开封特细砂混凝土抗冻性能试验研究

赵书锋

（开封大学土木建筑工程学院，河南开封475004）

砂是混凝土骨架的重要组成部分，一般集料占混凝土总量的70%～80%，而砂占集料体积总量的17%～48%。砂主要起填充粗集料空隙，提高混凝土的密实度，改善混凝土拌合物工作性能的作用，砂的品质对混凝土的耐久性能有较大影响。开封砂模数在0.7～1.5之间，属于特细砂的范畴，从技术角度看，虽然特细砂性能决定其不是生产混凝土的优先材料，但是开封砂价格便宜，存储量大，随着建筑业的蓬勃发展，中砂越来越供不应求，因地制宜采取部分特细砂代替部分天然中砂，不但可以缓解天然中粗砂紧缺的现状，对混凝土行业以及商品混凝土站也都具有良好的经济效益。国内学者对特细砂混凝土的研究取得了系列成果，但大多是针对特细砂混凝土施工性能和强度的研究，而针对特细砂混凝土耐久性研究的还较少，本文主要针对特细砂混凝土耐久性的抗冻性能开展系统研究。

1 试验原材料及配合比

1.1 水泥

本实验采用新乡平原同力水泥有限公司生产的平原牌42.5强度等级普通硅酸盐水泥，其基本性质如表1。

表1 水泥基本物理力学性能指标

1.2 粗骨料

粗骨料选取5～20mm连续级配碎石，主要性能指标均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006规定。

1.3 细骨料

本次试验用开封特细砂和人工砂，人工砂来源于开封市某商品混凝土搅拌站，开封特细砂来源于开封黄河滩采砂场，主要性能指标见表2。

1.4 其他材料

水：拌制混凝土采用饮用自然水，试剂配制采用蒸馏水。

减水剂：山东建材有限公司生产的高吸能聚羧酸减水剂。

粉煤灰：开封电厂的Ⅰ级粉煤灰，表观密度2040 kg/m3，0.045 mm筛余量11.3%。

表2 特细砂与人工砂物理性能指标

2 配合比设计

本实验将配制强度等级为C30、C50的特细砂混凝土各8组，观察开封特细砂掺量分别在0、20%、30%至40%情况下混凝土的抗冻性能。配合比见表3。

表3 试验配合比

3 试验方法

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》规定，抗冻融试验试块规格为100mm×100mm×400mm的棱柱体，采用-CABR-HDK9全自动混凝土快速冻融机对混凝土试件进行冻融试验，加水时间控制在10min内，融化时间不小于4h，始终保持水面高出试件20mm，融化完毕后视为该次循环结束，进入下次冻融循环，达到规定的冻融循环次数后将再次对试件质量、动弹模量进行测定；采用DT-16动弹模量测试仪进行动弹模量测定，频率测量范围：100～50KHZ。

4 试验结果分析

4.1 试件冻融循环后的表面形态分析

普通混凝土和掺有特细砂的混凝土在冻融循环50次之前均没有显著变化，当冻融循环次数超过100次试件表面均有变化，试件端部小孔数量明显增加，内部开始有微裂缝出现，试件的物理力学性能出现明显降低，降低速度显著加快，当冻融循环次数达到250～300次时，混凝土试件质量损失率和相对弹性模量出现大幅度减小，由图1可知：C30组试件中，A0表面疏松，外表剥落严重，并出现掉角现象，冻融损伤严重；A1试件有少许砂浆脱落，伴有少许孔洞，粗骨料少许外露；A2试件表面比较平整，无明显表面现象；A3试件出现少许砂浆脱落，表面出现麻面，但是没有明显粗骨料外露出现。从外观看，明显出现抗冻能力 A2＞A3＞A1＞A0。C50 组试件中，B0组表面凹凸不平，出现少许骨料外露；B1组有零星粗骨料剥落；B2和B3组没有明显表面现象。从外观看，其抗冻能力B2＞B3＞B1＞A0。整体上C50组冻伤较轻。

图1 冻融循环250次试件表面形态

4.2 质量损失率

按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定，各试件每隔25次冻融循环后的质量损失率应按下式计算:

不同冻融循环次数下试件质量损失率如表4。

表4 混凝土质量损失率

4.3 再生混凝土相对动弹性模量损失率

按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定，相对动弹性模量根据下式计算：

不同冻融循环次数下试件相对动弹性模量如表5。

表5 混凝土相对动弹性模量

4.4 试验数据分析

由表4和表5所示数据可以看出，普通混凝土与掺有开封特细砂的C30和C50混凝土，经过冻融循环以后质量损失率和相对动弹性模量均随着冻融次数降低逐渐增加，发生破坏时质量损失率均未超过5%。同等情况下，C50组抗冻能力比C30组强，掺有特细砂的混凝土同样体现了与普通混凝土相同的随混凝土强度增加抗冻性能增强的性质。混凝土中掺入开封特细砂后，试件的抗冻性能较基准试件提高，混凝土的抗冻性伴随开封特细砂掺加量增加越来越好。C30组混凝土A2组试件（开封特细砂掺量为30%）冻融循环次数达到250次、C50组混凝土B2试件（开封特细砂掺量为30%）冻融循环300次后，其相对动弹性模量仍然为65.2%，高于60%。开封特细砂掺量达到40%时，其抗冻性能相对于30%掺量有所下降，但是其抗冻性能仍然高于基准组不掺加开封特细砂混凝土。

上述试验结果主要原因在于混凝土内部结构，尤其是孔隙情况与其抗冻性能密切相关。机制砂颗粒形貌较差，机制砂混凝土容易产生较多连通空隙，开封特细砂粒径小，50%以上粒径小于300μm，相关文献研究表明，孔径＜20nm是无害孔，两者混合使用，其骨料级配得到改善，内部孔隙结构也得到一定改善，有效减少了大孔径孔隙，尤其是开封特细砂掺量在30%左右，级配曲线在I区范围内，故具有较好的抗冻性能，但是，当开封特细砂掺量达到50%时，混凝土流动性、保水性均出现大幅度下降，这势必造成硬化后的混凝土毛细空隙数量增加，同时混凝土强度降低引起抗冻性能下降，但是相对于基准组依然具有较好抗冻性能。

5 结语

掺有特细砂混凝土同等条件下C50混凝土的抗冻性高于C30混凝土。

试件冻融循环后，表面形态与相对动弹性模量的下降基本一致。掺有特细砂混凝土冻融破坏其质量损失均未达到5%，故用相对动弹性模量降低衡量其抗冻性能，更具有针对性和科学性，混凝土的质量损失没有达到5%时，混凝土已经发生冻融破坏。

混凝土抗冻性能伴随开封特细砂掺量的逐渐增加后降低，掺量为30%时最佳。