粉煤灰品质和取代率对再生混凝土抗冻性能影响

姚烈波

（重庆市武隆区建设工程质量检测所，重庆 404100）

0 引言

北方地区混凝土结构耐久性失效的重要原因是混凝土冻融破坏，混凝土内水体冻融循环造成结构表层剥落和内部冻胀开裂，降低了混凝土结构的使用寿命。粉煤灰的资源化利用，为混凝土提供了向绿色、环保发展的可能，应用于混凝土结构中，具有十分广阔的前景[1-4]。本文试验研究粉煤灰品质和取代率对再生混凝土的毛细吸水性能和冻融循环次数影响，以期优化配合比，提高再生混凝土的抗冻性能。

1 试验

1.1 试验材料

试验用材料及其技术参数如下：

水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，见表1和表2；粉煤灰：Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰，符合 《粉煤灰混凝土应用技术规程》（GBJ 146-90）要求，其X射线分析结果见表3；砂：河砂，Ⅱ级砂，级配合理；再生粗骨料：Ⅰ类再生粗骨料，用EZ表示，见表4和表5；减水剂：高效聚羧酸减水剂，减水率为30%；水：自来水，符合《混凝土用水标准》（JGJ 63-2006）要求。

表1 水泥的性能指标

表4 再生粗骨料颗粒级配

表5 再生粗骨料的性能指标

1.2 试验方法

采用砂率为40%，减水剂取胶凝材料质量的1.2%，控制坍落度160～200mm，确定用水量，测试试件的毛细吸水量和相对动弹性模量，研究粉煤灰品质和取代率对再生混凝土抗冻性能的影响，试验配合比见表6。

表6 再生混凝土试验配合比（以1m3计）

2 试验分析

2.1 试验过程

颗粒整形法原理如图1所示，再生粗骨料形貌图如图2所示。

图1 颗粒整形法

图2 Ⅰ类再生粗骨料形貌图

废弃混凝土经颚式破碎机和颗粒整形机处理制得再生粗骨料，根据《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）和针片状颗粒含量、有机物含量、压碎指标、颗粒级配、吸水率、表观密度和空隙率等参数区分品质，遴选出Ⅰ类标准再生粗骨料，见表7。

表7 颗粒整形法再生粗骨料品质

2.2 试验结果

参照 《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009），测试试件的毛细吸水量和相对动弹性模量，详细数据列表由于篇幅所限，不予赘述，详见下节文字分析。

2.3 不同品质粉煤灰对再生混凝土抗冻性能的影响

由图3可知，粉煤灰再生混凝土抗冻性能为：Ⅰ级粉煤灰再生混凝土＞Ⅱ级粉煤灰再生混凝土，且胶凝材料用量增大，粉煤灰再生混凝土的冻融循环次数增加，表明：粉煤灰再生混凝土的抗冻性能提高。

以图3c为例，与Ⅰ级粉煤灰再生混凝土相比，当Φz=10%时，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的冻融循环次数减小了25次，相对动弹性模量降低较快；当Φz=20%时，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的冻融循环次数减小了25次；当Φz=30%时，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的相对动弹性模量降低了15.3%。

在冻融循环过程中，游离水体积膨胀产生静水压和渗透压，从而引起游离水迁移，冲刷挤胀混凝土内孔隙和裂缝，最终混凝土结构破坏。由冻融破坏机理可知，混凝土抗冻性主要取决于水泥品种和用量，骨料品质、强度，平均气泡间距等[5]。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅及氧化铝，与混凝土内碱性物质发生化学反应，生成胶凝物质。粉煤灰的 “火山灰效应”，堵塞了混凝土中的毛细孔，能提高混凝土的抵抗水侵蚀的能力，这种物理化学作用提高了粉煤灰类混凝土的抗冻性能[6]。

由表3可知，Ⅰ级粉煤灰的需水量和烧失量分别比Ⅱ级粉煤灰低12.6%和34.7%，表明：Ⅱ级粉煤灰再生混凝土内部存在的自由水远远大于Ⅰ级粉煤灰再生混凝土；且用压汞法测得，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的孔隙率比Ⅰ级粉煤灰再生混凝土高3.2%。

在冻融循环中，粗骨料同样发生游离水迁移，当游离水产生的静水压超过骨料-水泥浆界面强度，混凝土表面的受冻骨料就会剥落[7]。Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的界面区显微硬度低以及内部存在相对较多的孔隙，导致Ⅱ级粉煤灰再生混凝土抗冻性差于Ⅰ级粉煤灰再生混凝土。

混凝土冻融破坏的必要条件是处于接近水饱和状态[7]。两类粉煤灰再生混凝土的毛细吸水量初期均大致呈线性增长，后期增势变缓，最终趋于稳定。线性拟合的直线斜率即为毛细吸水系数，反映了粉煤灰品质和取代率对再生混凝土毛细吸水性能的影响。相比Ⅰ级粉煤灰再生混凝土，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的毛细吸水量较高，表明其孔隙率较高，水的迁移活动和吸水过程更加流畅，从而减弱了再生混凝土的抗冻性。

2.4 不同粉煤灰取代率对再生混凝土抗冻性能影响

增大粉煤灰的取代率，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土冻融循环次数减少，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的冻融循环次数先增多后减少。

研究表明：相同质量引气剂（本文未添加）和工艺水平条件下，混凝土含气量大致相当，减小水胶比，水泥浆内的可冻水含量减小，可冻水间隙形成的气泡结构数量会多，则气泡间隔系数越小，利于提高混凝土抗冻性能[8]。

如图4a所示，随着Φz的增大，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土的水胶比增大，则气泡间隔系数增大。相比Ⅱ级粉煤灰再生混凝土，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的抗拉强度提高了1.1%～9.8%，提高了其抗冻性能。

在电子显微镜下，Ⅰ级粉煤灰中含有粒形完整、表面光滑、质地致密玻璃微珠，含量高达70%。这些玻璃微珠起到减水和致密作用。粉煤灰中微米级粒径的微珠和碎屑，极大地提高了混凝土及制品的结构强度[9]。由图4b可知，随着Φz的增大，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的水胶比减小，气泡间隔系数降低。Φz增大至20%前，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的强度高于未添加粉煤灰的再生混凝土，这两种因素导致Ⅰ级粉煤灰再生混凝土抗冻性能提高；当Φz继续增大至30%，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的强度降低，毛细吸水量也有同样的变化特征，这使得Ⅰ级粉煤灰再生混凝土抗冻性能减小，最终表现为Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的抗冻性能先增大后减小。

图4 粉煤灰取代率对再生混凝土水胶比的影响

3 结语

（1）随着粉煤灰取代率的增大，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土毛细吸水性能减小，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的毛细吸水性能先增大后减小。

（2）Ⅰ级粉煤灰再生混凝土抗冻性能高于Ⅱ级粉煤灰再生混凝土，且增大胶凝材料用量，粉煤灰再生混凝土的抗冻性能提高。

（3）增大粉煤灰取代率，Ⅱ级粉煤灰再生混凝土抗冻性能减小，Ⅰ级粉煤灰再生混凝土的抗冻性能先增大后减小。