凍融作用下粉煤灰混凝土物理力學性能的試驗研究

安 超

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥混凝土路面是我國道路路面的重要形式。粉煤灰是燃煤排放的重要工業廢棄物，如今作為水泥的替代物，廣泛運用于混凝土制備使用過程中。而在我國西部、北部道路工程項目中，混凝土路面極易受到低溫凍融循環作用，嚴重影響混凝土路面的使用壽命及質量。因此，研究凍融循環條件下路用粉煤灰混凝土的物理力學特征，對預測在凍融循環條件下混凝土路面的物理力學性能劣化具有重要意義，進而有效規避相關工程事故。

基于這一復雜研究背景，國內外相關學者進行了大量研究[1-4]。吳文燕、李小山[5]借助熱分析技術定量分析了不同粉煤灰摻量對混凝土抗凍融與硫酸鹽復合侵蝕能力的影響。侯鐵軍[6]圍繞試件的質量損失規律、相對動彈模量參數研究了粉煤灰混凝土的凍融性質。吳、孟曉宇等[7]對不同摻量的粉煤灰透水混凝土試樣進行了強度測試，并在硫酸鈉溶液中對試件進行快速凍融循環試驗，得到透水混凝土強度和抗凍性與粉煤灰摻量間的關系。張鵬坤[8]通過開展不同加載速率下的單軸壓縮試驗和三點彎曲試驗，并采用CT細觀無損檢測技術，分析了凍融循環作用下混凝土的損傷機理和動態破損機理。

本文以凍融循環次數為研究參量，開展室內試驗，分別研究10%、20%摻比粉煤灰混凝土及普通混凝土的凍融質量損失率及孔隙率變化，并探究其力學性能特征，進而為實際工程提供理論支持。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

本試驗分別制備普通混凝土與摻粉煤灰混凝土試樣，依照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002），混凝土強度按C60等級配置，試驗尺寸為（100×100×100）mm，試樣使用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥450 kg/m3，細骨料為河沙744 kg/m3，粗骨料為顆粒級配4～18 mm小石，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，水為pH=8.47的自來水。每立方米普通混凝土與摻粉煤灰混凝土試樣的配合比設計參數如表1所示。

表1 普通混凝土與摻粉煤灰混凝土配置參數

將試驗材料分別按照試驗規范進行充分攪拌、注模、振搗、靜置凝固成型、脫模打磨及標準養護28 d（室溫20℃±2℃、相對濕度大于等于95%），獲得標準混凝土試樣。

1.2 試驗方法

為模擬混凝土構件在自然環境下的凍融循環狀態，本文選用開放性飽水凍融試驗法，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行，利用全自動凍融循環試驗機，分別對普通混凝土試樣與摻粉煤灰混凝土試樣進行飽水凍融循環試驗，凍融溫度為-16℃～5℃，凍結時長與融化時長均為2 h，分別設置凍融循環次數為1、5、10、20、30、40、50次。

凍融循環結束后，對比測量混凝土試樣凍融前后的飽水質量，計算獲得試樣的凍融質量損失率ηn。之后采用飽水法測定混凝土試樣的孔隙率φn。最后利用萬能試驗機對試樣進行單軸壓縮試驗，設置加載速率為0.002 mm/s進行加載直至試樣破壞，每組試驗重復3次，獲得不同凍融循環次數下的普通混凝土與摻10%、20%粉煤灰混凝土的彈性模量Ec與抗壓強度σc。

圖1 試驗進程

2 物理特征變化

2.1 凍融質量損失率

為測定不同凍融次數下混凝土的凍融質量損失率，需將未凍融混凝土標準試樣在105℃的烘干機中烘干36 h，混凝土試樣的凍融前干燥質量為W1.凍融試驗后將混凝土試樣干燥得質量為W2，計算試樣凍融質量損失率如式（1）：

由式（1）可計算獲得粉煤灰摻量分別為0%、10%、20%的混凝土試樣的凍融質量損失率ηn隨凍融循環次數的變化規律。

由圖2可知，隨著凍融次數由0次增至50次，不同粉煤灰摻量的混凝土試樣凍融質量損失率逐漸增大，普通混凝土由0%增至4.57%，摻10%粉煤灰混凝土由0%增至3.33%，摻20%粉煤灰混凝土由0%增至2.81%。在0～30次凍融循環下，凍融質量損失率增幅逐漸增大；在30次循環后，試樣凍融質量損失率增長減慢。造成此類現象是因為，在凍融初期伴隨凍融次數增加試樣內部微裂紋逐漸擴張，內部微小破裂逐漸增多，導致試樣凍融質量損失率增長幅度增大；凍融次數達到30次后，試樣微裂隙大幅擴張，凍融作用不足以致混凝土骨料發生破壞，質量損失率增長幅度減小。

圖2 凍融質量損失率特征

對比不同粉煤灰摻量的混凝土試樣凍融質量損失率可以發現，隨著粉煤灰摻量增多，試樣凍融質量損失率逐漸減少，質量損失率對凍融次數增長的靈敏程度減弱，混凝土抗凍性能提高。

2.2 孔隙率變化規律

本試驗采用飽水法測定混凝土的孔隙率。首先將不同次數凍融循環后的混凝土試樣在105℃的烘干機中烘干36 h，在干燥環境下將試樣冷卻至常溫（20℃～25℃），稱量試樣質量為W2，之后將干燥試樣完全浸泡48 h以上，當每間隔1 h測量混凝土質量變化小于試樣總質量的1%時，認為混凝土試樣達到飽水狀態，取出試樣擦干表面水分，稱量試樣質量為W3.最后，采用靜水天平測量試樣懸吊在水中的質量W4，可得試樣孔隙率計算方法如式（2）：

通過孔隙率測定試驗可測得初始及不同次數凍融循環后的普通混凝土試樣、摻10%粉煤灰混凝土試樣與摻20%粉煤灰混凝土試樣的孔隙率，得出各混凝土試樣孔隙率隨凍融循環次數的變化規律，如表2所示。

表2 不同凍融循環次數下混凝土孔隙率φn %

由表2可得出不同粉煤灰摻量混凝土試樣的孔隙率隨凍融循環次數的變化規律，如圖3所示。

對不同粉煤灰摻量的混凝土試樣孔隙率變化規律進行擬合，可得出凍融循環次數對試樣孔隙率影響規律的函數關系：

圖3 孔隙率變化特征

試樣孔隙率與凍融循環次數的映射關系滿足對數型函數。由圖3可知，隨著凍融循環次數由1次增至30次，混凝土孔隙率逐漸增大，30次循環后，孔隙率增幅逐漸減小直至平緩。這表明前30次凍融產生的裂隙壓力主要作用于骨料間，使孔隙率增大。而30次循環后骨料間孔隙已增至最大值，而凍融作用并不足以破壞混凝土骨料，因此試樣孔隙率增幅減少。普通混凝土、摻10%粉煤灰混凝土及摻20%粉煤灰混凝土在經過30次凍融循環后，孔隙率分別由12.49%增至14.92%、9.07%增至11.34%、7.85%增至10.05%，對應增幅分別為19.46%、25.03%及28.03%。同時，對比不同粉煤灰摻量可以發現，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的孔隙率總體呈減小規律。

3 力學特征

將不同次數凍融循環后的混凝土試樣利用萬能試驗機進行單軸壓縮試驗，獲得3種粉煤灰摻量下，凍融循環次數對混凝土試樣力學性能的影響規律。混凝土的彈性模量Ec與抗壓強度σc參數變化規律如圖4所示。

由圖4a可知，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的彈性模量總體呈減小趨勢。并且不同粉煤灰摻量的混凝土試樣的彈性模量均隨凍融循環次數增加而逐漸減小，減小速率由快至慢。隨著凍融循環次數由1次增至50次，普通混凝土試樣彈性模量由31.54 GPa減少為25.02 GPa，降幅20.67%；摻10%粉煤灰混凝土試樣的彈性模量由27.85 GPa減少為23.89 GPa，降幅16.58%；摻20%粉煤灰混凝土試樣的彈性模量由25.34 GPa降至23.09 GPa，降幅為9.74%。由此可見，隨著粉煤灰摻量逐漸增多，凍融循環次數對試樣彈性模量降幅的影響逐漸減小。

圖4 試樣靜力學參數特征

圖4b可以看出，粉煤灰摻量增多會使混凝土試樣的抗壓強度減小。并且隨著凍融循環次數增多，不同粉煤灰摻量混凝土試樣的抗壓強度逐漸減小，減小幅度由快減慢。當凍融循環次數從1次增加至50次，普通混凝土試樣的抗壓強度由59.34 MPa降為42.94 MPa，降幅31.33%；摻10%粉煤灰混凝土試樣的抗壓強度由55.43 MPa降為41.86 MPa，降幅為24.48%；摻20%粉煤灰混凝土試樣的抗壓強度由48.85 MPa降為37.79 MPa，降幅為22.64%。隨著粉煤灰摻量增多，凍融循環對混凝土抗壓強度的影響程度逐漸減弱。

4 結論

本文為研究粉煤灰混凝土路面受凍融作用后的物理力學特征，對不同粉煤灰摻量的混凝土試樣進行不同循環次數的凍融試驗，探究其凍融質量損失率與孔隙率的變化特征，并開展靜力學試驗，探究粉煤灰混凝土力學性能特征，具體結論如下：

a）凍融循環次數增加會使粉煤灰混凝土凍融質量損失率增加，增幅由快減慢。并且提高粉煤灰摻量可降低混凝土的凍融質量損失率，提高混凝土抗凍性能。

b）隨著凍融循環次數增加，混凝土試樣孔隙率呈對數形式增長，增長速率由快減慢。同時，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的孔隙率總體減小。

c）混凝土試樣的彈性模量隨粉煤灰摻量增加，總體呈減小趨勢。并且不同粉煤灰摻量的混凝土試樣的彈性模量均隨凍融循環次數增加而逐漸減小，減小速率由快至慢。

d）粉煤灰摻量增多會使混凝土試樣的抗壓強度減小。并且不同粉煤灰摻量混凝土試樣的抗壓強度隨凍融次數增多逐漸減小。