粉煤灰对引气混凝土冻融损伤的影响

朱文凭，王博，徐再修

(西安建筑科技大学，陕西西安710055)

混凝土抗冻性是混凝土耐久性研究的一个重要方面。随混凝土技术的提高，粉煤灰在混凝土当中的应用得到了很大程度的推广。国内外相关研究指出粉煤灰在引气混凝土当中的应用能够对混凝土当中的气泡起到吸附作用，同时粉煤灰自身的形态特征及其火山灰作用均有利于混凝土的抗冻性能的提高［1］，［2］。为进一步明确粉煤灰的存在对引气混凝土抗冻性能的影响，本文对不同粉煤灰参量下的引气混凝土进行对比实验旨在从混凝土内部和表面损伤两个方面考察粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥为陕西秦岭水泥总厂的PO42.5R水泥。砂为霸河中砂，表观密度2 650 kg/m3，堆积密度1 480 kg/m3，含泥量1.0%，细度模数2.7。石子为泾阳口镇石灰岩质锤破碎石，无针片状颗粒，粒径5～15 mm，表观密度2 820 kg/m3，堆积密度1 435 kg/m3，含泥量0.3%，压碎指标6%。引气剂为同济大学以天然野生植物皂类为主要原料研制的SJ－3型高效引气剂。水为自来水。粉煤灰:渭河电厂“正元牌”II级粉煤灰，其化学成分及物理性能参见表1、表2。

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1.2 混凝土配合比及试验设计

在全部试验配比中，混凝土水胶比均为0.45。为对各配合比下的不同粉煤灰掺量和实测含气量加以区分，所有配合比下的混凝土试件进行统一命名，参见表3。其中F30A4.6表示粉煤灰掺量百分比为30%，实测含气量百分比为4.6%。

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依据GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，在试验进行前，对粉煤灰混凝土试件养护至90 d龄期，其强度发展参见表4。试验过程中，试件核心温度设定为－17℃±2℃～8℃±2℃。每50次循环，取一组各配比下混凝土试件进行强度测定;每25次循环，取一组试件(三个)进行质量损失测定，并得出其平均值。

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2 实验结果与分析

本文所进行的试验研究主要考虑冻融过程中混凝土的内部和表面损伤两个方面。宏观上，这两类损伤最直接的表现分别为混凝土抗压强度的下降和混凝土质量损失。

2.1 冻融循环过程中混凝土强度损失规律

研究表明［1］，［3］，混凝土内部损伤主要是因为混凝土内部微孔隙中的孔隙水由于结冰而出现体积膨胀并产生冰胀压力造成混凝土内部微孔隙的扩张，其内部水化产物由原有的密实结构向冻融循环后的疏松结构转变，造成混凝土抗压强度的下降。本文实验中的几组试件在冻融过程中的抗压强度值变化曲线参见图1。

图1 抗压强度随冻融循环次数的变化

图2 “陡劣点”前后抗压强度损失

由以上不同粉煤灰掺量下的混凝土在200次冻融循环过程中的强度下降曲线可以看出，当粉煤灰掺量在30%以下时，不论是含气量为3.7%还是4.6%的两个试验组，混凝土均表现出较好的前期抗冻性。F10A4.6、F30A4.6和F30A4.6在冻融循环进行到第100次之前，其抗压强度下降趋势较为缓慢，当冻融循环进行到100次后才出现抗压强度急剧下降;因此，可以看出，混凝土在冻融环境下都存在一个抗压强度突然下降点。罗昕［4］等人将混凝土在冻融条件下抗压强度曲线出现突然下降的位置称作为混凝土冻融损伤“陡劣点”。在冻融损伤“陡劣点”出现之前，掺有粉煤灰的F10A4.6、F30A4.6和F30A3.7其强度损失只占全过程强度损失的一小部分。计算可得，F30A4.6在经受前100次循环过程中所出现的抗压强度损失占全部200次冻融循环过程中抗压强度损失的14.45%，而在“陡劣点”出现之后，其抗压强度损失占到全部损失的85.54%。同样可得出F10A4.6和F30A3.7在“陡劣点”前后的强度损失比例，参见图2。

2.2 粉煤灰对引气混凝土内部损伤的影响机理

由上述抗压强度劣化特征可以看出，当粉煤灰掺量适当时，粉煤灰的存在对混凝土内部损伤具有明显的缓冲作用。其机理可从三个方面进行阐述:一是在混凝土拌制和成型阶段，粉煤灰所特有的玻璃微珠颗粒能在拌制和振捣时对混凝土的粗细骨料起到润滑作用，从而降低混凝土的实际需水量［5］。因此，掺有粉煤灰的混凝土能够有效减少混凝土内部未参与水化反应的游离水含量，从而减少了游离水的蒸发所造成的混凝土内部孔隙连通;二是Puertas等［6］指出在水胶比不变的情况下，超过80%的粉煤灰在混凝土养护达90 d龄期时依然处于未水化状态。这就使得粉煤灰的微集料效应得到发挥，大量未水化的细小粉煤灰颗粒均匀分散在混凝土内部，有效地填充了混凝土内部的毛细孔，降低了混凝土内部毛细孔率;粉煤灰自身微观上的玻璃球体颗粒结构也有利于沮滞混凝土内部毛细孔的连通［1］;三是由于粉煤灰所具有的二次水化效应，当混凝土在冻融初期内部结构由于冰胀压力而产生少量微裂缝时，粉煤灰的持续水化会消耗掉一部分水泥水化析出的Ca(OH)2而生成一定量的硅酸钙和铝酸钙进而在一定程度上阻碍了这一部分微裂缝的继续扩展，可以抵消掉这部分微裂缝的生成对混凝土带来的内部损伤。有学者也将粉煤灰的这一作用称为“强度增益效应”［7］。

2.3 冻融循环过程中的质量损失

冻融过程中混凝土的质量损失主要是因为试件表面混凝土剥蚀造成的，因此质量损失可以看成是混凝土表面损伤在宏观上的表现。由于在冻融过程中混凝土表面的吸水程度最先达到饱合，在冻融循环过程中试件表面混凝土将因为表面孔隙当中的冰胀压力而出现剥落，从而造成混凝土试件在冻融过程中的质量损失。本文分别对比了不同含气量下的两组试验当中的试件在冻融200次的过程中质量损失趋势，参见图3。

图3 冻融循环过程中的混凝土质量损失

可见，在含气量为4.6%条件下，较之于F0A4.6，F10A4.6的粉煤灰掺量提高到10%时，混凝土在冻融过程中质量损失速率大致相当;当粉煤灰掺量提高到30%时，由F30A4.6的质量损失曲线可以看出，混凝土的质量损失速率有所减慢，这也就意味着当粉煤灰掺量达到30%时，粉煤灰的存在能使得混凝土在冻融过程中抵抗表面损伤的性能稍许提高。但是，由F30A3.7的质量损失曲线可以看出，粉煤灰掺量的多少对混凝土抵御冻融过程中表面损伤的能力影响不大;对这一性能影响最明显的是引气混凝土当中的实际含气量。

2.4 粉煤灰对引气混凝土表面损伤的影响机理

上述试验结果表明粉煤灰掺量对冻融过程中引气混凝土表面损伤的影响并不明显。一方面是因为在标准养护环境下，混凝土表面的水泥率先水化且水化程度较为彻底并生成了水泥水化产物硅酸钙和铝酸钙;在水泥生成其水化产物的过程中，由于混凝土表面在标准养护环境下的饱水程度较之于混凝土内部更高，水泥水化生成的Ca(OH)2由于较容易被水析出，因而表面附着的粉煤灰微细颗粒与所析出的Ca(OH)2发生反应的二次水化效应较之于混凝土内部粉煤灰颗粒更为强烈，这就进一步消耗了表面混凝土当中未水化的粉煤灰，造成粉煤灰的微集料效应得不到发挥。因而当粉煤灰掺量不大时，由于微集料效应的丧失，其对混凝土表面抗冻融损伤的改善效果并不明显。另一方面，随混凝土养护达到90 d龄期，表面粉煤灰的二次水化效应已几乎消失殆尽，一旦冻融初期表面混凝土产生冰胀微裂缝，随冻融循环次数的增加，将不再有额外水化产物的产生。进而造成表面混凝土损伤无法象混凝土内部损伤那样得到补偿。在这一基础上，混凝土的含气量对混凝土抵抗表面冻融损伤的效果将显得至为重要，即混凝土在冻融过程的表面损伤程度主要取决于混凝土的实际含气量。

3 结论

(1)粉煤灰对混凝土在冻融过程中抵御表面损伤和抵御内部损伤的性能改善程度是不同的。掺加适量粉煤灰能够在较大程度上缓解混凝土经受冻融循环时的内部损伤，并对混凝土的抗压强度起到一定的“增益效应”。而对表面混凝土的冻融损伤帮助不大。

(2)在有适量引气保证的前提下，处于冻融环境下的混凝土，其粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料总量的30%。

(3)对处于冻融环境中，对混凝土表面剥落有严格限制的粉煤灰混凝土构件一定要保证其含气量;通常含气量不宜低于5%。

［1］游有鲲，缪昌文，慕儒．粉煤灰高性能混凝土抗冻性研究［J］．混凝土与水泥制品，2000(5):14－15

［2］K·H·Pedersen，A·D·Jensen，M·S·SkjØth－Rasmussen，K·Dam－Johansen．A review of the interference of carbon containing fly ash with air entrainment in concrete［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2008，34(2):135－154

［3］李金玉，曹建国，徐文雨，等．混凝土冻融破坏机理的研究［J］．水利学报，1999，1(1):41－49

［4］罗昕，卫军．冻融条件下混凝土劣化陡劣点的探讨［J］．混凝土，2005，11(3):14－16

［5］Aiqin Wang，Chengzhi Zhang，Wei Sun．Fly ash effects:I．The morphological effect of fly ash［J］．Cement and Concrete Research，2003，33(12):2023－2029

［6］F·Puertas，S·Martínez－Ramírez，S．Alonso，T．Vázquez．Alkali－activated fly ash/slag cement Strength behaviour and hydration products［J］．Cement and Concrete Research，2000，30(10):1625－1632

［7］Cengiz Duran Atis，Okan Karahan．Properties of steel fiber reinforced fly ash concrete［J］．Construction and Building Materials，2009，23(1):392－399