粉煤灰及含氣量對混凝土抗凍性能影響的試驗研究★

田 帥，李 翔，李世華

(1.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昭通 657000； 2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明 650501)

0 引言

粉煤灰大部分呈球狀且表面光滑，具有良好的形態效應、微集料效應和火山灰活性效應，在配制混凝土時，摻加適量的優質粉煤灰，可以顯著改善混凝土的工作性能，降低混凝土水化熱，并可提高混凝土的某些耐久性能，是制備高性能混凝土的優良礦物摻合料[1]。在寒冷地區抗凍性是影響混凝土耐久性的主要因素，也是工程建設面臨的主要問題。針對粉煤灰及含氣量對混凝土的抗凍性能的影響，許多研究人員進行了大量試驗研究，劉昱等[2]采用快凍法研究了0.5水膠比(質量比)下摻量為25%，30%，35%，40%，50%的粉煤灰對6%含氣量混凝土抗凍性的影響，研究表明在含氣量為6%條件下，粉煤灰的最適宜摻量為25%，抗凍融循環等級為F200。王敏等[3]研究了0.45，0.39和0.31水膠比(質量比)下不同摻量粉煤灰對混凝土抗凍性的影響，結果表明摻加粉煤灰能夠提高混凝土的抗凍性，并且當粉煤灰摻量15%時混凝土的抗凍性最佳。劉玉琨等[4]研究了粉煤灰摻量對混凝土性能的影響，結果表明摻入粉煤灰對混凝土的抗凍性能和抗滲性能沒有明顯改善，過量摻加粉煤灰會降低混凝土的抗凍和抗滲性能。由于粉煤灰摻量、含氣量、水膠比等試驗條件的不同，目前針對粉煤灰及含氣量對混凝土抗凍性能影響的研究結果差異較大，為進一步明確粉煤灰及含氣量對混凝土抗凍性能的作用，結合實際工程建設的需要，研究了混凝土水膠比、含氣量、粉煤灰摻量等因素對混凝土抗凍性能的影響，以期為實際工程建設提供指導。

1 試驗內容與方法

1.1 原材料

1)水泥：采用P.O42.5水泥，具體性能指標見表1。

表1 水泥性能指標

2)粉煤灰：采Ⅱ級粉煤灰，需水量比為101%，細度為21.7%，燒失量為7.9%，活性為74%。

3)砂：采用規格為0 mm～4.75 mm機制砂，細度模數為2.8，含石粉的量為6.0%，含泥塊的量為0.2%，壓碎指標為22%。

4)碎石：采用4.75 mm～19 mm連續級配碎石，針片狀含量(質量分數)為4%，壓碎值為18.2%，含泥量為0.8%。

5)外加劑：采用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 混凝土試驗配合比

為研究混凝土強度、含氣量、粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響，混凝土水膠比(質量比)的范圍選擇0.32～0.42，含氣量范圍控制為2%～6%，粉煤灰摻量分別為膠凝材料質量的0%～40%，混凝土坍落度設計為180 mm～220 mm。混凝土試驗配合比具體如表2所示。混凝土中的含氣量通過外加劑中的引氣組分調整，使得外加劑摻量在2%左右時，混凝土含氣量可以在1.8%～2.2%的范圍內；當混凝土需要較高的含氣量時，通過單獨添加引氣劑使其含氣量接近控制值后開展相關試驗。

表2 混凝土抗凍試驗配合比

1.3 試驗方法

1)含氣量測定：根據GB/T 50080普通混凝土拌合物性能試驗方法標準開展混凝土含氣量試驗，混凝土攪拌均勻后裝入CA-3含氣量測定儀進行含氣量值測定。

2)凍融測試方法：根據GB/T 50082普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法中快凍法采用TDRK9(整體式)凍融試驗機開展抗凍試驗，試樣經標準養護24 d再放入清水浸泡4 d后開展初始質量與動彈性模量測量，然后每凍融循環25次開展一次試樣質量與動彈性模量的測量。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土工作性能及力學性能

根據表2混凝土抗凍試驗配合比開展相關試驗，混凝土工作性能、含氣量及抗壓強度如表3所示。由表2及表3可知，配制的各組混凝土坍落度為180 mm～220 mm，擴展度為500 mm～555 mm；混凝土拌合物狀態黏聚性較好，無泌水與離析情況出現，工作性能良好。A-1～A-5混凝土粉煤灰摻量均為其膠凝材料總量的20%，隨著水膠比的增加混凝土3 d～56 d抗壓強度逐漸最低。B-1～B-5混凝土水膠比(質量比)均為0.36，所用原材料均相同，當含氣量由2%左右增加到6%時，由于混凝土中引入了大量均勻、密閉的微小氣泡，改善了混凝土的流動性，所以混凝土的坍落度及擴展度呈逐漸增大的趨勢；但是含氣量的增加對混凝土的抗壓強度影響較大，隨著含氣量的增加混凝土有效受力面積下降、抗壓強度降低，其中B-5混凝土的28 d抗壓強度比B-1降低12 MPa，B-5混凝土的56 d抗壓強度比B-1降低15.5 MPa。由C-1～C-5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的擴展度有所增加，由于粉煤灰的滾珠效應，可以改善混凝土的流動性；但是隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度顯著降低，C-5的28 d抗壓強度比C-1的28 d抗壓強度降低15.9 MPa，C-5的56 d抗壓強度比C-1的56 d抗壓強度降低20.8 MPa。

表3 混凝土工作性能及力學性能

2.2 水膠比對混凝土抗凍性能的影響

A-1～A-5混凝土水膠比(質量比)由0.32逐漸增大至0.42，含氣量控制在2%左右。由表3及圖1可知，A-1～A-5混凝土28 d抗壓強度由64.8 MPa逐漸降低至43.9 MPa，而混凝土的抗凍等級也由F250降低至F100，混凝土水膠比越低、抗壓強度越高其抗凍等級也越高。由于水膠比越大，混凝土中用水量越多，水參與膠凝材料水化或蒸發后留在混凝土中毛細孔或孔隙的概率越大，一方面會造成混凝土強度的降低，另一方面隨著凍融循環的進行，水通過毛細孔及孔隙逐漸向混凝土中滲入，進入混凝土內部的水受凍后體積膨脹而對混凝土產生應力破壞，在凍融循環的反復作用下，造成混凝土動彈性模量下降、表層剝落及質量降低。混凝土水膠比越低，其內部越密實，混凝土抗壓強度也越高；一方面由于混凝土密實水通過毛細孔或孔隙進入混凝土的難度變大，另一方面由于低水膠比混凝土具有更高的強度，抵抗水凍脹后產生膨脹應力的能力越強，越不容易被破壞。因此，在粉煤灰摻加比例及含氣量相同的情況下，水膠比低、強度高的混凝土比水膠比大、強度低的混凝土具有更好的抗凍性能。

2.3 含氣量對混凝土抗凍性能的影響

以0.36水膠比(質量比)的混凝土開展含氣量對混凝土抗凍性能影響的試驗，混凝土含氣量分別控制在2%依次增加至6%。由表3可知，隨著B-1～B-5含氣量的增加，B-1～B-5的3 d～56 d齡期抗壓強度都有所下降，其中B-5的28 d抗壓強度比B-1下降了12 MPa。由于在相同配合比及原材料條件下，新拌混凝土含氣量越高，其內部存在更多的均勻球形氣泡，這些氣泡的存在增大了混凝土的孔隙率，有效承載力截面減少，引起了混凝土強度的降低，隨著氣泡數量的增多，混凝土強度損失越多，并且在受力時孔隙附近應力集中，給混凝土強度造成了不同損失。

由圖2可知，B-1～B-5隨著混凝土含氣量的增加，混凝土的抗凍性逐漸變好，當含氣量為6.1%時，粉煤灰摻量為20%的B-5混凝土抗凍循環次數可以達到400次。這主要是因為在混凝土中引入大量穩定的微小而密閉的氣泡，在一定程度上阻斷了毛細孔或孔隙的形成；同時在負溫條件下，這些微小而密閉的氣泡對水變成冰而產生的膨脹應力有一定的緩沖與消減作用，從而能夠大幅度提高混凝土的抗凍性能。因此在一定范圍內，在相同配合比及原材料條件下，含氣量越高，混凝土的抗凍性越好，抗剝蝕能力也越強。

2.4 粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的影響

以0.36水膠比(質量比)的混凝土開展粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能影響的試驗，粉煤灰摻量分別取膠凝材料質量的0%逐步增加至40%。由表3及圖3可知，C1～C5隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d～56 d齡期抗壓強度均有所降低，抗凍性下降。這主要由于當粉煤灰加入混凝土當中后，二次水化速率較慢，影響膠凝材料體系的水化速率，同時降低了混凝土抗壓強度，其中28 d抗壓強度C-5比C-1降低15.9 MPa，使混凝土抵抗受凍破壞能力降低，因此粉煤灰摻量達膠凝材料質量的40%時，混凝土抗凍等級僅能達F50；另外，混凝土含氣量為2%左右時，引入混凝土中微小而密閉的氣泡數量較少，在凍融循環時對水變成冰而產生的膨脹應力的緩沖與消減作用較弱，因此，在混凝土水膠比為0.36、含氣量為2%時，混凝土抗凍性能隨粉煤灰摻量的增加而降低[5]。

3 結論

1)在粉煤灰摻量為20%及含氣量為2%的條件下，混凝土抗凍性能隨著水膠比(質量比)的增加而降低，當水膠比(質量比)為0.32時混凝土28 d抗壓強度最高、抗凍性能最優，抗凍等級可達F250。

2)在混凝土水膠比(質量比)為0.36、粉煤灰摻量為20%的條件下，當混凝土含氣量由1.8%增加至6.1%時，混凝土抗壓強度隨著含氣量的增加而降低，其中含氣量為6.1%的混凝土比含氣量為1.8%混凝土的28 d抗壓強度降低了12 MPa，但隨著含氣量的增加混凝土的抗凍性能顯著改善，當含氣量為6.1%時，混凝土抗凍等級可達F400。

3)在混凝土水膠比(質量比)為0.36、含氣量為2%時，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土抗壓強度降低、抗凍性變差，當粉煤灰摻量為40%時，混凝土的抗凍性能最差、抗凍等級僅為F50，不摻粉煤灰的混凝土抗凍性能最優、抗凍等級可達F200。