普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性能的試驗研究

槐衍廷，張琦，劉培源

（山東華森建材集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 前言

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。眾所周知，鋼筋混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料，然而，在使用荷載和環(huán)境等因素作用下，仍然存在材料老化、腐蝕，以及由此引起的結(jié)構(gòu)性能劣化等問題[1-3]。在一般大氣環(huán)境條件下，混凝土碳化是鋼筋銹蝕的重要前提。鋼筋不斷地銹蝕促使混凝土保護層開裂，產(chǎn)生沿筋裂縫和剝落，進而導(dǎo)致粘結(jié)力減小、鋼筋受力面積減小、結(jié)構(gòu)耐久性和承載力降低等一系列不良后果。因此，進行混凝土抗凍研究，無論是對既有建筑物的耐久性評定、維修加固還是對建筑物的耐久性設(shè)計均有重要意義[4-6]。

本文主要研究了普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性隨水灰比、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期、粉煤灰摻量的變化規(guī)律，砂為機制砂。

1 原材料、試驗方法、試驗方案設(shè)計

1.1 原材料

水泥：山東濟南平陰山水水泥集團 P·O42.5 水泥；粉煤灰：山東濟南黃臺電廠 Ⅱ 級粉煤灰；砂：濟南市郊機制砂，細(xì)度模數(shù) 3.10，石粉含量 12.2%，級配良好；石子：濟南市郊 5～25mm 連續(xù)級配碎石，級配良好；外加劑：天津市飛龍砼外加劑公司聚羧酸系高性能減水劑。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表 1。

表 1 普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學(xué)成分分析 %

1.2 試驗方法

本試驗按照 DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》中的快凍法測定混凝土的 25N 次（N 為整數(shù)）后試樣的相對動彈性模量和質(zhì)量損失。

1.2.1 試樣制備

本試驗采用 100mm×100mm×400mm 試模。試樣以 3 個為一組，成型后，養(yǎng)護 24h 脫模，并送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室（溫度 (20±3)℃，相對濕度≥95%）進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護至標(biāo)準(zhǔn)齡期的前 4d，把試樣放入水中養(yǎng)護4d，然后進行測試。

1.2.2 測試方法

把試樣從水中取出后，用干抹布把試樣表面擦拭干凈，測量其初始動彈性模量和原始質(zhì)量，放入快速凍融箱里進行凍融循環(huán)，然后每隔 25 次凍融循環(huán)測量一下動彈性模量和質(zhì)量；當(dāng)遇到以下情況之一時即可停止試驗：（1）凍融至預(yù)定的循環(huán)次數(shù)，即 300 次；（2）相對動彈性模量下降至初始值的 60%；（3）質(zhì)量損失率達 5%。

1.3 試驗方案設(shè)計

本試驗分三種方案進行，各組混凝土配合比見表 2。第 1 種方案為水灰比分別為 0.50、0.45、0.40、0.35、0.30，粉煤灰摻量都為 20%，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期為 28d，試驗序號為 A；第 2 種方案為無粉煤灰、10%、20%、30%、40%、50% 和 60% 的粉煤灰，水灰比都為 0.40，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期為 28d，試驗序號為B；第 3 種方案為不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期 7d、14d、28d 和56d，粉煤灰摻量為 30%，試驗序號為 C。

表 2 普通硅酸鹽水泥基混凝土配合比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水灰比對混凝土抗凍性影響的試驗結(jié)果

表 3 為水灰比對普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性能影響的試驗結(jié)果。

從表 3 中可以看出：普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)隨著水灰比的增大而逐漸減少，即水灰比越大抗凍融循環(huán)次數(shù)越小，抗凍性能越差，如水灰比為0.50 的 A1 試樣 50 次就被凍壞，而水灰比為 0.30 的 A5試樣抗凍融循環(huán)次數(shù)可達 150 次。從表 3 中還可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，普通硅酸鹽水泥基混凝土的相對動彈性模量逐漸減小；而其質(zhì)量損失先增加后減少，但至試樣凍壞其質(zhì)量損失都不是很大。這是由于水灰比越大，混凝土中的大孔變多，小孔變少，結(jié)構(gòu)的均勻性變差，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性變差。因此，普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性隨著水灰比的增加逐漸降低。

表 3 水灰比對混凝土抗凍性能的影響 %

2.2 粉煤灰摻量對混凝土抗凍性影響的試驗結(jié)果

表 4 為粉煤灰摻量對普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性能影響的試驗結(jié)果。

從表 4 中可以看出：在普通硅酸鹽水泥基混凝土中，加入粉煤灰后，混凝土的抗凍性能得到改善，且隨著粉煤灰摻量的不斷增加，其普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性先增加而后下降；不加粉煤灰的空白樣 B1 的抗凍性只有 50 次凍融循環(huán)，隨著粉煤灰摻量的增加，其普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性提高，當(dāng)粉煤灰摻量為30% 時，其抗凍性才達 175 次凍融循環(huán)（最佳效果）；但是，當(dāng)摻合料摻量超過 30% 后，其抗凍性逐漸下降。從表 4 中還可以看出：不論粉煤灰摻量多少，其質(zhì)量損失變化不大，都能滿足要求，但其相對動彈性模量將發(fā)生很大變化。

2.3 試驗養(yǎng)護齡期對混凝土抗凍性影響的試驗結(jié)果

表 5 為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期對普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍性能影響的試驗結(jié)果。

從表 5 中可以看出：隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期的延長，混凝土的抗凍性逐漸提高；當(dāng)試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期為 7d時（C1 試樣），其普通硅酸鹽水泥基混凝土抗凍循環(huán)次數(shù)可達 100 次，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期為 56d 時（C4 試樣），混凝土抗凍循環(huán)次數(shù)可達 225 次。這是由于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期越長，水泥礦物水化越充分，水化產(chǎn)物越多，水化產(chǎn)物之間的連接越致密，內(nèi)部連通孔變少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，因而混凝土抗凍性能提高。

3 結(jié)論

表 4 粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的影響

表 5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期對混凝土抗凍性能的影響

（1）隨著水灰比的降低，其普通硅酸鹽水泥基混凝土的抗凍性能逐漸提高。

（2）粉煤灰的加入，可使普通硅酸鹽水泥基混凝土的抗凍性能提高，且存在最佳摻量（30%）。

（3）隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期的延長，其普通硅酸鹽水泥基混凝土的抗凍性能提高。