掺合料对再生混凝土抗冻性的评价分析

刘一哲 谢丹凤

（山东理工大学建筑工程学院，山东淄博 255000）

1 研究现状

我国西北部高海拔地区的建筑物等在冻融循环作用下发生结构的开裂，对结构的耐久性有重大影响。国内外有大量学者对再生混凝土的抗冻性进行研究，橡胶粉掺入再生混凝土可以提高混凝土和韧性[1]。Benazzouk等[2]发现橡胶颗粒和混凝土的界面连接处较弱界面更容易产生应力集中现象，导致强度降低。侯铁军[3]分析粉煤灰掺合量与对试件的质量损失规律、相对动弹模量的影响。吴安利等[4]发现，橡胶混凝土的峰值应力有强化效应，冲击性较好，改性溶液可以提高混凝土韧性，且不同橡胶颗粒对再生混凝土抗冻融性能有不同的影响。王怀义等[5]揭示了不同养护制度下，通过在低浓度的硫酸钠溶液进行冻融循环，分析了粉煤灰对混凝土冻融性质的影响。姜磊等[6-8]运用扫描电镜的方法研究混凝土的损伤劣化规律，将混凝土相对动弹性模量变化分为三个阶段，分析混凝土在1%Na2SO4、5%Na2SO4、5%MgSO4（质量分数）溶液的抗冻融能力。

张立群等[9]得出了引气剂及矿物掺合料的最优掺量，加入0.02%和0.03%的引气剂可以降低混凝土冻融后质量损失率，其强度得到大幅度提升。孙长征等[10]研究了水灰比、超细粉煤灰和矿粉复掺对混凝土质量损失率、动弹性模量损失率影响。杨耀恒[11]研究了硅粉的质量分数对抗冻性影响，对比了不同质量分数的矿粉对混凝土抗冻性的影响。本文对比上述等人研究结果，对比其掺和不同的矿物在冻融条件对再生混凝土抗压强度、质量损失与动弹模的影响，得出掺合料比例的合理区间，对后续试验具有研究价值。

2 不同掺合料对比分析

刘方等[1]用P.O42.5R级水泥配合混凝土，掺和密度为1.116 g/cm3的橡胶粉。对试样小梁进行强度与刚度的试验，橡胶混凝土的韧性也提高，抗裂性能有较大提升，橡胶混凝土有较大的吸收能量的性质，可以延迟试件的断裂。不同颗粒的橡胶粒可不同程度降低试件的弹性模量，降低收缩应力，延缓新裂缝产生。

侯铁军[3]对混凝土掺入不同比例粉煤灰，通过对混凝土试样进行冻融循环测试，分析了其弹性模量和质量损失的变化，确定了比较合适的粉煤灰掺和比例。对比数据，分析了掺和40%的粉煤灰的28 d试样相对动弹性模量和60 d试样相对动弹性模量，如图1所示。

图1 28 d养护与60 d养护相对动弹性模量

发现养护60 d试样的结构性能发生改善，养护60 d的混凝土试样在冻融循环下其相对动弹性模量降低趋势变慢，粉煤灰颗粒的水化反应改善了混凝土试件内部的密实程度，相比于28 d养护增加了试件的动弹模量，抗冻性能得到提高。

由于试样不断地进行冻融循环，其质量也不断损失，对比其40%的粉煤灰的28 d试样质量损失率和60 d试样质量损失率，如图2所示。

图2 28 d养护与60 d养护质量损失

粉煤灰掺量达到40%以上时混凝土质量损失率明显增大，其抗冻性能下降。加入粉煤灰会降低混凝土的抗冻性，其质量损失率会下降，但是养护60 d的试样比28 d的试样质量损失率略有降低。

姜磊等[6-8]分析硫酸盐与冻融环境下混凝土力学性能，得到了冻融循环作用下的混凝土力学性能规律和损伤破坏准则。硫酸盐渗入混凝土内部进行化学反应生成石膏，石膏晶体也随之析出，镁离子降低了混凝土的黏结能力，MgSO4溶液作用比Na2SO4溶液作用更严重。

姜磊等的试验结果如表1和表2所示。

表1 在MgSO4和Na2SO4环境下峰值应力

表2 在MgSO4和Na2SO4环境下弹性模量

Na2SO4溶液环境中在不同冻融循环作用下的峰值强度比MgSO4的峰值强度高.在冻融循环作用下二者的强度都hui 随着冻融次数而下降，但Na2SO4溶液环境抗冻性能比MgSO4强，其弹性模量降低幅度也比MgSO4慢。

镁离子还能水化产物发生反应物没有胶结能力，其裂缝发展快，混凝土被侵蚀作用后的孔隙较多，硫酸镁溶液的作用更为明显。建立的硫酸盐冻融破坏准则明确解释了冻融循环作用下的损伤机制，对硫酸盐盐融冻融侵蚀作用进行了相应的解释。

3 研究展望

（1）在后续的研究中除了可以加入不同的掺合料，还可以向智能混凝土方向发展，可以随时监控由于冻融循环损伤造成的裂缝。部分混凝土具有电感性质，比如碳纤维混凝土使得材料的导电性能发生显著变化，可以对混凝土变形性能进行监控，有效地防治混凝土发生破坏，提供了既有较好指向性的预兆。混凝土得材料中加入利于骨架修复的化合物，使得混凝土在发生开裂的情况下能发生愈合，改善了混凝土的变形，对混凝土的受力具有较大影响。

（2）部分纤维的作用也可以改善混凝土的性能，纤维混凝土的抗裂性能取决于添加纤维的密度和数量，纤维材料热稳性对比普通混凝土性能有所提高。传统纤维混凝土通常添加钢纤维，钢纤维混凝土的耐久性不良。纤维混凝土多采用混杂纤维，即将不同类型和尺寸的纤维与混凝土混杂，改善纤维混凝土的欠缺之处。

（3）自密实混凝土的变形模量与普通混凝土的变形模量差异较小，但自密实混凝土的纤维黏结能力比普通混凝土良好，自密实混凝土脆性也比普通混凝土差。自密实混凝土中含有大量的胶凝材料，抗冻性能良好，可以抵抗恶劣环境的变化。自密实混凝土的体积安定性较好，与普通混凝土相比，自密实混凝土收缩较小，通过合理的配合比设计，可以有效提高混凝土的体积安定性。

（4）环保、节能也被人们所关注，如何高效利用掺合料、充分发挥材料性能，是后续需要重点考虑的问题。绿色混凝土也是碳中和背景下的新的发展前景。绿色混凝土应利用生产废料作为掺料，减少污染。

4 结语

不同的掺合料对于再生混凝土的性能具有不同限度的影响。高原地区的冻融和盐融作用明显，本文在分析其他学者研究的基础上，为混凝土的抗冻性之后的试验研究提供了一种思路。针对不同的掺合料对强度、质量损失和相对弹性模量进行对比，考虑了不同的养护情况对性质的影响，具有较大的参考价值。