掺复合型掺和料水泥胶砂的冻融性能试验研究

□曾文学（河南水利建设投资有限公司）

□方 琳（华北水利水电学院研究生院）

水泥混凝土作为一种建筑材料自问世以来，迄今己有一百多年的历史，它是现代最重要的工程结构材料之一,随着大规模的生产,水泥消耗了大量的能源及石灰石、粘土等矿产资源，还排放了大量的污染物。而近年来大量研究表明，将工业废渣（如钢渣,粉煤灰等）作为水泥混凝土的矿物掺和料，不仅仅是在水泥混凝土生产中利用了工业废渣，减少了废渣引起的环境污染及土地占用，降低了混凝土的制造成本，减少了由于生产水泥造成的环境污染及能源、资源消耗，而且这些矿物掺和料能有效改善普通水泥混凝土的性能。

其中，抗冻性是水泥材料耐久性的最重要的指标之一，我国地域辽阔，有相当大的地区处于严寒地带，不少建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港口、道路桥梁等工程中的水泥混凝土结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程中的主要病害。本文研究矿物掺合料对水泥冻融性能的影响。

1.试验方法

1.1 试件的制作

1.1.1 按“水泥胶砂强度的试验方法”进行砂浆拌和及成型、养护40mm×40mm×160mm的砂浆试件。试验以3个试件为一组。

1.1.2 到达试验龄期的前3d，将试件放入20℃±3℃的水中浸泡，水深应没过试件顶面2cm以上。

1.1.3 将浸水完毕的试件擦去表面水分，称量，按“混凝土（砂浆）动弹性模量试验”测定纵向自振频率，并做必要的外观描述，作为评定抗冻性的起始值。

1.1.4 随即将试件装入四周及底垫有橡皮板的试件盒中，加入清水，使其没过试件顶面3～5mm。

1.1.5 将装有试件的盒子固定在试验箱内，按“混凝土抗冻性试验”进行冻融循环试验。

1.2 混凝土抗冻性试验

1.2.1 按“混凝土试件的成型与养护方法”成型和养护试件。试件以3个试件为一组。试验龄期如无特殊要求时一般为28d。到达试验龄期的前4d，将试件在20℃±3℃的水中浸泡4d（对于水中养护的试件，到达试验龄期时即可直接用于试验）。如果冻融介质为海水，试件在养护到期后，应风干48h后再浸泡海水48h。

1.2.2 将已浸泡的试件擦去表面水后，称初始质量，并按“混凝土（砂浆）动弹性模量试验”测量初始自振频率，作为评定抗冻性的起始值。同时做必要的外观描述和照相。

1.2.3 随即将试件装入试件盒中，按冻融介质要求注入淡（海）水，水面应浸没试件顶面20mm。

1.2.4 通常每做25次冻融循环就对试件检测一次，也可根据混凝土抗冻性的高低来确定检测的时间和次数。检测时，小心将试件从试件盒中取出，冲洗干净，擦去表面水分，称量和测定自振频率，并做必要的外观描述和照相。每次测试完毕后，应将试件掉头重新装入试件盒，注入淡（海）水，继续试验。在测试过程中，应防止试件失水，待测试件需用湿布覆盖。

表1 掺和料水泥胶砂冰融试验结果表

1.2.5 当有试件中止试验取出后，应另用试件填充空位，如无正式试件，可用废试件填充。

1.2.6 试验因故中断，应将试件在受冻状态下保存。

1.2.7 冻融试验出现以下3种情况者即可停止：

a.冻融至预订循环次数；

b.相对动弹性模量下降至初始值的60%；

c.质量损失率达到5%。

其中相对动弹性模量按式（1）计算；

式中：Pn—n次冻融循环试验后试件相对动弹性模量，%；

f0—试件冻融循环前的自振频率，Hz；

fn—试件冻融n次循环后的自振频率，Hz。

以3个试件试验结果的平均值作为测定值。当最大值或最小值之一，与中间值之差超过中间值的20%时，剔除此值，取其余两值的平均值作为测定值；当最大值和最小值均超过中间值的20%时，则取中间值作为测定值。

质量损失率按式（2）计算；

式中：Wn—n次冻融循环后质量损失率，%；

G0—冻融前的试件质量，g；

Gn—n次冻融循环后的试件质量，g。

以3个试件试验结果的平均值作为测定值。当3个值中，最大值或最小值超过中间值1%时，剔除此值，取其余两值的平均值作为测定值；当最大值与最小值与中间值之差均超过1%时，取中间值为测定值。

相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率达5%时，即可认为试件已达破坏，并以相应的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻等级。若冻融至预订的循环次数，而相对动弹性模量和质量损失率均未达到上述指标，可认为试验的混凝土抗冻性已满足设计要求。

2.冻融试验结果

根据以上的试验方法和配比，成型胶砂试件，得到不同掺和料水泥胶砂随试验进行而产生的质量损失和动弹模变化，并与纯水泥胶砂的冻融数据（质量损失和动弹模变化）进行对比，通过表1直观的体现。

从表1可以看出：

2.1 冻融至50次时，大掺量钢渣粉与粉煤灰，粉煤灰与硅灰的复合掺和料水泥胶砂质量损失都＞5%。

2.2 钢渣粉与硅灰复合、钢渣粉与粉煤灰复合取代量为15%、20%时，掺和料水泥胶砂表现出的抗冻性能较好，抗冻融循环次数在150次以上。粉煤灰和硅灰复合，在取代量40%时的抗冻性能也比较好，抗冻融循环次数在150次以上。

2.3 在适当的配合比例和取代量的情况下，掺和料水泥胶砂抗冻融循环次数能达到150次以上，因为超细粉料能够填充水泥颗粒空隙之中，形成结构致密的浆体，具有较高的耐久性能。

3.结论

通过试验与结果分析，研究了硅酸盐水泥在掺入钢渣粉、粉煤灰与硅灰的各种配比组合下水泥胶砂的抗冻融耐久性。其研究成果客观反映了硅酸盐水泥中掺入钢渣粉、粉煤灰与硅灰等活性掺和料后的相关性能，为开发“高强绿色混凝土”等课题的研究提供了参考。通过试验可知：（1）掺和料水泥胶砂试件的碳化深度都大于纯水泥胶砂试件的碳化深度。并且，随着复合掺和料取代量的增加，碳化深度越大；（2）双掺复合掺和料水泥胶砂抗碳化性能，各种材料在最大取代量，28d碳化时间而言，其抗碳化能力是：钢渣粉、硅灰复合＞粉煤灰、硅灰复合＞钢渣粉、粉煤灰复合；（3）对于指定的28d碳化深度，如20mm，掺钢渣粉、硅灰取代量可达40%；掺钢渣粉、粉煤灰取代量可达20%；掺粉煤灰、硅灰取代量可达40%。

[1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].中国铁道出版社.1999.

[2]雷进生,李奎明,刘章军.基于复合矿物掺和料的C30高性能混凝土强度试验研究.混凝土与水泥制品[J].2007,（1）.

[3]陈益民,张洪滔等.磨细钢渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥,2001,（5）.

[4]邱小明,吴金保.利用超细钢渣粉制备高性能混凝土的试验研究[J].江西建材,2002,（1）.