掺硫酸钠对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性能的影响

谢 龙 ，姚永新（. 温州市瓯飞经济开发投资有限公司，浙江 温州 35000；. 浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 3000)

用粉煤灰等量取代水泥而制成混凝土，前期水化速度缓慢，水化产物较少，毛细孔偏多，强度很低。因此对于养护龄期较短的混凝土受冻时，混凝土易冻坏。龄期的增加使得粉煤灰中的活性物质二次水化反应持续进行，生成较多具有一定胶凝性物质，混凝土密实度和混凝土强度都会得到很大提高，养护时间很长的粉煤灰混凝土抗冻性不低于基准混凝土。

现有研究表明单掺硫酸盐激发剂对粉煤灰混凝土激发效果有限，本文将混凝土中粉煤灰掺量提高到 60%，目的是突出硫酸钠对粉煤灰混凝土的激发作用。

1 试 验

1.1 试验原材料

水泥：P·O 42.5 海螺牌水泥；粉煤灰：Ⅱ 级粉煤灰，45 μm 筛的筛余为 14.8%，需水量比为 98.6%，烧失量为5.79%，其化学成分见表1；粗集料：连续级配辉绿岩碎石，粒径为 5～20 mm；细集料：天然细集料， 选用细度模数为 2.8 的河砂，属于细砂；激发剂：硫酸钠为市售，分析纯；水：饮用水。

表1 粉煤灰的化学成分 %

1.2 试验配合比

本次试验参照 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计， 粉煤灰混凝土强度等级 C 25，水灰比为 0.55，砂率为 35%。试验中采用的各组材料配合比见表2。试验采用单掺硫酸钠工况进行，单掺硫酸钠时，硫酸钠等量取代粉煤灰用量按 0、1%、2.5% 和 5% 计算。

表2 粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

1.3 试件制作与试验方法

根据 GB/T 50081— 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和 GBJ 82— 1985《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》，用于测定相对动弹性模量的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，按照规定方法成型好所需尺寸的试件，各种配合比都需成型 2 个 100 mm×100 mm×400 mm 的试块用于相对动弹性模量的测定。

本冻融试验方法是按照 GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻性能试验的“快冻法”进行的。试验设备是由无锡市华南实验仪器有限公司制造的 DR-2 C 型混凝土快速冻融试验箱 。

试验前需将采用同一配合比的 2 个100 mm×10 mm×400 mm 棱柱体试件从养护池中取出，用抹布轻轻地擦去试件表面水，用动弹仪测量其横向基频，取 2 个试块的平均值作为初始值。再将试件放进方形橡胶筒内，并向筒内注水确保筒内水面高出冻融液面高度 5 mm 左右。将橡胶筒放进试验箱中进行冻融，每次冻融循环一次历时 3～4 h，试件中心温度分别控制在（-17 ± 2）℃ 和（8 ± 2）℃。冻融 15 次后，将试件取出，用抹布擦去其表面水分并等其晾干后，再次用动弹仪测量其质量和横向基频。测量完毕后迅速将试件放进橡胶筒内注水后继续冻融，重复上述步骤直至测出 30 次和 45 次的试验数据。横向基频测试采用共振法混凝土动弹性模量测定仪，其基本原理如图1。

图1 共振法混凝土动弹性模量测定基本原理图

粉煤灰混凝土试件的相对动弹性模量可按式（1）计算：

式中：p——经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量；

fn——N次冻融循环后试件的横向基频/Hz；

fo——冻融循环前试件的横向基频初始值/Hz。

2 试验结果及分析

硫酸钠等量取代粉煤灰率为 0、1%、2.5%、5% 的粉煤灰混凝土经过 15 次、30 次、45 次冻融循环后的相对冻弹性模量的试验值见表3～5。

表3 冻融循环 15 次的相对动弹测试结果

表4 冻融循环 30 次的相对动弹测试结果

表5 冻融循环 45 次的相对动弹测试结果

根据表3～5 所示数据，可以绘出冻融循环次数与粉煤灰混凝土相对动弹性模量之间的关系曲线（见图2） 和硫酸钠掺量与粉煤灰混凝土相对动弹性模量之间的关系曲线（见图3）。

图2 冻融循环次数与粉煤灰混凝土相对动弹性模量之间的关系

图2 表明，无论硫酸钠掺量如何变化，粉煤灰混凝土试件相对动弹性模量均随着冻融次数的增加先增大后减小。冻融循环超过 15 次后，粉煤灰混凝土的相对弹性模量随着冻融次数的继续增加下降幅度较明显。在冻融初期，同一硫酸钠掺量粉煤灰混凝土相对动弹性模量随冻融次数增加略有增大，这可能是由于粉煤灰混凝土孔隙中充满结晶水使之密实缘故；随着冻融循环的继续，破坏了粉煤灰混凝土的内部构造，相对动弹性模量降低。

图3 硫酸钠掺量与粉煤灰混凝土相对动弹性模量之间的关系曲线

图3 为粉煤灰混凝土试件冻融循环 15 次、30 次和 45次的相对动弹性模量随硫酸钠取代率的变化的曲线。从图中可以看出，硫酸钠以取代比率分别为 0、1%、2.5% 和 5%等量取代粉煤灰，粉煤灰混凝土试件冻融循环 15 次、30 次和 45 次，其相对动弹性模量随硫酸钠掺量的变化大体上一致，都呈逐渐增大的趋势，且随掺量的增大其相对动弹性模量增幅略微减小，硫酸钠掺量为 5% 时最大。

粉煤灰混凝土的抗冻融性能跟其内部孔隙结构紧密相关。单掺硫酸盐激发剂对粉煤灰混凝土激发效果有限，粉煤灰混凝土试件的密实度未得到明显提高，表现为粉煤灰混凝土试件抗冻融性能增强有限，相对动弹性模量略微增大。

3 结 语

（1）单掺硫酸钠等质量取代粉煤灰，无论硫酸钠掺量如何变化，粉煤灰混凝土试件相对动弹性模量均随着冻融次数的增加先增大后减小。冻融循环超过 15 次后，粉煤灰混凝土的相对弹性模量随着冻融次数的继续进行下降明显。

（2）硫酸钠以取代比率分别为 0、1%、2.5% 和 5%等量取代粉煤灰，粉煤灰混凝土试件冻融循环 15 次、30 次和 45 次，其对应的相对动弹性模量的变化趋势大体上与硫酸钠掺量的变化一致，相对动弹性模量在掺量为 5% 时最大。