粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的試驗研究

江西鐵建工程檢測有限公司，江西 南昌 330002

0 引言

混凝土是一個充滿孔隙結構的多相復合材料，這些孔隙的產生主要是由于混凝土中游離水分的蒸發、水泥水化過程產生收縮等多種原因造成的。在凍融作用下，孔隙中的自由水受凍而產生體積膨脹，從而混凝土結構內部產生膨脹力，破壞水化產物的微結構，受熱后又從固態的冰轉變成液態的水。在這種凍融往復循環的長期作用下，造成了水泥石結構的內部破壞，從而使混凝土結構失去作用。通常認為，水泥石強度越高抵抗凍融破壞的能力也越強，同時，水膠比及粉煤灰摻量對抗凍融的能力影響也很大［1］。

抗凍耐久性是混凝土耐久性能力的一個方面，國外評價抗凍耐久性的方法基本一致。北美地區以美國的ASTM666-86 和ASMC671-86 為代表，歐洲以RILEMTC4 -CDCI-77 為代表。我國則在《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2001）中對抗凍耐久性的試驗及評價方法進行了詳細的規定。這些試驗方法基本上可分為快凍法與慢凍法兩種。一般在國內除有特別說明均使用快凍法。本試驗亦使用規程規定的快凍法。除抗凍試驗外，其它試驗亦按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2001）及《水工碾壓混凝土試驗規程》（SL 48-94）標準執行。

1 試驗情況

1.1 原材料

（1）采用都江堰拉法基水泥生產的P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，其化學成分如表1；

（2）細集料為河砂，該砂細度模數Mx為2.4，屬于II區中砂，級配合格。

（3）粗集料為碎石，石子粒徑為5～20mm，級配良好，含泥量＜1.0%

（4）粉煤灰：采用眉山市華慶建材科技有限公司生產的粉煤灰，其化學成分如表1；

（5）減水劑：采用四川金江建材科技有限公司JS-N 型聚羧酸減水劑，摻量1.0%，減水率26.3%。

1.2 試驗方法及儀器

試驗配比及性能如表1。試驗尺寸為 100 ×100 ×400mm，每組成型三塊試件，成型24h 后脫模，試件經標準養護28d 后，再在水中浸泡4d，然后進行抗凍試驗；試驗采用快速凍融法，按照GB/T 50082-2009 中的“快凍法”進行，試驗設備采用TDRI 型全自動快速凍融機，每天6～8 個循環，每隔25 次凍融循環后測定一次動彈模量與重量，相對動彈模量用共振法測定。

表1 原料化學成分表 %

2 試驗與分析

2.1 粉煤灰摻量對碾壓混凝土抗凍耐久性的影響

表2 試驗配合比（水膠比0.45）

本試驗是在保持水膠比不變，調整粉煤灰摻量，與此同時也調整引氣劑用量，使含氣量控制在4%～5%之間，VC 值控制在4～5s 的條件下，根據粉煤灰摻量適當調整砂率，以保持混凝土的和易性。試驗配合比見表2、試驗效果見表3，表4 與圖1。

表3 粉煤灰摻量對抗凍性能的影響

表4 粉煤灰摻量對抗凍性能的影響

試驗結果表明，當水膠比不變，VC 值為4～5s，含氣量控制在4%-5%時，隨著粉煤灰摻量的減少，抗凍指數大幅提高。在0.45 水膠比條件下，粉煤灰摻量在50%以下時，抗凍融指數達到70%，可以達到碾壓混凝土300 次凍融的要求。

圖1 FA 摻量對抗凍性能的影響

試驗結果表明：在保持含氣量為4%～5%，VC 值4～5s，粉煤灰摻量50%的條件下，其隨著水膠比的增大，抗凍融耐久性下降，在實際工程應用時，若要滿足300 次抗凍融的設計要求，則必須使水膠比小于0.50。

圖2 水膠比和抗凍指數之間的關系

2.2 粉煤灰混凝土的抗凍機理分析

2.2.1 粉煤灰對混凝土孔結構的影響

據 T.C.Powers 測定和計算，完全水化的水泥結合水量占水泥質量的0 .227，使水泥完全水化并具有最低毛細孔隙率的水灰比為0 .437［2］，隨著水化的進行，水化產物增多，自由水相應減少，但混凝土中的水泥不可能達到完全水化的程度，水泥漿體由水化物、未水化顆粒、水和毛細孔組成。當水灰比過低時，混凝土內部必然存在大量未水化膠凝材料；采用粉煤灰部分代替水泥后，一方面，由于水泥用量減少，Ca（OH）2的生成量也隨之減少，隨著粉煤灰的二次水化，增加C-S-H 凝膠和AFt，減少了結晶Ca（OH）2的數量和尺寸，降低了水泥石與骨料界面過渡層的孔隙率；另一方面，當細微的粉煤灰顆粒均勻分散到水泥漿體中時，會成為部分水化物沉積的核心，隨著水化的繼續進行，這些細微顆粒及其新的水化產物填充水泥石中的孔隙，混凝土的孔結構得到了改善；同時一部分空心玻璃球體引入砼中，這些硬質空心玻璃體的直徑比毛細孔更大，會切斷毛細孔滲水的通道，提高了混凝土抗滲性和抗凍性。

2.2.2 引氣劑的效能及作用機理

一般通過在混凝土中摻入引氣劑可引人一定量的微小氣泡來改善混凝土的抗凍性能，這些微小氣泡的直徑一般都小于200μm，可切斷毛細作用的通道，大大降低毛細作用而提高抗滲性。

在相同引氣劑摻量下，隨著粉煤灰的摻量的增加，混凝土中的含氣量呈下降趨勢。一般來說，粉煤灰中細微碳粒將可能吸附引氣劑引入的微小氣泡，砼中有效含氣量從而降低；在相同水膠比下，由于隨著粉煤灰摻量的增大，水泥漿體總量增大，從而降低了單位體積內引氣劑的有效含量，同時也降低了新拌砼中的含氣量，從而影響混凝土的抗凍性能。

3 結論

（1）小水膠比原則，水膠比是對碾壓混凝土抗凍耐久性影響最大，而且又相對獨立的因素，可靠性高，高抗凍性碾壓混凝土的水膠比不宜大于0.50。

（2）優質I 級粉煤灰及其摻量控制原則，從耐久性分析，粉煤灰摻量應該合理適量，而其他性能（施工和易性、溫控要求等）要求多摻粉煤灰。因此，只能在多因素下考慮平衡，選取適當的粉煤灰摻量。多組試驗結果表明，使用優質I 級粉煤灰，其摻量不宜大于50%。