碱性与中基性粗集料影响混凝土抗冻性能对比

李鑫垚，王显利，时成林，赵士辉

（1.北华大学汽车与建筑工程学院，吉林吉林　132013；2.吉林省交通科学研究所，吉林长春　130012）

碱性与中基性粗集料影响混凝土抗冻性能对比

李鑫垚1，王显利1，时成林2，赵士辉1

（1.北华大学汽车与建筑工程学院，吉林吉林132013；2.吉林省交通科学研究所，吉林长春130012）

粗集料作为混凝土的重要组成材料，其品质直接关系到混凝土的各项性能.通过试验对比研究了碱性矿料石灰岩（ω（SiO2）为1.01%）和中基性矿料玄武岩（ω（SiO2）为53.5%）混凝土的抗冻性能，分析了两类试件的质量损失率和相对动弹性模量.结果表明:碱性矿料能够提高混凝土的抗冻性能，这对解决混凝土抗冻性能具有重要意义.

集料岩性；抗冻耐久性；碱性矿料；中基性矿料

【引用格式】李鑫垚，王显利，时成林，等.碱性与中基性粗集料混凝土抗冻性能对比［J］.北华大学学报（自然科学版），2016，17（3）:397-401.

由于混凝土结构在强度、取材等方面占有绝对优势，一直在工程中处于主导地位.冻融破坏是导致混凝土设施损坏的重要原因之一［1］.目前，提高水泥混凝土抗冻性能的常用方法是提高混凝土的工作性能，使其达到高性能混凝土的标准.调配高性能混凝土有提升原材料技术指标、改进配合比设计方法、降低水胶比、加入矿物掺合料、添加高效外加剂等几项主要技术措施［2］.其中，集料对抗冻性能的影响主要体现在集料吸水性和集料本身的抗冻性上［3］.因此，进行混凝土集料岩性分析探索抗冻耐久性问题具有实际意义.

国际上普遍认可的索罗斯石料分类办法［4］是根据石料中SiO2的含量将石料划分成酸性石料（ω（SiO2）≥65%）、中基性石料（65%≥ω（SiO2）≥52%）和碱性石料（ω（SiO2）≤52%）.经检测，施工中常用的石灰岩中ω（SiO2）为1.01%，玄武岩中为53.5%，花岗岩为69.78%.石灰岩中SiO2含量小，属于碱性石料，玄武岩为中基性石料，花岗岩为酸性石料，其中酸性石料易发生碱集料反应［5］，因此不进行对比试验研究.本次研究以石灰岩代表碱性矿料，以玄武岩代表中基性矿料进行粗骨料对比抗冻试验.

1　试验原料

1）水泥.选用吉林省白山市水泥厂旋窑生产的P.O 42.5水泥，28 d抗压强度为45.5MPa，化学成分检测结果见表1.由表1可知，各项指标均满足规范要求.

表1　水泥技术指标检测结果Tab.1　Technical index test results of cement

2）矿物外掺料.矿质外掺料包括3种，分别为长春市第二热电厂出产的粉煤灰（Ⅰ级）、通化钢铁厂生产的矿渣粉、辽宁鞍山意通微硅粉有限公司生产的硅灰.3种矿物掺合料主要性能指标检测结果见表2.

表2　矿物外掺合料主要性能指标检测结果Tab.2　M ainly physical and chem ical index test results ofm ineral adm ixture

3）粗集料.试验选用抚松玄武岩和石灰岩，最大粒径均为31.5mm的连续级配碎石.两种集料分别按照现行行业标准《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）中关于粗集料级配范围的相关规定进行处理，级配曲线采用级配范围中线.

4）细集料.细集料选用白山市政石场的石灰岩机制砂，技术指标检测结果见表3.

表3　机制砂技术指标检测结果Tab.3　Technical index test results ofmechanism sand

5）减水剂、水.减水剂选用沈阳伊利达公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%，拌和、养护用水均使用可直接饮用的深井水.

2　混凝土配合比

工程中对有抗冻要求的水泥混凝土几乎全部掺入矿物外掺料，本次对比试验也采用掺入矿物掺和料混凝土.试验选择了3种常用的矿物外掺料，包括I级粉煤灰、S105级矿渣粉、硅灰，配合比设计按照C50强度等级设计，采用统一水胶比、砂率、胶凝材料用量等主要配合比设计参数；3种矿物外掺料均采用内掺法，为减少试验量，掺入比例均选择工程中常用的比例，即粉煤灰15%、矿渣20%、硅灰7%.试件编号设置及配合比见表4.其中，试件编号第1个字母代表粗集料，S代表石灰岩，X代表玄武岩；第2个字母J代表机制砂；括号里JZ为纯水泥的基准试件，F为粉煤灰，K为矿渣，G为硅灰.

表4　试件编号及配合比Tab.4　Specimen number and m ixture ratio

3　抗冻试验

3.1试验依据及方法

混凝土抗冻试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验设计规程》（JTG E30—2005）规定的快冻法进行.试件规格为100mm×100mm×400mm的棱柱体，每组3根.除制备冻融试块外，另制备中心可插入热电偶电位差计测温的相同规格的标准试件，其抗冻性能高于冻融试件.试件成型后，用保鲜膜覆盖表面，在室温（20±5）℃，相对湿度大于50%的环境中放置1 d后拆模养护，养护温度为（20±2）℃、相对湿度在95%以上，龄期24 d.在25～28 d中，将试块静置在（20±2）℃的石灰水中浸泡，水面高出试件20mm以上，浸润4 d后进行冻融试验.

采用《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中“水泥混凝土动弹性模量试验方法（共振仪法）”对试件进行横向基频测量.

3.2结果及分析

3.2.1质量损失率

在混凝土冻融循环达到一定时期后，试件表面会产生剥落；达到一定的破坏程度后，混凝土容易产生内部骨料暴露.所以，质量损失率指标能够折射出混凝土内外的破坏程度［6］.质量损失率见表5，发展规律见图1.

表5　混凝土质量损失率Tab.5　The corresponding mass loss of concrete　Wn/%

由试验结果可知:不同配比的混凝土质量损失率都很小，但整体一直都呈上升趋势，表明混凝土表面剥蚀情况随着冻融时间的增长越来越严重.在相同胶凝材料、相同冻融循环次数下，石灰岩混凝土的质量损失率要稍小于玄武岩.因此，在一定情况下，石灰岩混凝土的抗冻性能优于玄武岩混凝土.

3.2.2相对动弹模量

相对动弹性模量是通过一定频率的力学作用使试件产生共振而得，能够反应混凝土内部开裂的细微状态，在水泥混凝土试验规程中是评价水泥混凝土抗冻性能的重要指标［7］.相对动弹模量见表6，对比情况见图2.

表6　混凝土相对动弹性模量Tab.6　Relative dynam ic elastic modulus of concrete　/%

由图2可以看出:不同矿物外掺料的混凝土由于冻融循环次数不断增加，都会出现相对动弹性模量逐渐降低的情况，在冻融循环100次以后变化显著，达到250次时，相对动弹模量下降幅度增加，说明相对动弹性模量在冻融循环试验初期时的影响程度较弱，后期较强，这也表明混凝土在冻融环境中内部损伤情况下降幅度越来越大.在相同胶凝材料、相同冻融循环次数下，玄武岩的相对动弹性模量都小于石灰岩混凝土的相对动弹性模量.因此，碱性矿料石灰岩混凝土的抗冻性能优于玄武岩混凝土.

4　结　论

1）在水胶比、砂率、胶凝材料用量一定的情况下，通过对比分析相对动弹性模量和质量损失率两项指标可知:含有碱性矿料石灰岩的混凝土抗冻性能优于玄武岩混凝土的抗冻性能.

2）常用集料中碱性矿料比中基性矿料混凝土的抗冻性能更好，应重视石料岩性对混凝土抗冻性能的影响，制定相应的施工标准，从集料岩性方面提高混凝土抗冻性能.

［1］任慧雯.高性能混凝土特性及耐久性研究［J］.城市建设理论研究（电子版），2015，5（1）.

［2］林政，林莺，李欢欢，等.C30普通混凝土高性能化技术途径的研究［C］//中国硅酸盐学会混凝土水泥制品分会高性能混凝土委员会，湖北省建协混凝土专业委员会，武汉市混凝土协会，等.第四届全国高性能混凝土学术研讨会.武汉:［出版者不详］，2002.

［3］L Basheer P A M，Basheer A E.Influence of coarse aggregate on the permeation durability and themicrostructure characteristics of ordinary portland cement concrete［J］.Construction and Building Materials，2005，19:682-690.

［4］陈国军.石料碱值测定方法浅析［J］.城市建设理论研究（电子版），2012（19）.

［5］唐明述，邓敏.碱集料反应研究的新进展［J］.建筑材料学报，2003，6（1）:1-8.

［6］李连志，于静波.混凝土抗盐冻性能的试验研究［J］.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2008，22（3）:14-17.

［7］缪昌文，刘加平，慕儒，等.混凝土抗除冰盐的剥落性能与机理研究［J］.公路，2001（12）:88-92.

【责任编辑：郭伟】

Alkaline and Basic Mine Materials in the Contrast Experimental Study on the Properties of Concrete Antifreeze

Li Xinyao1，Wang Xianli1，Shi Chenglin2，Zhao Shihui1
（1.Automobile and Civil Engineering College of Beihua University，Jilin 132013，China；2.Jilin Institute of Transportation Science，Changchun 130012，China）

Coarse aggregate as the important composition of concrete material，its quality is directly related to the various performance of concrete. This paper carried out the alkaline mineral aggregate in limestone （ ω（ SiO2 ） content of 1. 01％） and basic basalt mineral aggregate （ ω （ SiO2 ） content of 53. 5％） concrete antifreeze performance contrast test，the quality of the two types of specimen data loss rate and relative dynamic elastic modulus were analyzed，and the results showed that the alkaline mineral aggregate can improve the antifreeze performance of concrete，which is of great significance to solve the concrete frost resistance performance.

aggregate lithology； frost resistance durability； alkaline mineral aggregate； basic ore material

2014年中国科技核心期刊综合大学学报类核心总被引频次排序*

U414

A

1009-4822（2016）03-0397-05

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.03.027

2016-03-07

吉林省交通运输科技计划项目（2012-1-13）.

李鑫垚（1991-），男，硕士研究生，主要从事新型建筑材料研究，E-mail:183751068@qq.com；通信作者:王显利（1972-），男，博士，教授，主要从事功能型建材研究，E-mail:645389453@qq.com.