矿渣微粉掺粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响试验研究

李根生，于青松，张余涛，田海军

（河北省南运河河务管理处，河北 沧州 061001）

水工材料

矿渣微粉掺粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响试验研究

李根生，于青松，张余涛，田海军

（河北省南运河河务管理处，河北 沧州 061001）

受海水腐蚀影响的混凝土冻融破坏的安全因素有：碳化、盐类深入引起的钢筋锈蚀、冻融破坏、溶融作用、盐类侵蚀作用，碱—集料反应，冲击磨损的机械破坏作用。其中，钢筋锈蚀的作用是氯离子渗透引起的，因此，提高混凝土自身的密实性和抗冻性是保证结构耐久性的一种有效的措施。该文依据矿渣微粉对水泥基材料抗冻性能的影响，对单掺矿渣微粉混凝土及复掺矿渣微粉和粉煤灰混凝土的抗冻性进行了试验研究。

水泥基材料；矿渣微粉；复掺粉煤灰；抗冻性；实验研究

抗冻性是水泥基材料耐久性的最重要指标之一。水泥基材料抗冻耐久性是指在潮湿环境中，经过多次冻融循环仍保持其使用性能的能力，是影响水泥基材料使用寿命与服务质量的重要因素。由于冻害发生的范围极其广泛及对水泥基材料耐久性的影响十分严重，已引起了国内外学者的广泛关注。因此，研究矿渣微粉对水泥基材料抗冻性能的影响十分必要。

1 冻融破坏机理

水泥基材料的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。一般认为，冻融破坏主要是在某一冻结温度下，水结冰产生体积膨胀，过冷水发生迁移，引起各种压力，当压力超过混凝土承受的应力时，混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐扩大、扩展并互相连通，使得强度逐渐降低，造成混凝土破坏。

冻融破坏理论主要有静水压力经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等，其中静水压理论最具有代表性。目前公认程度较高的是美国学者T.C.Powers提出的膨胀压理论和渗透压理论，他认为吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要有膨胀压力和渗透压力。

冯乃谦提到在分析混凝土冻害机理时，必须注意结冰后一部分水泥石膨胀，而另一部分水泥石由于水化硅酸钙凝胶失水而产生收缩，要考虑这两部分的叠加作用。还有人提出温度应力，这一假说主要是针对高强或高性能混凝土冻融破坏现象提出的。该假说认为高强或高性能混凝土冻融破坏主要是因为集料与胶凝材料之间热膨胀系数相差较大，在温度变化过程中变形量相差较大，从而产生温度疲劳应力破坏。

2 冻融破坏的影响因素

2.1 孔结构对冻融破坏的影响

吴中伟教授曾提出了孔结构理论，认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部微孔结构有关，他把孔分为四级：r<20μm 为无害孔，20≤r<50μm 为少害孔，50≤r<200μm为有害孔，r>200μm为多害孔，对混凝土冻融破坏影响较大的为>100μm的孔。孔结构之所以与冻融破坏有密切的联系主要体现在孔中的水在冻融循环过程中的作用。一般来说，孔隙率越大，相对含水量越多，则可冻水量也就越多。

水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增大，不仅含有可冻水的开孔体积增加，而且平均孔径也增大，因而混凝土的抗冻性必然降低。

严寒地区混凝土工程一般要求使用引气剂改善内部结构，增强其抗冻性。随着土木工程材料研究的不断深入，人们发现引气剂提高混凝土抗冻性的效果取决于混凝土气泡参数，即气泡尺寸、数量及分布等。

2.2 饱水度

水是造成混凝土受冻破坏的主要原因，混凝土中水的存在形式是由混凝土的孔隙结构决定的。水在混凝土中基本上呈3种方式存在：化学结合水，物理吸附水和自由水。

2.3 含气量及环境条件

含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素，特别是加入引气剂形成的微细气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要。这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减少，起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。每种混凝土拌合物都有一个可防止其受冻的最小含气量。

环境条件主要指混凝土所处环境的最低冻结温度、降温速率、冻结龄期等条件。冻结温度越低，破坏越严重。降温速率对混凝土的冻融破坏也有一定影响，且随着冻融速率的提高，冻融破坏力加大，混凝土也容易破坏。

3 试验研究

3.1 试验材料

试验所用的水泥和矿渣微粉、粉煤灰、砂子为大河中砂，石子为1~3mm的碎石。

混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 单位：kg

3.2 试验方法及试验过程

本次试验主要是对水泥混凝土养护28d时，在冻融循环条件下其质量与动弹模量的变化规律进行研究，并研究冻融循环对其电阻率的影响规律。实验仪器有：快速冻融试验箱、混凝土动弹仪和电阻率测定仪。快速冻融循环试验（试验过程略）；动弹模量测定。测定混凝土动弹模量，设备输出频率为100～2000Hz，输出功率激励混凝土试件，以便根据共振原理定出混凝土基频振动频率。

3.3 试验结果与讨论

根据GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》测量混凝土试件的相对动弹模量及电阻率。

图1～图4给出了普通混凝土及掺入矿渣微粉与粉煤灰后混凝土在不同冻融循环周期时外观的变化情况。

（1）受冻融破坏的混凝土外观变化如图1～图4所示。

图1 普通混凝土在不同冻融过程时的外观

图2 矿渣微粉掺量50%的混凝土在不同冻融过程时的外观

图3 复掺50%矿渣微粉与10%粉煤灰的混凝土在不同冻融过程时的外观

图4 复掺50%矿渣微粉与20%粉煤灰的混凝土在不同冻融过程时的外观

由图1～图4可以看出，受冻融破坏的混凝土试件，随着冻融循环次数的增加，试件外观将发生明显变化。未遭受冻融破坏的试件表面平整光滑，经过冻融破坏后，表面沙砾开始脱落，试件表面变得粗糙；随冻融次数越多，剥蚀现象越严重，粗骨料露出试件表面并脱落，最终试件表面将产生微裂缝，将导致试件断裂破坏。

（2）根据混凝土冻融循环试验方法，试验中测定的不同冻融循环周期时混凝土试件的质量损失率，其变化规律如图5。

图5 冻融循环过程混凝土试件的质量损失率

由图5可得，单掺50%矿渣微粉的水泥混凝土能经受冻融循环次数最多，即其抗冻性能最好；当掺量50%的矿渣微粉水泥混凝土复掺粉煤灰时，粉煤灰掺量越多，其抗冻性越差，当粉煤灰掺量在10%时抗冻性最好。

（3）在冻融循环过程中，利用混凝土动弹模量测定仪测试水泥混凝土试件的动弹模量。测试试件弹性模量与相对动弹模量随冻融循环次数增加的变化规律如图6~图7所示。

图6 混凝土弹性模量与冻融循环次数的关系

图7 相对动弹模量与冻融循环次数的关系

由图6中还可得到，单掺50%矿渣微粉和复掺50%矿渣微粉10%粉煤灰的水泥混凝土的弹性模量，在125次冻融循环后变化规律相似，且在200次冻融循环后单掺50%矿渣微粉的水泥混凝土弹性模量较大，说明单掺50%矿渣微粉的水泥混凝土抗冻性较好；复掺粉煤灰后，掺量较少时，水泥混凝土的抗冻性较好。

由图7可以看出，普通水泥混凝土、复掺50%矿渣微粉与20%粉煤灰的水泥混凝土在125次冻融循环后，其相对动弹模量降低最为显著，接近0.6。当混凝土相对动弹模量降低到0.6时，混凝土即可认为破坏。因此，经过125次冻融循环后普通水泥混凝土、复掺50%矿渣微粉与20%粉煤灰水泥混凝土接近破坏；单掺50%矿渣微粉、复掺50%矿渣微粉与10%粉煤灰水泥混凝土在200次冻融循环后，其相对动弹模量为0.74，均尚未达到破坏状态。

（4）冻融破坏对水泥混凝土电阻率的影响。混凝土电阻率作为一个电学参数，反应单位长度混凝土阻碍电流通过的能力，用于表征混凝土的结构与性能。

水泥混凝土电阻率与冻融循环次数的关系如图8所示。

图8 水泥混凝土电阻率与冻融循环次数的关系

由图8可以看出，在进行冻融循环试验前，掺加矿渣微粉与粉煤灰的水泥混凝土电阻率较普通水泥混凝土得到显著提高，其中复掺50%矿渣微粉与20%粉煤灰的水泥混凝土提高最多；普通水泥混凝土和单掺50%矿渣微粉的水泥混凝土电阻率随冻融循环次数的增加逐渐降低，但降低幅度较小；复掺矿渣微粉与粉煤灰的水泥混凝土电阻率随冻融循环次数的增加大幅度降低，其中复掺50%矿渣微粉与20%粉煤灰水泥混凝土电阻率减小最大；冻融循环150次后单掺50%矿渣微粉水泥混凝土电阻率最大。

综上所述，矿渣微粉及粉煤灰能够提高混凝土的抗冻性能，其主要作用机理可以归纳为：①混凝土体系作为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙由水泥颗粒填充，水泥颗粒之间间隙则由更细的颗粒来填充；②矿渣微粉粒径在10μm左右，可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，使混凝土形成细观层次的自紧密体系，孔隙率低于基准试样，避免形成连通的毛细孔；③矿渣微粉的掺入使得C-S-H凝胶体与凝胶孔的数量显著增加，减少了结冻孔数目，缓解了产生结冰水压的来源，故能改善混凝土的抗冻性能；④混凝土中毛细孔自身难以达到临界含水量，其饱水程度主要取决于水泥石的密实度与抗渗性。总之，单掺矿渣微粉或复掺矿渣微粉与粉煤灰可明显提高水泥基材料的抗渗性。因此，掺加矿渣微粉与粉煤灰能够改善混凝土的抗冻性能。

4 结语

利用快速冻融循环试验，研究了矿渣微粉混凝土及复掺矿渣微粉与粉煤灰混凝土的抗冻性能，得到了矿物掺合料混凝土的质量损失、相对动弹模量及电阻率随冻融循环作用的变化规律，主要得到以下结论：

（1）随冻融循环次数的增多，不同水泥混凝土试件的质量损失率逐渐增大。单掺50%矿渣微粉水泥混凝土质量损失率最小，经历125次循环矿渣微粉混凝土质量损失率较普通混凝土降低63.54%；复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土质量损失率最小，经历125次冻融循环后复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰混凝土质量损失率较普通混凝土降低69.06%。

（2）随冻融循环次数的增加，不同水泥混凝土试件相对动弹模量逐渐减小。其中单掺50%矿渣微粉、复掺50%矿渣微粉10%粉煤灰水泥混凝土经历200次冻融循环后相对动弹模量为73.9%，73.44%，仍未达破坏状态，当125次循环时，单掺50%矿渣微粉、复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土相对动弹模量较普通混凝土提高23.72%，28.69%。

（3）单掺大量矿渣微粉能够提高水泥混凝土的抗冻性能；复掺矿渣微粉和粉煤灰时，粉煤灰掺量较少时，能够改善水泥混凝土的抗冻性能。

（4）矿物掺合料能够显著提高水泥混凝土的电阻率，降低混凝土的导电性，提高钢筋混凝土抗电腐蚀特性，阻碍了钢筋的锈蚀破坏。其中单掺50%矿渣微粉混凝土电阻率较普通混凝土提高2.04倍；复掺矿渣微粉与20%粉煤灰混凝土电阻率较普通混凝土提高5.5倍。

（5）冻融作用下混凝土电阻率随冻融循环次数增加逐渐减小，单掺50%矿渣微粉水泥混凝土减小趋势较为平缓，冻融循环150次后电阻率最大，阻碍钢筋锈蚀性能最为显著；经历125次冻融循环后，单掺50%矿渣微粉混凝土电阻率较普通混土提高3.5倍，复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰混凝土电阻率较普通混土提高3.9倍。

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Experimental Research of the Influence of GGBS Mixing Fly Ash on Frost Resistance of Concrete

LI Gen-sheng，YU Qing-song，ZHANG Yu-tao,TIAN Hai-jun
（Nanyun River Administration of Hebei Province,Cangzhou 061001，China）

The concrete freeze-thaw damage is influenced by sea water corrosion,and the factors of concrete freeze-thaw damage including:carbonation,the concrete corrosion by the salts penetrated,freeze-thaw damage,melt function,salts erosion effect,Alkaline-Aggregate Reaction and impact wear mechanical damage effect.Among them,the chloridion penetration caused the concrete corrosion.Therefore,improving the concrete self-tightness and freeze resistance is an effective measure to guarantee the structure durability.According to the effect of GGBS on the frost resistance of concrete base material,the frost resistance of single GGBS concrete and double mixing slag powder and fly ash concrete was studied.

cement base material； GGBS； double mixing fly ash； frost resistance； experimental research

TV42+3

B

1672-9900（2014）04-0001-05

2014-03-26

河北省水利科研与推广计划（2011118）

李根生（1955-），男（汉族），河北沧州人，教授级高级工程师，主要从事工程设计与管理研究，（Tel）15303177188。