高性能粉煤灰混凝土抗凍性試驗分析

黎君君 黎 福

高性能粉煤灰混凝土抗凍性試驗分析

黎君君 黎 福

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

為研究粉煤灰對高性能混凝土抗凍性能的影響，利用凍融循環試驗分析粉煤灰摻量、凍融循環次數、含氣量及結構氣泡特征與抗凍性之間的關系。結果表明：質量損失率隨著粉煤灰摻量增加與凍融循環次數增加均呈顯著增加趨勢，相對動彈性模量呈逐漸下降趨勢，二者均對抗凍性能產生劣化效果；隨著內部結構含氣量增加，質量損失率呈逐漸下降趨勢，且隨凍融循環次數的增加，不同含氣量之間的質量損失率指標差異愈加顯著；隨著粉煤灰摻量增加，混凝土結構中的氣泡數量顯著下降，耐久性系數也呈下降趨勢；粉煤灰對混凝土抗凍性能的宏觀影響與氣泡特征微觀結構變化基本相一致。

橋梁工程；水泥混凝土；抗凍性能；粉煤灰

引言

水泥混凝土作為主要的建筑材料，對工程質量的影響不言而喻。隨著科技的發展，低碳減排技術也不斷地在工程建設中被嘗試應用，這也是國家提倡的“雙碳”政策導向性結果，利用粉煤灰置換水泥混凝土中的水泥材料，不僅降低了水泥耗材用量，降低工程成本，還能解決粉煤灰無法處置的問題，這也是近20年來國內外研究人員的主要研究方向之一。吳倩云等[1]研究了玄武巖纖維—礦渣粉—粉煤灰混凝土的力學性能變化規律，提出玄武巖纖維能夠顯著改善混凝土力學性能和抗凍性能，認為氣泡平均弦長是影響凍傷損壞的主要因素之一，并建立了氣孔結構特征參數與力學抗壓強度、抗凍損傷關系模型。孫婧等[2]利用原狀粉煤灰制備了超高性能混凝土，分析對其各項性能的影響規律，結果表明原狀粉煤灰能夠改善UHPC的工作性能，且在不超過最佳摻量條件下能夠提高UHPC的抗折強度，研究成果為原狀粉煤灰的應用提供了新的方向。張志剛等[3]研究了粉煤灰對高延性混凝土（ECC）的力學性能影響，試驗結果表明在200℃條件下高摻量粉煤灰ECC混凝土的力學性能表現優良，高摻量粉煤灰有利于ECC混凝土在高溫環境中應用。黨瑩[4]研究了納米ZnO、粉煤灰復合混凝土的耐久性能，分析發現納米ZnO與粉煤灰的最佳摻量存在相應的關系，提出納米ZnO的含量控制在2%以內，粉煤灰摻量控制范圍在20%～30%，但并沒有研究相應的抗凍性能。

綜上所述，針對粉煤灰在混凝土中的應用，國內外均開展了多項研究與推廣，對于高性能混凝土抗凍性能也得到了部分研究成果。本文依據課題項目前期研究成果開展粉煤灰混凝土的抗凍性試驗，旨在進一步分析粉煤灰在高性能混凝土抗凍損傷中的影響規律，為其在寒冷地區推廣應用提供技術支持。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗選擇石灰巖集料：粗集料粒徑為［5，25］mm、細集料粒徑為［0，5）mm，水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5，礦料選擇某電廠的副產物Ⅱ級粉煤灰，減水劑為河北某公司生產的聚羧酸萘系高效減水劑，引氣劑選擇南京某公司生產的索爾維陰離子表面活性劑AE-1420（摻量為減水劑用量的0.3‰～0.9‰），相關試驗結果見表1～表5。

表1 粗集料試驗檢測結果

表2 細集料試驗檢測結果

注：—表示無。

表3 水泥試驗檢測結果

注：—表示無。

表4 粉煤灰試驗檢測結果

表5 減水劑試驗檢測結果

1.2 試驗方案

水泥混凝土抗凍性能是評價結構耐久性是否優良的關鍵指標之一，尤其是高寒惡劣環境區域的建設工程，只有能夠抵抗凍融循環破壞才能延長其使用壽命。本文依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用快速凍融法開展相關研究，試驗方案如下。

凍融次數選擇：采用標準試驗條件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，養護時間為28 d，凍融循環次數為0、25、50、75、100次。每間隔25次測量1次試件質量和相對動彈性模量，相對動彈性模量（）、質量損失率（△W）和耐久性系數（△K）指標的計算公式如下：

△W＝（0－n）/0×100 （2）

△K＝×/300 （3）

式中：E為凍融循環次的動彈性模量；0為初始動彈性模量；0為初始質量；G為凍融循環次的質量；為循環次數。

粉煤灰摻量優化：結合相關實體工程應用經驗，低等級水泥混凝土的粉煤灰摻量與高性能混凝土應用存在較大的差異。低等級混凝土一般應用于非關鍵結構部件，粉煤灰用量最大約為45%；對于高性能混凝土主要通過與其他添加劑聯合應用，進一步改善其施工性能和力學性能，研究選擇摻量10%、20%和30%（水泥質量的百分比），分析粉煤灰摻量變化對質量損失率和相對動彈性模量的影響。

氣泡特征參數試驗：水泥混凝土中引入含氣量能夠顯著改善抗凍性能，但引氣劑的用量、類型與集料、水泥等原材料的性質具有密切聯系，研究采用引氣劑用量為0.3‰、0.5‰和0.7‰。氣泡特征參數試驗依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》中的直線導線法，計算硬化混凝土的氣泡數量、氣泡間距系數指標。硬化混凝土的氣泡數量按公式（4）計算：

當/＞4.33時，氣泡間距系數按式（5）計算：

當≤4.33時，氣泡間距系數按式（6）計算：

2 粉煤灰對抗凍性能影響分析

粉煤灰高性能混凝土的力學性能與普通高性能混凝土存在相應的差別，相關研究成果顯示摻加粉煤灰的混凝土抗凍性能劣于普通混凝土，但力學強度性能仍能滿足要求[5]。本文選擇的水膠比為0.45，不同粉煤灰摻量和不同循環次數下質量損失率和相對動彈性模量試驗結果見圖1～圖4。

圖1 不同粉煤灰摻量下質量損失率試驗結果

圖2 不同循環次數下質量損失率試驗結果

圖3 不同粉煤灰摻量相對動彈模量試驗結果

圖4 不同循環次數下相對動彈模量試驗結果

分析圖1～圖4可知：粉煤灰對高性能混凝土的質量損失率和相對動彈性模量均存在直接影響，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的質量損失率顯著增加，相對動彈性模量逐漸下降，說明粉煤灰降低了高性能混凝土的抗凍性能。以凍融循環50次為例，與未摻入粉煤灰試件相比，當粉煤灰摻量為10%、20%和30%時的質量損失率分別提高了69.2%、153.8%和276.9%，相對動彈性模量分別下降了3.9%、7.5%和13.2%。

另外，粉煤灰對試件質量損失率影響程度與凍融循環次數也密切相關。隨著凍融循環次數的增加，粉煤灰摻量增加逐漸降低了對試件質量損失率的影響程度。以凍融循環100次為例，與循環次數為25次相比，當粉煤灰摻量為0、10%、20%和30%時，質量損失率分別提高了600%、540%、513%和337%。

隨著凍融循環次數的增加，試件的質量損失率呈增加趨勢，相對動彈性模量呈下降趨勢，與粉煤灰摻量變化對試件的影響規律相一致。當凍融循環次數超過75次時，與循環次數為25次相比，質量損失率的變化幅度顯著增加。如：以粉煤灰摻量為30%為例，凍融循環次數為50、75和100次的質量損失率分別提高了81%、130%和337%，相對動彈性模量分別下降了9.9%、26.9%和42.6%。

結合上述試驗數據分析，粉煤灰對高性能混凝土抗凍性能的影響主要體現在混凝土表面剝落和動彈性模量的下降，尤其對混凝土的保護層產生剝離破壞（空隙越大，凍漲破壞越嚴重）。對于相對動彈模量指標，混凝土抗凍性能受凍融循環次數變化的影響程度與粉煤灰摻量關系不大，如粉煤灰摻量為10%時，凍融循環次數75次、100次的相對動彈性模量分別下降了23.9%、42.7%，粉煤灰摻量30%的相對動彈性模量分別下降了26.9%、42.6%。

3 含氣量對抗凍性能影響分析

在高性能混凝土施工過程中合理地摻加引氣劑能夠明顯改善混凝土的工作性能、抗凍性能[5]。對于粉煤灰混凝土而言，摻加引氣劑是否能夠良好保持其性能，需要進一步開展相關研究。本文依據上述試驗結果，水灰比選擇0.45，粉煤灰摻量30%，對不同含氣量和不同循環次數下的高性能混凝土抗凍性能進行分析，試驗結果見圖5～圖8。

圖5 不同含氣量下質量損失率試驗結果

圖6 不同循環次數下質量損失率試驗結果

圖8 不同循環次數下相對動彈模量試驗結果

由圖5～圖8可知：混凝土中含氣量變化對其抗凍性能存在明顯影響，隨著含氣量的增加，質量損失率呈逐漸下降趨勢變化，相對動彈性模量呈增加趨勢變化。同時，隨著凍融循環次數增加，相對動彈性模量與含氣量關系呈現凸曲線變化，在含氣量為0.004 6%時，其出現最大值，說明混凝土中適當引入氣泡能夠顯著改善其抗凍性能。如：以凍融循環75次為例，含氣量0.003 2%、0.004 6%、0.006 5%的質量損失率分別下降了40.3%、51.6%和66.1%（與含氣量0.001 2%相比較），相對動彈性模量分別提高了11.4%、28.0%和23.6%。

不同含氣量的高性能混凝土，在初始狀態下的質量損失率較為接近，隨著凍融循環次數的顯著增加，不同含氣量的混凝土質量損失率之間的差異越顯著，而相對動彈性模量指標并不存在明顯變化。這也間接表明高性能混凝土抗凍性與長期耐久性性能相關，質量損失率指標對不同含氣量的混凝土性能具有更強的敏感性。當含氣量為0.004 6%和0.006 5%時，凍融循環次數50、75和100次的質量損失率差值分別為0.04%、0.09%和0.11%。

綜上所述，含氣量在混凝土中的用量具有相應的最佳范圍，試驗數據與理論研究結果相一致，對于粉煤灰混凝土，當含氣量達到0.004 6%時，其抗凍性能改善效果較好，隨著混凝土內部結構中的含氣量增加，其相對動彈性模量值并未顯著提高。

4 粉煤灰對氣泡特性參數影響分析

研究發現硬化混凝土中的氣泡特性與抗凍性能優劣存在關聯，如氣泡數量、氣泡直徑、氣泡間距系數等，這也是近30年來采用微觀手段對混凝土抗凍性能不斷探索研究的方向之一。本文結合粉煤灰用量變化的試驗結果，分析不同粉煤灰摻量下混凝土內部孔隙結構組成（未摻加引氣劑條件下），相關試驗結果見圖9。

圖9 不同粉煤灰摻量下氣泡數量、耐久性系數試驗結果

由圖9可知，通過微觀手段分析發現，隨著粉煤灰摻量增加，硬化混凝土中的氣泡數量也存在顯著下降現象，耐久性系數也呈下降趨勢變化，這與采用宏觀手段分析結果相一致。例如，粉煤灰摻量由10%增加至30%時，氣泡數量和耐久性系數分別下降了10.4%和18.8%。上述研究結果表明粉煤灰對高性能混凝土抗凍性能存在相應劣化影響，影響幅度與粉煤灰摻量變化有關。

5 結論

隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的質量損失率顯著增加，相對動彈性模量逐漸下降，且隨凍融循環次數的增加，逐漸降低了粉煤灰對混凝土質量損失率的影響程度。

隨著凍融循環次數的增加，混凝土試件的質量損失率呈增加趨勢變化，相對動彈性模量呈下降趨勢變化。當凍融循環次數超過75次時，質量損失率的變化幅度顯著增加。

混凝土中含氣量變化對其抗凍性能存在明顯影響，隨著含氣量增加，質量損失率呈逐漸下降趨勢變化，相對動彈性模量呈增加趨勢變化。且隨著凍融循環次數的顯著增加，不同含氣量混凝土之間的質量損失率指標差異愈加顯著，而相對動彈性模量指標并不存在明顯變化。

氣泡特征參數表明隨著粉煤灰摻量的增加，耐久性系數逐漸下降，高性能混凝土的耐久性降低，這與已有研究成果結論不一致，需要結合粉煤灰高性能混凝土的實際應用開展更深層次的研究，如粉煤灰水化特征、水泥水化特征等。

[1] 吳倩云，馬芹永，王瑩. 凍融循環作用下玄武巖纖維—礦渣粉—粉煤灰混凝土壓拉強度試驗與細觀結構[J]. 復合材料學報，2021，38(3): 953-965.

[2] 孫婧，王宏，蘭建偉，等. 原狀粉煤灰對超高性能混凝土性能的影響[J]. 硅酸鹽通報，2022，41(1): 209-217.

[3] 張志剛，趙林，張沛，等. 亞高溫下不同粉煤灰摻量高延性混凝土的力學性能[J]. 東南大學學報(自然科學版)，2020，50(5): 831-836.

[4] 黨瑩. 納米顆粒粉煤灰綠色混凝土的耐久性試驗研究[J]. 無機鹽工業，2021，53(7): 96-100.

[5] 濮琦，薛萬銀，蔣林華，等. 凍融循環作用下混凝土斷裂損傷特性研究[J]. 混凝土與水泥制品，2020(7): 30-33.

Experimental Analysis of Frost Resistance on High Performance Fly Ash Concrete

In order to study the effect of fly ash on the frost resistance of high-strength concrete, freeze-thaw cycle test was used to analyze the relationship between fly ash content, freeze-thaw cycle times, air content, structural bubble characteristics, and frost resistance. The results show that the quality loss rate shows a significant increasing trend with the addition of fly ash and the increase of freeze-thaw cycles, while the relative dynamic elastic modulus gradually decreases. Both of them have a deterioration effect on the frost resistance performance; as the internal structure gas content increases, the mass loss rate gradually decreases, and as the number of freeze-thaw cycles increases, the difference in mass loss rate indicators between different gas contents becomes more significant; with the increase of fly ash content, the number of bubbles in the concrete structure significantly decreases, and the durability coefficient also shows a downward trend; the macroscopic effect of fly ash on the frost resistance of concrete is basically consistent with the microstructure changes of bubble characteristics.

bridge engineering; cement concrete; frost resistance; fly ash

TV528

A

1008-1151(2023)11-0049-04

2023-03-16

河南省交通廳項目（2018J3）。

黎君君（1984－），男，廣西貴港人，廣西路建工程集團有限公司工程師，研究方向為道路工程項目管理。