冻融作用下粉煤灰混凝土物理力学性能的试验研究

安 超

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥混凝土路面是我国道路路面的重要形式。粉煤灰是燃煤排放的重要工业废弃物，如今作为水泥的替代物，广泛运用于混凝土制备使用过程中。而在我国西部、北部道路工程项目中，混凝土路面极易受到低温冻融循环作用，严重影响混凝土路面的使用寿命及质量。因此，研究冻融循环条件下路用粉煤灰混凝土的物理力学特征，对预测在冻融循环条件下混凝土路面的物理力学性能劣化具有重要意义，进而有效规避相关工程事故。

基于这一复杂研究背景，国内外相关学者进行了大量研究[1-4]。吴文燕、李小山[5]借助热分析技术定量分析了不同粉煤灰掺量对混凝土抗冻融与硫酸盐复合侵蚀能力的影响。侯铁军[6]围绕试件的质量损失规律、相对动弹模量参数研究了粉煤灰混凝土的冻融性质。吴、孟晓宇等[7]对不同掺量的粉煤灰透水混凝土试样进行了强度测试，并在硫酸钠溶液中对试件进行快速冻融循环试验，得到透水混凝土强度和抗冻性与粉煤灰掺量间的关系。张鹏坤[8]通过开展不同加载速率下的单轴压缩试验和三点弯曲试验，并采用CT细观无损检测技术，分析了冻融循环作用下混凝土的损伤机理和动态破损机理。

本文以冻融循环次数为研究参量，开展室内试验，分别研究10%、20%掺比粉煤灰混凝土及普通混凝土的冻融质量损失率及孔隙率变化，并探究其力学性能特征，进而为实际工程提供理论支持。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

本试验分别制备普通混凝土与掺粉煤灰混凝土试样，依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002），混凝土强度按C60等级配置，试验尺寸为（100×100×100）mm，试样使用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥450 kg/m3，细骨料为河沙744 kg/m3，粗骨料为颗粒级配4～18 mm小石，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，水为pH=8.47的自来水。每立方米普通混凝土与掺粉煤灰混凝土试样的配合比设计参数如表1所示。

表1 普通混凝土与掺粉煤灰混凝土配置参数

将试验材料分别按照试验规范进行充分搅拌、注模、振捣、静置凝固成型、脱模打磨及标准养护28 d（室温20℃±2℃、相对湿度大于等于95%），获得标准混凝土试样。

1.2 试验方法

为模拟混凝土构件在自然环境下的冻融循环状态，本文选用开放性饱水冻融试验法，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）进行，利用全自动冻融循环试验机，分别对普通混凝土试样与掺粉煤灰混凝土试样进行饱水冻融循环试验，冻融温度为-16℃～5℃，冻结时长与融化时长均为2 h，分别设置冻融循环次数为1、5、10、20、30、40、50次。

冻融循环结束后，对比测量混凝土试样冻融前后的饱水质量，计算获得试样的冻融质量损失率ηn。之后采用饱水法测定混凝土试样的孔隙率φn。最后利用万能试验机对试样进行单轴压缩试验，设置加载速率为0.002 mm/s进行加载直至试样破坏，每组试验重复3次，获得不同冻融循环次数下的普通混凝土与掺10%、20%粉煤灰混凝土的弹性模量Ec与抗压强度σc。

图1 试验进程

2 物理特征变化

2.1 冻融质量损失率

为测定不同冻融次数下混凝土的冻融质量损失率，需将未冻融混凝土标准试样在105℃的烘干机中烘干36 h，混凝土试样的冻融前干燥质量为W1.冻融试验后将混凝土试样干燥得质量为W2，计算试样冻融质量损失率如式（1）：

由式（1）可计算获得粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%的混凝土试样的冻融质量损失率ηn随冻融循环次数的变化规律。

由图2可知，随着冻融次数由0次增至50次，不同粉煤灰掺量的混凝土试样冻融质量损失率逐渐增大，普通混凝土由0%增至4.57%，掺10%粉煤灰混凝土由0%增至3.33%，掺20%粉煤灰混凝土由0%增至2.81%。在0～30次冻融循环下，冻融质量损失率增幅逐渐增大；在30次循环后，试样冻融质量损失率增长减慢。造成此类现象是因为，在冻融初期伴随冻融次数增加试样内部微裂纹逐渐扩张，内部微小破裂逐渐增多，导致试样冻融质量损失率增长幅度增大；冻融次数达到30次后，试样微裂隙大幅扩张，冻融作用不足以致混凝土骨料发生破坏，质量损失率增长幅度减小。

图2 冻融质量损失率特征

对比不同粉煤灰掺量的混凝土试样冻融质量损失率可以发现，随着粉煤灰掺量增多，试样冻融质量损失率逐渐减少，质量损失率对冻融次数增长的灵敏程度减弱，混凝土抗冻性能提高。

2.2 孔隙率变化规律

本试验采用饱水法测定混凝土的孔隙率。首先将不同次数冻融循环后的混凝土试样在105℃的烘干机中烘干36 h，在干燥环境下将试样冷却至常温（20℃～25℃），称量试样质量为W2，之后将干燥试样完全浸泡48 h以上，当每间隔1 h测量混凝土质量变化小于试样总质量的1%时，认为混凝土试样达到饱水状态，取出试样擦干表面水分，称量试样质量为W3.最后，采用静水天平测量试样悬吊在水中的质量W4，可得试样孔隙率计算方法如式（2）：

通过孔隙率测定试验可测得初始及不同次数冻融循环后的普通混凝土试样、掺10%粉煤灰混凝土试样与掺20%粉煤灰混凝土试样的孔隙率，得出各混凝土试样孔隙率随冻融循环次数的变化规律，如表2所示。

表2 不同冻融循环次数下混凝土孔隙率φn %

由表2可得出不同粉煤灰掺量混凝土试样的孔隙率随冻融循环次数的变化规律，如图3所示。

对不同粉煤灰掺量的混凝土试样孔隙率变化规律进行拟合，可得出冻融循环次数对试样孔隙率影响规律的函数关系：

图3 孔隙率变化特征

试样孔隙率与冻融循环次数的映射关系满足对数型函数。由图3可知，随着冻融循环次数由1次增至30次，混凝土孔隙率逐渐增大，30次循环后，孔隙率增幅逐渐减小直至平缓。这表明前30次冻融产生的裂隙压力主要作用于骨料间，使孔隙率增大。而30次循环后骨料间孔隙已增至最大值，而冻融作用并不足以破坏混凝土骨料，因此试样孔隙率增幅减少。普通混凝土、掺10%粉煤灰混凝土及掺20%粉煤灰混凝土在经过30次冻融循环后，孔隙率分别由12.49%增至14.92%、9.07%增至11.34%、7.85%增至10.05%，对应增幅分别为19.46%、25.03%及28.03%。同时，对比不同粉煤灰掺量可以发现，随着粉煤灰掺量增加，混凝土试样的孔隙率总体呈减小规律。

3 力学特征

将不同次数冻融循环后的混凝土试样利用万能试验机进行单轴压缩试验，获得3种粉煤灰掺量下，冻融循环次数对混凝土试样力学性能的影响规律。混凝土的弹性模量Ec与抗压强度σc参数变化规律如图4所示。

由图4a可知，随着粉煤灰掺量增加，混凝土试样的弹性模量总体呈减小趋势。并且不同粉煤灰掺量的混凝土试样的弹性模量均随冻融循环次数增加而逐渐减小，减小速率由快至慢。随着冻融循环次数由1次增至50次，普通混凝土试样弹性模量由31.54 GPa减少为25.02 GPa，降幅20.67%；掺10%粉煤灰混凝土试样的弹性模量由27.85 GPa减少为23.89 GPa，降幅16.58%；掺20%粉煤灰混凝土试样的弹性模量由25.34 GPa降至23.09 GPa，降幅为9.74%。由此可见，随着粉煤灰掺量逐渐增多，冻融循环次数对试样弹性模量降幅的影响逐渐减小。

图4 试样静力学参数特征

图4b可以看出，粉煤灰掺量增多会使混凝土试样的抗压强度减小。并且随着冻融循环次数增多，不同粉煤灰掺量混凝土试样的抗压强度逐渐减小，减小幅度由快减慢。当冻融循环次数从1次增加至50次，普通混凝土试样的抗压强度由59.34 MPa降为42.94 MPa，降幅31.33%；掺10%粉煤灰混凝土试样的抗压强度由55.43 MPa降为41.86 MPa，降幅为24.48%；掺20%粉煤灰混凝土试样的抗压强度由48.85 MPa降为37.79 MPa，降幅为22.64%。随着粉煤灰掺量增多，冻融循环对混凝土抗压强度的影响程度逐渐减弱。

4 结论

本文为研究粉煤灰混凝土路面受冻融作用后的物理力学特征，对不同粉煤灰掺量的混凝土试样进行不同循环次数的冻融试验，探究其冻融质量损失率与孔隙率的变化特征，并开展静力学试验，探究粉煤灰混凝土力学性能特征，具体结论如下：

a）冻融循环次数增加会使粉煤灰混凝土冻融质量损失率增加，增幅由快减慢。并且提高粉煤灰掺量可降低混凝土的冻融质量损失率，提高混凝土抗冻性能。

b）随着冻融循环次数增加，混凝土试样孔隙率呈对数形式增长，增长速率由快减慢。同时，随着粉煤灰掺量增加，混凝土试样的孔隙率总体减小。

c）混凝土试样的弹性模量随粉煤灰掺量增加，总体呈减小趋势。并且不同粉煤灰掺量的混凝土试样的弹性模量均随冻融循环次数增加而逐渐减小，减小速率由快至慢。

d）粉煤灰掺量增多会使混凝土试样的抗压强度减小。并且不同粉煤灰掺量混凝土试样的抗压强度随冻融次数增多逐渐减小。