粉煤灰对混凝土干湿循环抗冻性能的影响

杨海明，邓亚芬，张世杰

YANG Haiming，DENG Yafen，ZHANG Shijie

(1.浙江省天和建材集团有限公司，浙江 杭州310008;2.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州310012)

混凝土已成为目前土木工程中应用最广泛的建筑材料。但很多工程在使用10～20年后，就由于混凝土耐久性不足而导致过早破坏，造成了巨大的经济浪费，这一普遍现象在世界各国引起了学术界、工程界的高度重视［1-2］。我国水工建筑物耐久性调查显示［2-6］:在寒冷地区的水工混凝土建筑物，几乎所有工程都存在冻融破坏，有些为局部破坏，有些为大面积破坏。与普通环境条件下混凝土相比，处于干湿循环条件下的混凝土往往承受着更大的冻融破坏，是建筑物最为薄弱的部分，但目前国内外对于混凝土干湿-冻融循环破坏的研究相对很少［7-12］。

影响混凝土抗冻性的主要因素有水胶比、混凝土的孔隙率与孔隙特征、矿物掺合料。而提高混凝土抗冻性的方法是:适当加入外加剂［10-11］，严格控制水灰比，适当掺入矿物掺合料，加强养护条件，减少混凝土早期受冻破坏［11-12］。目前国内的预拌混凝土几乎都使用粉煤灰，应用粉煤灰已成为提高混凝土的整体性能、降低成本的最有效技术途径之一。但在有抗冻性要求的混凝土中掺入多少粉煤灰比较合理，这需要我们进行大量的研究。尤其是在处于干湿-冻融循环环境中的混凝土，需要更加准确、更加合理的粉煤灰掺量，以满足真实情况的抗冻性要求［13］。

浙江虽然地处南方，但是随着极端天气的增多，混凝土冬期也可能受冻害。本文主要研究粉煤灰掺量对混凝土干湿循环条件下抗冻性能的影响。

1 试验原料及方法

1.1 原料

(1)水泥:选用海螺水泥厂生产的P. O42.5 普通硅酸盐水泥。

(2)骨料:碎石，5～20 mm 选续级配;砂，细度模数为2.7 的中砂，骨料满足要求。

(3)粉煤灰:二级粉煤灰，其物理性能见表1。

(4)减水剂:传化聚羧酸减水剂。

表1 粉煤灰物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 配合比

试件尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm。粉煤灰等量替代水泥的含量为0、15%、30%、45%。水灰比0.45。其配合比见表2。试件采用保湿养护，1 d后拆模，在标准养护条件下(养护温度(20 ±2)℃，相对湿度95%以上)养护28 d 后，试件开始干湿冻融循环试验。

表2 C30 混凝土配合比 kg/m3

1.2.2 冻融试验

(1)冻融制度。试件浸泡在液体中，液体覆盖试件顶端，冻融时，试件中心的最高温度和最低温度控制在5℃和-10℃，每次冻融循环约在4 h 内完成，其中融化时间大约为1 h，冻化时间大约为3 h。冻结与融化终了时，试件中心温度应控制在(-10±2)℃和(5 ±2)℃。

(2)干湿循环制度。使用烘箱进行干燥，干燥温度为60℃，时间为6 h。在清水中浸泡混凝土使混凝土湿润，时间为18 h，一次干湿循环为24 h。

试件标养28 d 后，先在水溶液中浸泡16 h，然后在60℃的烘箱中烘6 h，自然冷却后按冻融制度的步骤进行冻融循环。冻融循环8 次，干湿循环6次为一次大循环，每次大循环约为10 d，共进行5 次大循环。

2 结果与分析

2.1 结果

2.1.1 粉煤灰对干湿冻融循环抗压强度的影响

研究中分别测量了混凝土28 d 强度及干温冻融循环后混凝土的强度。此外，为反映混凝土破坏程度的大小，测量同龄期(38、48、58、68、78 d)在标准养护条件下混凝土的强度。

图1 为标准养护的混凝土强度随时间变化曲线。

图1 同龄期下标准养护混凝土强度发展

由图1 可见:未掺粉煤灰混凝土28 d 后强度发展不明显。掺粉煤灰混凝土随着粉煤灰掺量的增加28 d强度虽然下降，但随着时间的增加后期强度不断增长。这是因为粉煤灰混凝土28 d 结构发展不完全，随着水化的不断进行，生成的凝胶使混凝土强度上升。

图2 为干湿冻融循环条件下混凝土强度随时间变化图。

图2 干湿冻融循环条件下强度的变化

由图2 可见:纯水泥混凝土破坏更直接。纯水泥混凝土在第3 次干湿-冻融循环结束后强度明显下降，而后强度变化不明显。掺粉煤灰混凝土强度下降趋势平缓，且15%掺量与30%、45%掺量相比强度下降平缓。

图3 为混凝土强度损失随循环周期变化图。

图3 混凝土强度损失随循环周期变化图

由图3 可见:掺粉煤灰混凝土，随粉煤灰掺量的增加，混凝土强度损失率增加，掺量15%时强度损失率最小，掺量45%时在第五次循环结束后强度损失最大。

2.1.2 粉煤灰对干湿冻融循环质量损失的影响

混凝土的质量损失反映出混凝土的表面破坏程度，本试验在每次干湿-冻融循环结束后将浸泡后的混凝土表面水分擦干，测量相同3 块混凝土的质量，计算混凝土在各次循环结束后的平均质量，得出混凝土的质量损失，并绘制质量损失随循环次数变化折线图(图4)。

图4 为混凝土的质量损失随循环次数变化的折线图。

图4 混凝土质量损失

由图4 可见:随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的质量损失增大。其中掺15%粉煤灰的混凝土质量损失较小，损失较为缓慢。而掺45%粉煤灰的混凝土质量损失较大，损失较快。

2.2 理论分析

由图2 及图3 可见:冻融和干湿交替作用和普通冻融相比破坏性更强。5 次循环结束后，混凝土与同龄期标准养护条件下混凝土相比强度均有明显下降，干湿与冻融的共同作用加速了混凝土受冻破坏。实验中混凝土冻融次数总和仅为40 次，但强度下降明显，说明干湿循环对混凝土受冻破坏的加速作用十分明显。

掺粉煤灰混凝土在前两次循环强度均有所增加，强度变化与同龄期标准养护条件下混凝土相比无明显变化，但后几次循环强度下降明显。未掺粉煤灰混凝土前两次循环强度非常高，但第三次循环与第四次循环强度下降剧烈，与掺粉煤灰混凝土相比下降更直接。可以看出，在试验早期，干湿-冻融循环对混凝土破坏程度较小，粉煤灰混凝土的强度仍然发展。干湿冻融循环破是一个积累性的破坏。

由图4 可见:随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的质量损失增大。粉煤灰的掺入使干湿冻融循环条件下混凝土表面破坏加重，所表现出来的是混凝土表面结构的破坏从而引起混凝土强度的下降，掺入粉煤灰的混凝土表面更易产生脱皮剥落。而未掺粉煤灰的混凝土在进行五次冻融循环实验后质量变化不明显，对于抵抗干湿-冻融循环条件下混凝土表面损坏有所提高，但混凝土的强度也有所下降，说明破坏原因并不是混凝土表面破坏所引起，而是由于内部损伤而引起的混凝土整体性破坏。

3 结 语

(1)干湿循环引起了混凝土的变形、表面开裂、结构发展减慢，与冻融循环共同作用增大了受冻损伤。因此，对于处于干湿-冻融循环条件下的混凝土，在配制与施工过程中应更加注意增加其抗冻性。

(2)干湿冻融循环条件下的混凝土可适当的掺入少量粉煤灰，以提高混凝土抗干湿冻融破坏的能力，但掺入量应小于15%。因试验量、试验时间等原因，本试验未能得出粉煤灰最佳掺入量范围。

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