粉煤灰及含气量对混凝土抗冻性能影响的试验研究★

田 帅，李 翔，李世华

(1.云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司，云南 昭通 657000； 2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明 650501)

0 引言

粉煤灰大部分呈球状且表面光滑，具有良好的形态效应、微集料效应和火山灰活性效应，在配制混凝土时，掺加适量的优质粉煤灰，可以显著改善混凝土的工作性能，降低混凝土水化热，并可提高混凝土的某些耐久性能，是制备高性能混凝土的优良矿物掺合料[1]。在寒冷地区抗冻性是影响混凝土耐久性的主要因素，也是工程建设面临的主要问题。针对粉煤灰及含气量对混凝土的抗冻性能的影响，许多研究人员进行了大量试验研究，刘昱等[2]采用快冻法研究了0.5水胶比(质量比)下掺量为25%，30%，35%，40%，50%的粉煤灰对6%含气量混凝土抗冻性的影响，研究表明在含气量为6%条件下，粉煤灰的最适宜掺量为25%，抗冻融循环等级为F200。王敏等[3]研究了0.45，0.39和0.31水胶比(质量比)下不同掺量粉煤灰对混凝土抗冻性的影响，结果表明掺加粉煤灰能够提高混凝土的抗冻性，并且当粉煤灰掺量15%时混凝土的抗冻性最佳。刘玉琨等[4]研究了粉煤灰掺量对混凝土性能的影响，结果表明掺入粉煤灰对混凝土的抗冻性能和抗渗性能没有明显改善，过量掺加粉煤灰会降低混凝土的抗冻和抗渗性能。由于粉煤灰掺量、含气量、水胶比等试验条件的不同，目前针对粉煤灰及含气量对混凝土抗冻性能影响的研究结果差异较大，为进一步明确粉煤灰及含气量对混凝土抗冻性能的作用，结合实际工程建设的需要，研究了混凝土水胶比、含气量、粉煤灰掺量等因素对混凝土抗冻性能的影响，以期为实际工程建设提供指导。

1 试验内容与方法

1.1 原材料

1)水泥：采用P.O42.5水泥，具体性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

2)粉煤灰：采Ⅱ级粉煤灰，需水量比为101%，细度为21.7%，烧失量为7.9%，活性为74%。

3)砂：采用规格为0 mm～4.75 mm机制砂，细度模数为2.8，含石粉的量为6.0%，含泥块的量为0.2%，压碎指标为22%。

4)碎石：采用4.75 mm～19 mm连续级配碎石，针片状含量(质量分数)为4%，压碎值为18.2%，含泥量为0.8%。

5)外加剂：采用减水率为30%的聚羧酸高性能减水剂。

1.2 混凝土试验配合比

为研究混凝土强度、含气量、粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响，混凝土水胶比(质量比)的范围选择0.32～0.42，含气量范围控制为2%～6%，粉煤灰掺量分别为胶凝材料质量的0%～40%，混凝土坍落度设计为180 mm～220 mm。混凝土试验配合比具体如表2所示。混凝土中的含气量通过外加剂中的引气组分调整，使得外加剂掺量在2%左右时，混凝土含气量可以在1.8%～2.2%的范围内；当混凝土需要较高的含气量时，通过单独添加引气剂使其含气量接近控制值后开展相关试验。

表2 混凝土抗冻试验配合比

1.3 试验方法

1)含气量测定：根据GB/T 50080普通混凝土拌合物性能试验方法标准开展混凝土含气量试验，混凝土搅拌均匀后装入CA-3含气量测定仪进行含气量值测定。

2)冻融测试方法：根据GB/T 50082普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法中快冻法采用TDRK9(整体式)冻融试验机开展抗冻试验，试样经标准养护24 d再放入清水浸泡4 d后开展初始质量与动弹性模量测量，然后每冻融循环25次开展一次试样质量与动弹性模量的测量。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土工作性能及力学性能

根据表2混凝土抗冻试验配合比开展相关试验，混凝土工作性能、含气量及抗压强度如表3所示。由表2及表3可知，配制的各组混凝土坍落度为180 mm～220 mm，扩展度为500 mm～555 mm；混凝土拌合物状态黏聚性较好，无泌水与离析情况出现，工作性能良好。A-1～A-5混凝土粉煤灰掺量均为其胶凝材料总量的20%，随着水胶比的增加混凝土3 d～56 d抗压强度逐渐最低。B-1～B-5混凝土水胶比(质量比)均为0.36，所用原材料均相同，当含气量由2%左右增加到6%时，由于混凝土中引入了大量均匀、密闭的微小气泡，改善了混凝土的流动性，所以混凝土的坍落度及扩展度呈逐渐增大的趋势；但是含气量的增加对混凝土的抗压强度影响较大，随着含气量的增加混凝土有效受力面积下降、抗压强度降低，其中B-5混凝土的28 d抗压强度比B-1降低12 MPa，B-5混凝土的56 d抗压强度比B-1降低15.5 MPa。由C-1～C-5可知，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的扩展度有所增加，由于粉煤灰的滚珠效应，可以改善混凝土的流动性；但是随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度显著降低，C-5的28 d抗压强度比C-1的28 d抗压强度降低15.9 MPa，C-5的56 d抗压强度比C-1的56 d抗压强度降低20.8 MPa。

表3 混凝土工作性能及力学性能

2.2 水胶比对混凝土抗冻性能的影响

A-1～A-5混凝土水胶比(质量比)由0.32逐渐增大至0.42，含气量控制在2%左右。由表3及图1可知，A-1～A-5混凝土28 d抗压强度由64.8 MPa逐渐降低至43.9 MPa，而混凝土的抗冻等级也由F250降低至F100，混凝土水胶比越低、抗压强度越高其抗冻等级也越高。由于水胶比越大，混凝土中用水量越多，水参与胶凝材料水化或蒸发后留在混凝土中毛细孔或孔隙的概率越大，一方面会造成混凝土强度的降低，另一方面随着冻融循环的进行，水通过毛细孔及孔隙逐渐向混凝土中渗入，进入混凝土内部的水受冻后体积膨胀而对混凝土产生应力破坏，在冻融循环的反复作用下，造成混凝土动弹性模量下降、表层剥落及质量降低。混凝土水胶比越低，其内部越密实，混凝土抗压强度也越高；一方面由于混凝土密实水通过毛细孔或孔隙进入混凝土的难度变大，另一方面由于低水胶比混凝土具有更高的强度，抵抗水冻胀后产生膨胀应力的能力越强，越不容易被破坏。因此，在粉煤灰掺加比例及含气量相同的情况下，水胶比低、强度高的混凝土比水胶比大、强度低的混凝土具有更好的抗冻性能。

2.3 含气量对混凝土抗冻性能的影响

以0.36水胶比(质量比)的混凝土开展含气量对混凝土抗冻性能影响的试验，混凝土含气量分别控制在2%依次增加至6%。由表3可知，随着B-1～B-5含气量的增加，B-1～B-5的3 d～56 d龄期抗压强度都有所下降，其中B-5的28 d抗压强度比B-1下降了12 MPa。由于在相同配合比及原材料条件下，新拌混凝土含气量越高，其内部存在更多的均匀球形气泡，这些气泡的存在增大了混凝土的孔隙率，有效承载力截面减少，引起了混凝土强度的降低，随着气泡数量的增多，混凝土强度损失越多，并且在受力时孔隙附近应力集中，给混凝土强度造成了不同损失。

由图2可知，B-1～B-5随着混凝土含气量的增加，混凝土的抗冻性逐渐变好，当含气量为6.1%时，粉煤灰掺量为20%的B-5混凝土抗冻循环次数可以达到400次。这主要是因为在混凝土中引入大量稳定的微小而密闭的气泡，在一定程度上阻断了毛细孔或孔隙的形成；同时在负温条件下，这些微小而密闭的气泡对水变成冰而产生的膨胀应力有一定的缓冲与消减作用，从而能够大幅度提高混凝土的抗冻性能。因此在一定范围内，在相同配合比及原材料条件下，含气量越高，混凝土的抗冻性越好，抗剥蚀能力也越强。

2.4 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响

以0.36水胶比(质量比)的混凝土开展粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能影响的试验，粉煤灰掺量分别取胶凝材料质量的0%逐步增加至40%。由表3及图3可知，C1～C5随着粉煤灰掺量的增加，混凝土3 d～56 d龄期抗压强度均有所降低，抗冻性下降。这主要由于当粉煤灰加入混凝土当中后，二次水化速率较慢，影响胶凝材料体系的水化速率，同时降低了混凝土抗压强度，其中28 d抗压强度C-5比C-1降低15.9 MPa，使混凝土抵抗受冻破坏能力降低，因此粉煤灰掺量达胶凝材料质量的40%时，混凝土抗冻等级仅能达F50；另外，混凝土含气量为2%左右时，引入混凝土中微小而密闭的气泡数量较少，在冻融循环时对水变成冰而产生的膨胀应力的缓冲与消减作用较弱，因此，在混凝土水胶比为0.36、含气量为2%时，混凝土抗冻性能随粉煤灰掺量的增加而降低[5]。

3 结论

1)在粉煤灰掺量为20%及含气量为2%的条件下，混凝土抗冻性能随着水胶比(质量比)的增加而降低，当水胶比(质量比)为0.32时混凝土28 d抗压强度最高、抗冻性能最优，抗冻等级可达F250。

2)在混凝土水胶比(质量比)为0.36、粉煤灰掺量为20%的条件下，当混凝土含气量由1.8%增加至6.1%时，混凝土抗压强度随着含气量的增加而降低，其中含气量为6.1%的混凝土比含气量为1.8%混凝土的28 d抗压强度降低了12 MPa，但随着含气量的增加混凝土的抗冻性能显著改善，当含气量为6.1%时，混凝土抗冻等级可达F400。

3)在混凝土水胶比(质量比)为0.36、含气量为2%时，随着粉煤灰掺量的增加混凝土抗压强度降低、抗冻性变差，当粉煤灰掺量为40%时，混凝土的抗冻性能最差、抗冻等级仅为F50，不掺粉煤灰的混凝土抗冻性能最优、抗冻等级可达F200。