普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性能的试验研究

槐衍廷，张琦，刘培源

（山东华森建材集团有限公司，山东 济南 250101）

0 前言

混凝土结构是土木工程领域应用最为广泛的结构形式。众所周知，钢筋混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料，然而，在使用荷载和环境等因素作用下，仍然存在材料老化、腐蚀，以及由此引起的结构性能劣化等问题[1-3]。在一般大气环境条件下，混凝土碳化是钢筋锈蚀的重要前提。钢筋不断地锈蚀促使混凝土保护层开裂，产生沿筋裂缝和剥落，进而导致粘结力减小、钢筋受力面积减小、结构耐久性和承载力降低等一系列不良后果。因此，进行混凝土抗冻研究，无论是对既有建筑物的耐久性评定、维修加固还是对建筑物的耐久性设计均有重要意义[4-6]。

本文主要研究了普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性随水灰比、标准养护龄期、粉煤灰掺量的变化规律，砂为机制砂。

1 原材料、试验方法、试验方案设计

1.1 原材料

水泥：山东济南平阴山水水泥集团 P·O42.5 水泥；粉煤灰：山东济南黄台电厂 Ⅱ 级粉煤灰；砂：济南市郊机制砂，细度模数 3.10，石粉含量 12.2%，级配良好；石子：济南市郊 5～25mm 连续级配碎石，级配良好；外加剂：天津市飞龙砼外加剂公司聚羧酸系高性能减水剂。水泥和粉煤灰的化学成分见表 1。

表 1 普通硅酸盐水泥和粉煤灰的化学成分分析 %

1.2 试验方法

本试验按照 DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中的快冻法测定混凝土的 25N 次（N 为整数）后试样的相对动弹性模量和质量损失。

1.2.1 试样制备

本试验采用 100mm×100mm×400mm 试模。试样以 3 个为一组，成型后，养护 24h 脱模，并送入标准养护室（温度 (20±3)℃，相对湿度≥95%）进行标准养护，养护至标准龄期的前 4d，把试样放入水中养护4d，然后进行测试。

1.2.2 测试方法

把试样从水中取出后，用干抹布把试样表面擦拭干净，测量其初始动弹性模量和原始质量，放入快速冻融箱里进行冻融循环，然后每隔 25 次冻融循环测量一下动弹性模量和质量；当遇到以下情况之一时即可停止试验：（1）冻融至预定的循环次数，即 300 次；（2）相对动弹性模量下降至初始值的 60%；（3）质量损失率达 5%。

1.3 试验方案设计

本试验分三种方案进行，各组混凝土配合比见表 2。第 1 种方案为水灰比分别为 0.50、0.45、0.40、0.35、0.30，粉煤灰掺量都为 20%，试件标准养护龄期为 28d，试验序号为 A；第 2 种方案为无粉煤灰、10%、20%、30%、40%、50% 和 60% 的粉煤灰，水灰比都为 0.40，试件标准养护龄期为 28d，试验序号为B；第 3 种方案为不同标准养护龄期 7d、14d、28d 和56d，粉煤灰掺量为 30%，试验序号为 C。

表 2 普通硅酸盐水泥基混凝土配合比

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对混凝土抗冻性影响的试验结果

表 3 为水灰比对普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性能影响的试验结果。

从表 3 中可以看出：普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻融循环次数随着水灰比的增大而逐渐减少，即水灰比越大抗冻融循环次数越小，抗冻性能越差，如水灰比为0.50 的 A1 试样 50 次就被冻坏，而水灰比为 0.30 的 A5试样抗冻融循环次数可达 150 次。从表 3 中还可以看出：随着冻融循环次数的增加，普通硅酸盐水泥基混凝土的相对动弹性模量逐渐减小；而其质量损失先增加后减少，但至试样冻坏其质量损失都不是很大。这是由于水灰比越大，混凝土中的大孔变多，小孔变少，结构的均匀性变差，即内部结构致密性变差。因此，普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性随着水灰比的增加逐渐降低。

表 3 水灰比对混凝土抗冻性能的影响 %

2.2 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性影响的试验结果

表 4 为粉煤灰掺量对普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性能影响的试验结果。

从表 4 中可以看出：在普通硅酸盐水泥基混凝土中，加入粉煤灰后，混凝土的抗冻性能得到改善，且随着粉煤灰掺量的不断增加，其普通硅酸盐水泥混凝土抗冻性先增加而后下降；不加粉煤灰的空白样 B1 的抗冻性只有 50 次冻融循环，随着粉煤灰掺量的增加，其普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性提高，当粉煤灰掺量为30% 时，其抗冻性才达 175 次冻融循环（最佳效果）；但是，当掺合料掺量超过 30% 后，其抗冻性逐渐下降。从表 4 中还可以看出：不论粉煤灰掺量多少，其质量损失变化不大，都能满足要求，但其相对动弹性模量将发生很大变化。

2.3 试验养护龄期对混凝土抗冻性影响的试验结果

表 5 为标准养护龄期对普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻性能影响的试验结果。

从表 5 中可以看出：随着标准养护龄期的延长，混凝土的抗冻性逐渐提高；当试样标准养护龄期为 7d时（C1 试样），其普通硅酸盐水泥基混凝土抗冻循环次数可达 100 次，当标准养护龄期为 56d 时（C4 试样），混凝土抗冻循环次数可达 225 次。这是由于标准养护龄期越长，水泥矿物水化越充分，水化产物越多，水化产物之间的连接越致密，内部连通孔变少，内部结构更加密实，因而混凝土抗冻性能提高。

3 结论

表 4 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响

表 5 标准养护龄期对混凝土抗冻性能的影响

（1）随着水灰比的降低，其普通硅酸盐水泥基混凝土的抗冻性能逐渐提高。

（2）粉煤灰的加入，可使普通硅酸盐水泥基混凝土的抗冻性能提高，且存在最佳掺量（30%）。

（3）随着标准养护龄期的延长，其普通硅酸盐水泥基混凝土的抗冻性能提高。