水遷移，當游離水產生的靜水壓超過骨料-水泥漿界面強度，混凝土表面的受凍骨料就會剝落[7]。Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的界面區顯微硬度低以及內部存在相對較多的孔隙，導致Ⅱ級粉煤灰再生混凝土抗凍性差于Ⅰ級粉煤灰再生混凝土。

混凝土凍融破壞的必要條件是處于接近水飽和狀態[7]。兩類粉煤灰再生混凝土的毛細吸水量初期均大致呈線性增長，后期增勢變緩，最終趨于穩定。線性擬合的直線斜率即為毛細吸水系數，反映了粉煤灰品質和取代率對再生混凝土毛細吸水性能的影響。相比Ⅰ級粉煤灰再生混凝土，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的毛細吸水量較高，表明其孔隙率較高，水的遷移活動和吸水過程更加流暢，從而減弱了再生混凝土的抗凍性。

2.4 不同粉煤灰取代率對再生混凝土抗凍性能影響

增大粉煤灰的取代率，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土凍融循環次數減少，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的凍融循環次數先增多后減少。

研究表明：相同質量引氣劑（本文未添加）和工藝水平條件下，混凝土含氣量大致相當，減小水膠比，水泥漿內的可凍水含量減小，可凍水間隙形成的氣泡結構數量會多，則氣泡間隔系數越小，利于提高混凝土抗凍性能[8]。

如圖4a所示，隨著Φz的增大，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土的水膠比增大，則氣泡間隔系數增大。相比Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗拉強度提高了1.1%～9.8%，提高了其抗凍性能。

在電子顯微鏡下，Ⅰ級粉煤灰中含有粒形完整、表面光滑、質地致密玻璃微珠，含量高達70%。這些玻璃微珠起到減水和致密作用。粉煤灰中微米級粒徑的微珠和碎屑，極大地提高了混凝土及制品的結構強度[9]。由圖4b可知，隨著Φz的增大，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的水膠比減小，氣泡間隔系數降低。Φz增大至20%前，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的強度高于未添加粉煤灰的再生混凝土，這兩種因素導致Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能提高；當Φz繼續增大至30%，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的強度降低，毛細吸水量也有同樣的變化特征，這使得Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小，最終表現為Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。

圖4 粉煤灰取代率對再生混凝土水膠比的影響

3 結語

（1）隨著粉煤灰取代率的增大，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土毛細吸水性能減小，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的毛細吸水性能先增大后減小。

（2）Ⅰ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能高于Ⅱ級粉煤灰再生混凝土，且增大膠凝材料用量，粉煤灰再生混凝土的抗凍性能提高。

（3）增大粉煤灰取代率，Ⅱ級粉煤灰再生混凝土抗凍性能減小，Ⅰ級粉煤灰再生混凝土的抗凍性能先增大后減小。