关于大掺量粉煤灰混凝土含气量、气泡参数表征抗冻能力相关性的探讨 *

试验研究

关于大掺量粉煤灰混凝土含气量、气泡参数表征抗冻能力相关性的探讨*

*基金项目：大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室基金资助(LP1213)。

□□ 艾红梅，戴碧琳，郭建华，杨晨光(大连理工大学 建筑材料研究所，辽宁 大连116024)

摘要：鉴于冻融作用对大掺量粉煤灰混凝土(High Fly ash Content Concrete，HFCC)造成的破坏较为严重，对国内外的研究情况进行了分析，总结了现阶段大掺量粉煤灰混凝土抗冻性能的研究进展。主要对混凝土拌合物含气量和硬化混凝土气泡参数表征HFCC抗冻性的科学性和可行性进行了分析，并且对二者的相关性进行探讨。

关键词：大掺量粉煤灰混凝土；抗冻性；含气量；气泡参数

文章编号：1009-9441(2015)03-0022-03

中图分类号：TU 528.01

文献标识码：A

Abstract：Given the freeze-thaw effect on high fly ash content concrete (HFCC) is relatively serious，the paper analyzes the domestic and foreign research and summarizes the present research progress of antifreeze performance of concrete with high volume of fly ash.

作者简介：艾红梅(1974-)，女，辽宁本溪人，副教授，硕士生导师，博士，现从事建筑材料教学与科研工作。

收稿日期：2015-03-19

引言

为了提高混凝土的耐久性，在混凝土中掺入矿物掺合料是一种普遍手段。随着高效减水剂的发展和市场上优质粉煤灰的大量供应，大掺量粉煤灰混凝土以其良好的经济效益和环境效益越来越被人们所重视。用粉煤灰大量取代水泥，不仅能够减少水泥用量、节约成本，而且使得燃煤发电厂烟道中的固体废弃物得到了有效利用，尤其是在海工领域大掺量粉煤灰混凝土有着强大的生命力。但是，由于北方海洋环境对混凝土的劣化较为严重，造成部分工程的服役年限不足十年。所以，对大掺量粉煤灰混凝土盐冻性能的研究有着重要意义。

混凝土中的含气量是影响抗冻性的重要指标。引气剂能够在混凝土中引入无数微小且不连通的气泡，这些微小气泡均匀地分布在混凝土体内，就可以容纳自由水的迁移[1]，从而大大缓和了静水压力，极大地提高了混凝土承受反复冻融破坏的能力。同时，引气剂的加入还明显改善了混凝土的和易性和抗渗性，从而提高了混凝土的耐久性。但含气量的增加在一定程度上有损混凝土的强度。贾致荣等[2]的研究表明，含气量的高低能够影响大掺量粉煤灰混凝土的强度。随着引气量的增加，混凝土抗压强度下降1.07%~7.49%。在不同龄期时，不同粉煤灰掺量及水胶比不同的混凝土的强度降低幅度存在差异。当混凝土中粉煤灰掺量较高时，由于球形的粉煤灰比表面积大，以及粉煤灰中燃烧不完全碳的存在，使得HFCC对引气剂有一定的吸附作用，致使引气剂的引气效果降低，从而影响了大掺量粉煤灰混凝土的抗冻能力。对于HFCC抗冻能力的研究，“混凝土拌合物含气量”是一种较为常见的表征方法。20世纪50年代，Powers T C提出的气泡间距系数，也是评价混凝土抗冻性的重要参数。本文将主要探讨这两种方法表征HFCC抗冻能力的准确性以及两者间的相关性。

1大掺量粉煤灰混凝土抗冻性的研究进展

冻融破坏是我国北方地区水工建筑遭受的主要病害。用大掺量粉煤灰代替部分水泥，能降低大体积混凝土由于水化热过大而产生的温度梯度，从而减少开裂；有效地降低了孔隙率而使水泥水化产物分布更均匀，增加水泥结构的致密性，减少泌水通道，提高抗冻能力。

对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性的研究有很多。Saito M等[3]研究了冻融循环后混凝土Cl-渗透性的变化以及裂缝对氯离子渗透的影响。研究表明，裂缝的增多会使Cl-渗透性增大；对于非引气的粉煤灰混凝土，冻融循环后相对动弹模下降，而且Cl-渗透系数明显增大，说明粉煤灰没有明显增加内部裂缝。游有鲲等[4]研究了含气量、粉煤灰掺量对混凝土抗冻性的影响。研究表明，低水胶比的混凝土，在掺入原状Ⅰ级粉煤灰时，混凝土的抗冻性能主要取决于混凝土内部的孔隙率和孔径分布，为了提高混凝土的抗冻性能必须引入适量的气泡。当粉煤灰掺量较大时，混凝土的含气量稳定性受到粉煤灰吸附的影响。但在相同孔隙率下，由于粉煤灰所引入的封闭玻璃体空腔和其火山灰作用，有利于混凝土的抗冻性和抗渗性能的提高。这说明粉煤灰确实会对引气剂产生一定的吸附作用，这对混凝土的抗冻性是不利的。但同时，在孔隙率一样的情况下，粉煤灰的加入能在一定程度上提高混凝土的抗冻性。

内部孔结构是影响混凝土受冻融破坏的关键因素。外掺粉煤灰能够改变混凝土的孔结构，增加总孔隙率，细化最可几孔径分布，使混凝土冻融破坏方式由静水压侵蚀向渗透压侵蚀转变，加剧了结构性能的劣化。研究表明[5]，粉煤灰混凝土的抗冻性能随水胶比的增加而显著下降；随着粉煤灰掺量的增加，引气型混凝土的抗冻性明显降低。配制粉煤灰混凝土必须掺入引气剂，以保证必要的抗冻性能。李长祥等[6]的研究表明，粉煤灰混凝土的引气量、水胶比、强度是影响其抗冻性的决定因素。目前，有很多关于大掺量粉煤灰混凝土抗冻性能方面的研究，它仍旧是一个热点问题，但也极具研究的现实意义。

2含气量表征HFCC抗冻性的研究进展

粉煤灰的大掺量添加，对寒冷地区水工混凝土的抗冻性会带来不利影响，此时需要添加引气剂来改善甚至提高混凝土的抗冻性。引气剂的引入能够给混凝土中带来大量的微小而又均匀分布的封闭气泡，提高混凝土的含气量，从而提高混凝土的抗冻性和耐久性。在相同水泥用量和坍落度的条件下，引气剂掺量越大，混凝土的含气量就越大，抗压强度损失率就越大；在含气量<6%时，随着含气量的增加，混凝土的韧性增加；引气剂掺量一定时，混凝土拌合物坍落度与混凝土含气量之间为抛物线关系[7]。

高掺量的粉煤灰导致碳粒对引气剂有很强的吸附作用，使得混凝土没有足够的微细气泡。为保证HFCC的含气量满足抗冻要求，必须增加引气剂掺量，而引气剂掺量的多少又与粉煤灰的细度和烧失量等因素有关。对于HFCC而言，引气含量不宜过大，含气量超过一定范围时，均匀分散的气泡会相互贯穿连通，对混凝土的抗渗性、抗冻性不利[8]。试验证明[9]，普通混凝土含气量应控制在4.5%~6.0%之间，可达到较好的抗冻效果。而对于粉煤灰掺量较大的混凝土，含气量在5%~15%之间时，抗冻性才可能高于普通硅酸盐混凝土[10]。此外，引气含量对HFCC的耐久性也有一定影响。研究表明[9]，引气剂提高了大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性。掺入引气剂后，大掺量粉煤灰混凝土的28 d抗渗性能大幅度提高，氯离子扩散系数可以达到很低的标准，在一定范围内，混凝土的氯离子扩散系数随着含气量的提高而降低。

综上所述，HFCC在寒冷地区抗冻性的大小可以用含气量来表征，含气量的增加不仅能够提高混凝土的抗冻性，而且对混凝土耐久性方面也有积极影响。但是，由于粉煤灰对引气剂的吸附较为明显，造成HFCC含气量偏低，对抗冻性有不利影响。

3气泡参数表征HFCC抗冻性的研究进展

与混凝土拌合物含气量相比，硬化混凝土气泡间距系数能更准确地反映出混凝土的抗冻能力。硬化混凝土气泡参数对引气混凝土抗冻性起着至关重要的作用[11]。表征硬化混凝土气泡体系特征的参数主要有含气量、气泡平均半径和气泡间距系数。采用气泡参数来表征HFCC抗冻性的研究有很多。有研究表明[12-14]，在一定含气量下，气泡间距越小、气泡个数越多，混凝土抗冻性就越好。研究表明[15]，在硬化混凝土气泡参数中，气泡平均半径对混凝土抗压强度的影响最大，混凝土抗压强度随气泡平均半径的增大而降低。气泡间距系数对引气混凝土抗冻性的影响非常显著。这些都说明，3个主要气泡参数对混凝土的抗冻性和抗压强度有很大影响，用它们来衡量混凝土性能是合理的。

严捍东等[16]的研究表明，在相同水胶比、相同养护龄期下，混凝土的气泡参数与粉煤灰掺量间没有一定的关系，但气泡参数会随养护龄期的增长向不利于抗冻性的方向变化，粉煤灰掺量越高，则变化的幅度越低。高掺量粉煤灰可能会降低引气量，但对气泡结构的稳定有利，这对于提高抗冻性也是有利的。

综上所述，混凝土的抗冻性可以采用气泡间距、气泡个数和气泡平均半径等气泡参数来表征，它们更关注混凝土的微观结构特性，能使人在看到试验中的宏观现象的同时，更清楚地了解它们的微观原理，从而方便研究。同时，可以确定的是，适当掺量的粉煤灰对于气泡结构的稳定是有利的。

4新拌混凝土含气量与气泡参数的相关性

从以上讨论可知，新拌混凝土的含气量和气泡参数均可以用来表征混凝土的抗冻性，那么这二者之间是否有一定的相关性，从而可进行一定的换算，以下就这个问题进行讨论。

混凝土中加入引气剂会引入微小气泡，增加混凝土中的含气量，这些微小气泡互不连通，就像一个个弹簧阻隔外界侵蚀，阻碍水的渗透以及泌水通道的形成，从而提高混凝土的抗冻性和耐久性，含气量指标便是表征混凝土结构中所含气泡数量的参数。要使引气剂引入的气泡起作用，这些气泡必须微小且互不连通，稳定均匀地分布于混凝土结构中，所以就对气泡参数有一定的要求。含气量是指单位体积中所含气体的体积百分比，可见气泡个数与含气量有一定的相关性。要控制气泡微小，一般用气泡平均半径进行表征，气泡越大越容易溢出，反而有损于抗冻性，一般气泡平均半径应控制在合理范围内(0.05~1.27 mm)。气泡间距则可以用来表征气泡是否均匀分布，是否彼此连通。由此可见，用含气量表征混凝土抗冻性得以成立，很大程度上源于气泡参数符合一定的要求。同时，气泡尺寸和气泡间距最终都反映到含气量上。当含气量一定时，气泡尺寸越小，气泡数量越多，则气泡间距值越小。当气泡尺寸不变时，则含气量越大，气泡间距值越小，抗冻性能越好。因此，对混凝土抗冻融能力的控制最终还是对含气量的控制[17]。综上所述，含气量与气泡参数之间确实具有一定的相关性，用两者分别表征混凝土抗冻性也有其合理性。

5结语

大掺量粉煤灰混凝土抗冻能力可由含气量和气泡参数分别进行表征，前者是在宏观层面进行考量，后者主要着眼于微观层面。通过国内外的大量研究可知，用这两个指标来进行抗冻能力的表征都具有一定的科学根据，但两者之间目前并未发现准确的对应关系。希望在未来能逐渐找到一个指标，兼顾含气量和气泡参数的优点，统筹微观和宏观，对大掺量粉煤灰混凝土的抗冻能力进行表征。

参考文献：

[1] 薛彦林，李小红，曹继前.引气剂在抗冻融混凝土中的应用[J].山西建筑，2004，30(24)：103-104.

[2] 贾致荣，张众.含气量对大掺量粉煤灰混凝土强度的影响[J].混凝土，2012(10)：39-40，44.

[3] Saito M，Ohta M，Ishimori H.Chloride permeability of concrete subjected to freeze-thaw damage[J].Cement and Concrete Composites，1994，16(4)：233-239.

[4] 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.

[5] 袁晓露，李北星，崔巩，等.粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析[J].混凝土，2008(12)：43-44，62.

[6] 李长祥.浅谈掺加引气剂改善粉煤灰混凝土结构抗冻性[J].公路交通科技：应用技术版，2011(10)：161-162.

[7] 单旭辉，朱尔玉，韩玉莲.引气剂对混凝土性能的影响[J].南水北调与水利科技，2004，2(6)：47-51.

[8] 梁文泉，骆翔宇，何金荣，等.大掺量引气剂混凝土在高寒干燥地区的抗冻性研究[J].混凝土，2005(1)：27-32.

[9] 王林，宋少民.引气含量对大掺量粉煤灰混凝土耐久性的影响[J].武汉理工大学学报，2009，31(7)：60-63.

[10] 班瑾，韩明珍，张晶磊，等.含气量对粉煤灰混凝土抗冻性能影响的研究[J].水资源与水工程学报，2014，25(1)：137-139.

[11] 杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2004：178-183.

[12] Zhang D S.Air-Entrainment in Fresh Conerete with PFA[J].Cement and Concrete Composites，1996，18(6)：409-416.

[13] Johnston C D.Deicer salt scaling resistance and chloride permeability and code requirements for air content，spacing factor[J].Concrete International，1994，16(8)：48-55.

[14] Attiogbe E K.Mean spacing of air void in hardened concrete[J].ACI Materials Journal，1993，90(2)：174-181.

[15] 杨华全，周世华，苏杰.气泡参数对引气混凝土性能的影响[J].水力发电，2009，35(1)：18-19，98.

[16] 严捍东，孙伟，李钢.大掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性研究[J].工业建筑，2001，31(8)：46-48，73.

[17] 宋拥军.含气量对混凝土抗冻性能的影响[J].中国三峡建设，1999(11)：45-47，52.

On the Correlation between Air Content and Air Bubble Parameters Frost Resistance Performance of High Fly Ash Content Concrete

AI Hong-mei，DAI Bi-lin，GUO Jian-hua，YANG Chen-guang

(Building Materials Research Institute，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024，China)

This paper mainly analyzes the science and feasibility of concrete mixture air content and hardened concrete bubble parameters HFCC frost resistance and explores the correlation between the two.

Key words：high volume fly ash concrete；frost resistance；air content；bubble parameters

(编辑盛晋生)