粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的试验研究

江西铁建工程检测有限公司，江西 南昌 330002

0 引言

混凝土是一个充满孔隙结构的多相复合材料，这些孔隙的产生主要是由于混凝土中游离水分的蒸发、水泥水化过程产生收缩等多种原因造成的。在冻融作用下，孔隙中的自由水受冻而产生体积膨胀，从而混凝土结构内部产生膨胀力，破坏水化产物的微结构，受热后又从固态的冰转变成液态的水。在这种冻融往复循环的长期作用下，造成了水泥石结构的内部破坏，从而使混凝土结构失去作用。通常认为，水泥石强度越高抵抗冻融破坏的能力也越强，同时，水胶比及粉煤灰掺量对抗冻融的能力影响也很大［1］。

抗冻耐久性是混凝土耐久性能力的一个方面，国外评价抗冻耐久性的方法基本一致。北美地区以美国的ASTM666-86 和ASMC671-86 为代表，欧洲以RILEMTC4 -CDCI-77 为代表。我国则在《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2001）中对抗冻耐久性的试验及评价方法进行了详细的规定。这些试验方法基本上可分为快冻法与慢冻法两种。一般在国内除有特别说明均使用快冻法。本试验亦使用规程规定的快冻法。除抗冻试验外，其它试验亦按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2001）及《水工碾压混凝土试验规程》（SL 48-94）标准执行。

1 试验情况

1.1 原材料

（1）采用都江堰拉法基水泥生产的P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，其化学成分如表1；

（2）细集料为河砂，该砂细度模数Mx为2.4，属于II区中砂，级配合格。

（3）粗集料为碎石，石子粒径为5～20mm，级配良好，含泥量＜1.0%

（4）粉煤灰：采用眉山市华庆建材科技有限公司生产的粉煤灰，其化学成分如表1；

（5）减水剂：采用四川金江建材科技有限公司JS-N 型聚羧酸减水剂，掺量1.0%，减水率26.3%。

1.2 试验方法及仪器

试验配比及性能如表1。试验尺寸为 100 ×100 ×400mm，每组成型三块试件，成型24h 后脱模，试件经标准养护28d 后，再在水中浸泡4d，然后进行抗冻试验；试验采用快速冻融法，按照GB/T 50082-2009 中的“快冻法”进行，试验设备采用TDRI 型全自动快速冻融机，每天6～8 个循环，每隔25 次冻融循环后测定一次动弹模量与重量，相对动弹模量用共振法测定。

表1 原料化学成分表 %

2 试验与分析

2.1 粉煤灰掺量对碾压混凝土抗冻耐久性的影响

表2 试验配合比（水胶比0.45）

本试验是在保持水胶比不变，调整粉煤灰掺量，与此同时也调整引气剂用量，使含气量控制在4%～5%之间，VC 值控制在4～5s 的条件下，根据粉煤灰掺量适当调整砂率，以保持混凝土的和易性。试验配合比见表2、试验效果见表3，表4 与图1。

表3 粉煤灰掺量对抗冻性能的影响

表4 粉煤灰掺量对抗冻性能的影响

试验结果表明，当水胶比不变，VC 值为4～5s，含气量控制在4%-5%时，随着粉煤灰掺量的减少，抗冻指数大幅提高。在0.45 水胶比条件下，粉煤灰掺量在50%以下时，抗冻融指数达到70%，可以达到碾压混凝土300 次冻融的要求。

图1 FA 掺量对抗冻性能的影响

试验结果表明：在保持含气量为4%～5%，VC 值4～5s，粉煤灰掺量50%的条件下，其随着水胶比的增大，抗冻融耐久性下降，在实际工程应用时，若要满足300 次抗冻融的设计要求，则必须使水胶比小于0.50。

图2 水胶比和抗冻指数之间的关系

2.2 粉煤灰混凝土的抗冻机理分析

2.2.1 粉煤灰对混凝土孔结构的影响

据 T.C.Powers 测定和计算，完全水化的水泥结合水量占水泥质量的0 .227，使水泥完全水化并具有最低毛细孔隙率的水灰比为0 .437［2］，随着水化的进行，水化产物增多，自由水相应减少，但混凝土中的水泥不可能达到完全水化的程度，水泥浆体由水化物、未水化颗粒、水和毛细孔组成。当水灰比过低时，混凝土内部必然存在大量未水化胶凝材料；采用粉煤灰部分代替水泥后，一方面，由于水泥用量减少，Ca（OH）2的生成量也随之减少，随着粉煤灰的二次水化，增加C-S-H 凝胶和AFt，减少了结晶Ca（OH）2的数量和尺寸，降低了水泥石与骨料界面过渡层的孔隙率；另一方面，当细微的粉煤灰颗粒均匀分散到水泥浆体中时，会成为部分水化物沉积的核心，随着水化的继续进行，这些细微颗粒及其新的水化产物填充水泥石中的孔隙，混凝土的孔结构得到了改善；同时一部分空心玻璃球体引入砼中，这些硬质空心玻璃体的直径比毛细孔更大，会切断毛细孔渗水的通道，提高了混凝土抗渗性和抗冻性。

2.2.2 引气剂的效能及作用机理

一般通过在混凝土中掺入引气剂可引人一定量的微小气泡来改善混凝土的抗冻性能，这些微小气泡的直径一般都小于200μm，可切断毛细作用的通道，大大降低毛细作用而提高抗渗性。

在相同引气剂掺量下，随着粉煤灰的掺量的增加，混凝土中的含气量呈下降趋势。一般来说，粉煤灰中细微碳粒将可能吸附引气剂引入的微小气泡，砼中有效含气量从而降低；在相同水胶比下，由于随着粉煤灰掺量的增大，水泥浆体总量增大，从而降低了单位体积内引气剂的有效含量，同时也降低了新拌砼中的含气量，从而影响混凝土的抗冻性能。

3 结论

（1）小水胶比原则，水胶比是对碾压混凝土抗冻耐久性影响最大，而且又相对独立的因素，可靠性高，高抗冻性碾压混凝土的水胶比不宜大于0.50。

（2）优质I 级粉煤灰及其掺量控制原则，从耐久性分析，粉煤灰掺量应该合理适量，而其他性能（施工和易性、温控要求等）要求多掺粉煤灰。因此，只能在多因素下考虑平衡，选取适当的粉煤灰掺量。多组试验结果表明，使用优质I 级粉煤灰，其掺量不宜大于50%。