礦渣-粉煤灰復合材料混凝土抗凍融性能研究

摘 要：為提高冰凍環(huán)境下鋼筋混凝土結構的抗凍耐久性，減少混凝土凍融損傷，本文利用F-S代替普通水泥制備混凝土，采用快速凍融試驗測量混凝土的損傷過程，評價混凝土氯離子的滲透性和導電特性，并建立了混凝土抗凍耐久性系數(shù)與混凝土宏觀性能的關系。結果表明：與普通混凝土相比，F(xiàn)-S混凝土的電阻率顯著升高，在經(jīng)過凍融循環(huán)后，摻合料混凝土導電性仍然較低。混凝土的抗凍耐久性系數(shù)（DF）與凍融循環(huán)次數(shù)、抗壓強度、氯離子擴散系數(shù)和電阻率間有顯著的相關關系。研究結果可為寒冷混凝土配合比設計提供參考。

關鍵詞：礦渣-粉煤灰混凝土；凍融循環(huán)；電阻率；抗凍耐久性系數(shù)

中圖分類號：TU 37" " 文獻標志碼：A

由于大量混凝土結構暴露在冬季嚴酷的條件下，嚴重破壞了混凝土結構，因此需要對其進行修復。混凝土的凍融耐久性是影響寒區(qū)混凝土結構耐久性的重要因素[1-2]，為保護混凝土免受凍融損傷，許多研究分析了凍融作用下混凝土材料性能的影響因素。研究表明：分布均勻的空隙可以釋放凍脹壓力，提高抗凍融能力[3]。因此，配制孔隙較低的混凝土，將大大延長混凝土結構的服役壽命。隨著輔助膠凝材料的使用，粉煤灰、硅灰、磨粒高爐渣、稻殼灰、聚丙烯纖維等摻加劑逐漸加入混凝土中，既能提高混凝土的滲透性，又能提高混凝土的抗凍融性能。加入粉煤灰可以降低混凝土對流體的滲透性，控制鈣浸出[4]。摻加礦渣（水泥質量的30%）是提高混凝土抗氯離子性能的有效途徑[5]。在混凝土結構中加入10%～30%的粉煤灰-礦粉復合材料可以使抗壓強度更高、滲透性更低、耐酸性更高[6]。

本文通過研究混凝土在凍結和解凍過程中性能的演變行為，分析摻加F-S混合料對混凝土性能的改善作用。通過分析F-S改性混凝土的凍融耐久性，為寒冷環(huán)境下混凝土結構的施工和維護提供參考。

1 試驗研究

1.1 原材料及試件制備

試驗使用的水泥為PO42.5級水泥，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦渣為S95級粒化高爐礦渣。研究采用的混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶骨料=350kg∶175kg∶619kg∶1256kg。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—2005）的要求，將水泥、粉煤灰、礦渣混合后與細、粗骨料攪拌。將混合均勻的混凝土裝入尺寸為100mm×100mm×400mm（高×寬×長）的模具中。在24h后將試件脫模，移入標準養(yǎng)護室（溫度為20℃±2℃，相對濕度大于95%）養(yǎng)護。為研究FS作為摻加劑對混凝土性能的影響，本研究制備了含有10%、30%和50%FS的改性混凝土混試件，將其分別記為FS0、FS10、FS30和FS50。

1.2 試驗方法及過程

采用快速凍融循環(huán)試驗測試混凝土凍融過程中的性能變化，每個凍融循環(huán)包括在3h內(nèi)將試樣溫度從4℃降至-18℃和從-18℃升至-4℃。每隔25個凍融周期，將樣品從設備中取出，然后對質量、動彈性模量、電阻率、抗壓強度進行測試。

1.2.1 氯離子擴散系數(shù)

采用快速氯離子遷移（RCM）方法來確定混凝土樣品中氯離子擴散過程，測試試件尺寸：厚度為50mm，直徑為100mm。

1.2.2 電阻率

采用四探頭Resitest-400型電阻率測定儀測量混凝土試件的電阻率。

1.2.3 抗壓強度

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—

2005）的要求，使用2000kN電液伺服抗壓測試系統(tǒng)（YAW-YAW2000A）測量混凝土試樣的抗壓強度，加載速率為0.5MPa/s，每組3個試樣。

2 試驗結果與討論

2.1 質量損失

根據(jù)凍融后混凝土試件表觀的變化過程，可以看出隨著凍融循環(huán)繼續(xù)，混凝土表面蜂窩空洞形成，導致質量發(fā)生變化。本文得到了所有試件在凍融循環(huán)過程中的質量變化，用質量損失率來評價混凝土試件在凍融循環(huán)作用下的損傷，如公式（1）所示。

（1）

式中：Dc凍融循環(huán)后試樣的質量損失率，%；mcn為第n次凍融循環(huán)后試樣的質量，kg；mc0為凍融試驗前試樣的質量，kg。

混凝土質量損失率與凍融循環(huán)的關系如圖1所示，由圖中可以看出：FS0、FS10和FS50混凝土試件的質量損失逐漸增加。然而，含有30%FS的混凝土試件在整個凍融作用過程中質量輕微增加。在經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，F(xiàn)S0的質量損失最大，為5.13%，F(xiàn)S10次之，為2.83%，F(xiàn)S50為0.85%。而經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，F(xiàn)S30的質量增益為0.51%。這歸因于FS混凝土中致密的微觀結構，F(xiàn)S顆粒尺寸更小，可填充混凝土內(nèi)部的較大孔隙，使混凝土內(nèi)部的破壞和質量損失更小，質量的演變過程證實了孔隙率降低可有效改善混凝土結構的抗凍性能。

2.2 氯離子擴散特性

凍融損傷加速了混凝土的劣化過程，嚴重影響混凝土中離子的傳輸性能，圖2給出了普通混凝土和FS改性混凝土試件經(jīng)過凍融循環(huán)后氯離子擴散系數(shù)的試驗結果。

如圖2所示，在凍融試驗過程中，F(xiàn)S0、FS10和FS30的氯離子擴散系數(shù)都在增加，與凍融前相比，普通混凝土的氯離子擴散系數(shù)在75次凍融循環(huán)后增加了200%。結果表明，加入FS確實對凍融作用過程中混凝土中氯離子的傳輸過程有影響。而摻加50% FS混凝土試樣在75次凍融循環(huán)后，氯離子擴散系數(shù)僅下降26%，這是由FS改性混凝土中孔隙結構細化所致。

2.3 混凝土電阻率

混凝土中鋼筋腐蝕是一個電-化學過程，電阻率較高的混凝土能夠更好抵抗離子侵入，從而減少鋼筋腐蝕，提高鋼筋混凝土結構的耐久性能。因此，在惡劣環(huán)境下，提高混凝土電阻率是提升其抗侵蝕性能的關鍵因素。本文獲得了混凝土在凍融循環(huán)作用后的電阻率變化規(guī)律，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，加入FS顯著提高了混凝土的電阻率，在凍融作用下混凝土電阻率的改善效果與FS摻加量成正比，因此，F(xiàn)S摻加劑會影響復合材料的電學性能。此外，多次凍融作用對混凝土的電阻率有負面影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同混合物的電阻率降低。FS含量為50%的混凝土試件電阻率最佳，F(xiàn)S含量為30%的混凝土試件電阻率次之。在經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，與普通混凝土相比，含有50%FS混凝土的電阻率降低了64%，經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，電阻率降至29%。

2.4 抗壓強度

圖4為混凝土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，由圖中可以看出，摻加30%和50%FS混凝土抗壓強度下降幅度較小。普通水泥混凝土經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，抗壓強度降低46%，摻加50%FS混凝土抗壓強度下降12%。

2.5 混凝土抗凍耐久性

采用抗凍耐久性系數(shù)對加FS和不加FS混凝土的抗凍耐久性進行評價，計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：DF為混凝土抗凍耐久性系數(shù)，無量綱；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次；E/E0為混凝土經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量，無量綱。在不同凍融循環(huán)作用后，得到混凝土相對動彈性模量變化和混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的DF試驗數(shù)據(jù)。結果表明，F(xiàn)S摻量為30%的混凝土對抗凍耐久性改善效果最好。

研究凍融循環(huán)前后對普通混凝土和含F(xiàn)S試件DF與其宏觀性能的關系。結果顯示，在凍融作用下，DF與普通混凝土和FS改性混凝土的孔隙率值呈線性關系，這表明混凝土的孔隙率隨抗凍耐久性系數(shù)增加而呈線性增加。摻加50%的FS混凝土在凍融作用過程中孔隙率最低。普通混凝土和FS改性混凝土的氯離子擴散系數(shù)與DF呈線性關系，說明混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨抗凍耐久性系數(shù)線性減少。摻加5%FS混凝土在凍融作用過程中氯離子擴散過程最緩慢。混凝土試件在凍融循環(huán)前后DF與抗壓強度存在線性關系，摻加30% FS的混凝土試樣和摻加50% FS混凝土在50次凍融作用后抗壓強度最高。在凍融循環(huán)過程中DF與混凝土電阻率存在指數(shù)下降關系，混凝土電阻率隨抗凍耐久性系數(shù)呈指數(shù)下降，F(xiàn)S30的DF與電阻率間的關系與FS50非常接近。

3 結論

為研究FS對凍融作用下混凝土性能的影響，本文分別制備含有0%、10%、30%和50% FS的混凝土試件，并對其進行快速凍融試驗，分析了混凝土試件的質量損失、氯離子擴散和電阻率等特性，得到以下結論。1）FS的填充和活化作用提高了混凝土的耐久性，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，普通混凝土破壞嚴重，但含30%和50% FS的混凝土仍完好無損。 FS含量為30%和50%的混凝土試件在凍融試驗過程中抗壓強度下降幅度較小，在125次凍融循環(huán)后，混凝土中摻加50%FS可使對照樣品的抗壓強度提高34%。2）在經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，與對照樣品相比，50% FS混凝土樣品的電阻率提高了64%；含有5% FS的混凝土樣品中的氯化物擴散系數(shù)與對照樣品相比降低了59%；125次凍融循環(huán)使30% FS改性混凝土與對照混凝土的動態(tài)彈性模量相差約23%。3） 抗凍耐久性系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、抗壓強度、氯離子擴散系數(shù)和混凝土電阻率間存在相關關系，摻加30%和50%FS有利于提高混凝土的凍融耐久性。

參考文獻

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