粉煤灰对混凝土抗冻临界强度的影响研究

陈树新

摘      要： 为研究粉煤灰对混凝土抗冻临界强度的影响规律，制备了不同预养护时间、抗冻温度粉煤灰掺量的混凝土试验样品，测试其抗冻4 d后60 d抗压强度，分析了粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响规律，找出了不同粉煤灰掺量混凝土的抗冻临界强度。研究结果表明：粉煤灰混凝土的60d抗压强度随抗冻温度的降低而减小;混凝土保证最终强度的预养护时间随粉煤灰掺量的增大而增长;粉煤灰混凝土的抗冻临界强度随受冻温度的减低而增大。

关  键  词：粉煤灰;混凝土;抗冻临界强度;抗压强度

中图分类号：TU528.01           文献码： A        文章编号： 1671-0460（2019）12-2781-04

Abstract： To study the effect of fly ash to concrete resistant freezing critical strength， concrete test samples with variable curing time and fly ash content were prepared. The 60-day compressive strength of the samples after 4-day freezing was tested. The effect of fly ash content on the compressive strength of concrete was analyzed. The resistant freezing critical strength of concrete with different fly ash content was determined. The results showed that， the 60-day compressive strength of fly ash concrete decreased with the decrease of freezing temperature; the concrete pre-curing time to ensure the final strength increased with the increase of fly ash content; the resistant freezing critical strength of fly ash concrete increased with the decrease of freezing temperature.

Key words： Fly ash; Concrete; Resistant freezing critical strength; Compressive strength

利用粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，一方面可以減小水泥用量，降低水泥生产带来的环境污染[1]，另一方面可以大量消耗热电厂废弃物粉煤灰[2]。粉煤灰混凝土的使用可以有效的保护环境，在建筑工程中得到了广泛的应用，也成为了建筑施工中的重点关注问题。目前，大量学者在粉煤灰混凝土的抗压强度[3]、抗拉强度[4]、抗腐蚀特性[5]和隔热性能[6]方面已经开展了大量的研究工作。

然而，部分特殊环境下粉煤灰混凝土的使用性能仍未十分清楚[7，8]，例如由于粉煤灰混凝土的早期强度较低，加之我国“三北地区”冬季温度较低，粉煤灰混凝土的抗冻性能仍需开展进一步研究。因此，本文通过室内试样方法制备了不同粉煤灰掺量的混凝土样品，测试了不同预养护时间和不同抗冻温度条件下样品的抗压强度，分析了不同粉煤灰掺量混凝土达到95%标准60d抗压强度的预养护时间和抗冻临界强度。本文的研究成果可为粉煤灰混凝土在我国“三北地区”的冬季施工提供强有力的理论基础。

1  实验部分

1.1  试验材料

本文制备不同粉煤灰含量的混凝土样品，分析粉煤灰掺量对混凝土抗冻临界强度的影响规律。试验材料主要包括水泥、粉煤灰、碎石、河砂、减水剂和搅拌水。其材料配比如表1所示，其中粉煤灰掺量分别为20%、30%、40%和50%，水灰比为0.4。

1.2  试验方法

试样浇筑完成后，共制备以下三种样品，测试其抗压强度：

（1）标准养护60 d，测试其抗压强度f0，取f00的95%为标准值。

（2）标准预养护至 12、16、20、24、28、32、36h后，测试部分试样的抗压强度f11作为抗冻临界强度依据。

（3）在标准预养护至 12、16、20、24、28、32、36 h后，将试样转入-5、-10、-15、-20 ℃的受冻环境4 d，然后再标准养护至 60 d，测其后期抗压强度fnn。

对于同一粉煤灰掺量，一般情况下混凝土抗压强度随标准预养护时间的增大而减小，fnn大于95f00时对应的最小标准预养护时间，此预养护时间下对应的f11即为抗冻临界强度。

2  试验结果分析

2.1  粉煤灰掺量对负温混凝土60 d抗压强度影响

不同粉煤灰掺量条件下负温混凝土的60 d抗压强度值如表2和图1所示。可以看出：

（1）随着预养护时间的增加，粉煤灰混凝土受冻后的60d抗压强度值逐渐增大，但增大速率却逐渐减小，最终保持不变;原因在于，粉煤灰混凝土早期水化反应能够消耗较多的水，减小混凝土在负温环境下的冻损伤，因此，预养护时间越长，粉煤灰混凝土受冻后的60 d抗压强度值也就越高。

（2）粉煤灰混凝土预养护时间相同时，如受冻温度越低，粉煤灰混凝土的60 d抗压强度也越低，但当温度低于一定程度时，粉煤灰混凝土的60 d抗压强度就变化很小。这主要是因为受冻温度越低，粉煤灰混凝土内部受到的冻胀力也越大，同时水化反应速率也越低，当受冻温度达到一定值时，粉煤灰混凝土内部孔隙水将全部结冰，同时水化反应速率基本为零，此时，受冻温度对粉煤灰混凝土60 d抗压强度影响就很小。

（3）当粉煤灰掺量较小时，粉煤灰能够有效激发水泥的活性效应并填充混凝土内部孔隙，提高混凝土密实度，减小粉煤灰的受冻损伤;但如粉煤灰掺量过大，则会使粉煤灰混凝土内水泥过少而导致水化产物过低，反过来降低了粉煤灰混凝土的60 d抗压强度。因此，当粉煤灰掺量大于20%时，随着粉煤灰掺量的增大，粉煤灰混凝土受冻后的60 d压强度逐渐变小，尤其是粉煤灰掺量超过30%时。

根據粉煤灰混凝土受冻后的60 d抗压强度值，并与其未受冻时的60 d抗压强度标准值进行对比，可以得到不同粉煤灰掺量条件下负温混凝土为保证达到95%标准强度应进行预养护的时间如图2所示。

当粉煤灰掺量为20%时，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃负温条件下应经历的预养护时间分别为16、19、20和21 h;当粉煤灰掺量为30%时，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃负温条件下应经历的预养护时间分别为17、20、21和22 h;当粉煤灰掺量为40%时，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20 ℃负温条件下应经历的预养护时间分别为20、22、24和25 h;当粉煤灰掺量为50%时，粉煤灰混凝土在-5、-10、-15和-20℃负温条件下应经历的预养护时间分别为24、26、27和28 h。

这说明，随着粉煤灰掺量的增大，不同负温条件下粉煤灰混凝土为保证最终强度应经历的预养护时间要越长;原因是粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土的早期水化反应速率就越慢，其消耗水量就越小，而只有消耗水量达到一定程度才能保证粉煤灰混凝土在负温条件下不致损伤太大，因此，粉煤灰掺量越大，负温混凝土的预养护时间就越长。

2.2  粉煤灰掺量对负温混凝土抗冻临界强度影响

表3所示为未受冻粉煤灰混凝土在不同养护龄期下的标准抗压强度值，随着养护龄期的增长，不同粉煤灰掺量下混凝土的抗压强度值都逐渐增大。但由于粉煤灰早期惰性较强导致水泥水化反应速率较慢，因此，粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土的早期强度值就越低。如养护龄期为24 h时，50%粉煤灰掺量的混凝土抗压强度是40%粉煤灰掺量的70.6%，是30%粉煤灰掺量的56.6%，是20%粉煤灰掺量的53.6%。对比图2负温混凝土的预养护时间，可以得出不同粉煤灰掺量条件下负温混凝土的抗冻临界强度如图3所示。

由图3可以看出，20%～50%粉煤灰掺量的混凝土在-5～-20 ℃负温条件所需的抗冻临界强度的总体规律为：①粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土所需的抗冻临界强度越低;②受冻温度越低，粉煤灰混凝土所需的抗冻临界强度应越高。原因可能是：①粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土的孔隙率就越小，其越不容易受到外界温度影响;②粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土在受冻后的后期强度增长越快，其修复冻害损伤的能力就越强，进而可比普通混凝土拥有更低的抗冻临界强度。

3  结论

本文对不同粉煤灰掺量条件下负温混凝土的抗冻临界强度进行研究得到了以下几点成果：

（1）粉煤灰混凝土预养护时间相同时，如受冻温度越低，粉煤灰混凝土的60 d抗压强度也越低，但当温度低于一定程度时，粉煤灰混凝土的60 d抗压强度就变化很小;当粉煤灰掺量大于20%时，随着粉煤灰掺量的增大，粉煤灰混凝土受冻后的60 d抗压强度逐渐变小。

（2）随着粉煤灰掺量的增大，不同负温条件下粉煤灰混凝土为保证最终强度应经历的预养护时间要越长;

（3）20%～50%粉煤灰掺量的混凝土在-5～-20℃负温条件所需的抗冻临界强度的总体规律为：粉煤灰掺量越大，粉煤灰混凝土所需的抗冻临界强度越低;受冻温度越低，粉煤灰混凝土所需的抗冻临界强度应越高。

参考文献：

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[2]陈文海， 吴成友， 蒋宁山，等. 外加剂和粉煤灰对碱式硫酸镁水泥混凝土性能影响研究[J]. 硅酸盐通报， 2017， 36（6）：1847-1851.

[3]阎培渝， 王强. 变温条件下粉煤灰对混凝土抗压强度的影响[J]. 混凝土， 2008（3）：1-3.

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