矿物掺合料对海工混凝土抗冻性能影响研究

李湘军，王 俞，王 林，崔凤坤，潘韶军

(1.烟台市公路事业发展中心，山东 烟台 264001；2.山东交通学院，山东 济南 250357)

1 引 言

随着我国基础设施建设投入的不断增加，作为建筑基本用材混凝土的应用得到了显著提升。然而由于海洋环境的复杂性，普通混凝土在海洋地区或沿海地区难以保证其良好的性能，在短时间内便会受到各种因素的侵蚀，降低混凝土结构的使用寿命及安全性[1]。高性能海工混凝土因其良好的抗腐蚀性能以及相对较高的使用寿命，在海洋地区或沿海地区这种条件恶劣的条件下得到广泛应用。尤其是对于北方冰冻海域，因其存在冻融破坏使得混凝土结构物所处环境更为复杂，高性能海工混凝土的使用优势更为凸显[2]。

国内外学者对海工混凝土进行了一定的的研究。其中孙美娟[3]等针对不同胶凝材料、水灰比和矿物掺合料掺量的混凝土耐久性能进行了研究，发现优选配合比经300次冻融循环质量损失率较小，进而得到海工混凝土具有优良的抗冻性能。覃丽坤[4]研究了大掺量粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响，通过研究发现大掺量粉煤灰混凝土的单轴抗压强度随冻融循环次数的增加而降低。黄祥[5]等对比海工混凝土和普通混凝土在耐久性性能方面的差异，结果表明：海工混凝土经200次冻融循环，其质量和抗压强度损失均较小。洪雷[6]研究了不同标号的混凝土在不同龄期和冻融循环条件下的抗渗性能，结果表明混凝土抗渗性与龄期成指数增长的关系，混凝土抗渗性与冻融循环次数成直线下降的关系。通过上述研究发现，针对海工混凝土抗冻性能虽有一定的研究，但是对于不同矿物掺料对海工混凝土抗冻性能的影响程度研究仍然较少，在指导及优化海工混凝土配合比方面仍存在不足。

基于上述存在的问题，为分析不同矿物掺合料的掺量对海工混凝土抗冻性能的影响，研究不同矿物掺合料对混凝土抗冻性最佳含量，通过快速冻融循环试验，分析不同配合比试件的质量损失率和相对动弹性模量变化情况，对优化海工混凝土配合比以及提高海工混凝土抗冻性具有一定的指导意义。

2 混凝土冻融破坏机理

目前国内外学者对混凝土冻融破坏虽然进行了较为广泛而深入的研究，但对混凝土冻融破坏机理仍未取得统一的结论，当前得到较为广泛的理论包括冰胀压理论和渗透压理论。

2.1 “奶瓶”假说

当处于饱水状态时，混凝土细微孔内的水分随着环境温度降低到负温而出现冻结，水分结冰导致体积膨胀，在混凝土细微孔内产生应力，从而使得混凝土产生开裂。然而当混凝土内部存在气泡时，该理论便无法合理解释冻融破坏[7]。

2.2 静水压力理论

静水压力是目前认可程度较高的理论。静水压力理论认为：当环境温度降为负温，使得混凝土内部温度也降为负温，混凝土内部毛细孔中的水分出现冻结而出现体积膨胀。随着结冰过程的进行，使得毛细孔中的结冰区溶液向未结冰区迁移，从而形成静水压力。静水压力会随着毛细孔水流程长度的增加而增加，如果静水压力超过所作用位置的混凝极限抗拉强度，从而出现冻融破坏。

2.3 渗透压理论

渗透压理论认为：对于处于饱水状态的混凝土，当混凝土内部毛细孔中的水出现冻结时，因胶凝孔直径小于毛细孔直径，所以胶凝孔中的水分未发生冻结，而胶凝孔中的水分处于过冷状态。由过冷状态的水分蒸气压高于同温度下冰的蒸气压，进而出现胶凝孔中的水分向毛细孔中渗透，因此毛细孔中出现渗透压力；同时由于胶凝孔中的水分进入毛细孔中，当温度继续降低时，毛细孔中的水分变成冰发生体积膨胀，毛细孔就要承受膨胀压力。当膨胀压力和渗透压力两者叠加超过其作用位置的混凝土极限抗压强度时，该位置会出现破坏或开裂。经多次冻融循环后，多条裂缝出现贯穿，进而表现出冻融破坏。

3 试验方案

3.1 原材料

(1)水泥。采用的水泥标号为P·Ⅱ 52.5。

(2)粉煤灰(Fly Ash)，以下简称FA。采用的粉煤灰为优质一级粉煤灰，细度为3 000目(5 μm)左右，密度2.55 g/cm3，堆积密度1.12 g/cm3。

(3)矿粉(Mineral Powder)，以下简称MP。采用的矿粉种类等级为矿渣粉S95，比表面积为429.00 m3/kg，流动度比98.00%，7d活性指数84.20%，28 d活性指数98.50%，密度3.10 g/cm3，烧失量0.84%，含水量0.45%。

(4)硅灰(Silica Fume)，以下简称SF。采用的硅灰细度为1 000目，密度为2.33 g/cm3。

(5)细骨料。细骨料采用天然河沙，堆积密度为1 571 kg/m3。

(6)粗骨料。粗骨料为花岗岩，粒径分为5～10 mm、10～20 mm两种。

3.2 试验方案

(1)混凝土配合比设计。混凝土设计等级为C50，混凝土配合比为m胶凝材料∶m细集料∶m粗集料∶m水=483∶716∶1 031∶140，其中砂率为41%，水胶比为0.29，不同粒径花岗岩比例为3∶7(5～10 mm占比为30%，10～20 mm占比为70%)，减水剂用量根据矿物掺合料的用量进行调整，混凝土的塌落度控制在180 mm左右。试验过程采用平行试验方式，混凝土配合比具体见表1。

表1 混凝土配合比 单位：kg/m3

(2)试件制作。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，并结合混凝土配合比，按标准试验方法制作尺寸为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。

(3)冻融循环试验方法。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)采用“快冻法”进行冻融循环试验。将棱柱体试件龄期至24 d时转移至20 ℃的水中浸泡，棱柱体试件龄期至28 d时，对试件进行编号，并称量其初始质量和初始动弹性模量，之后放入快速冻融试验箱内进行冻融循环。

冻融循环过程中，中心棱柱体试件核心温度任意时刻均控制在(-20～7 ℃)范围内，试件降温时间控制在2 h左右，升温时间控制在1 h左右，而且试件升温与降温之间转化的时间控制在10 min内。每隔50次对各棱柱体试件进行质量和动弹性模量的测定，同时进行外观检查。

冻融循环试验停止的标准为：试件到达300次冻融循环；试件相对动弹性模量下降40%；试件存在5%及以上的质量损失率。

4 试验结果及分析

混凝土抗冻性能是评估混凝土耐久性能的一项重要指标。对不同掺量混凝土进行快速冻融试验，经多次冻融循环后对试件的质量和动弹性模量进行测量，得到混凝土不同掺量对其抗冻性能的影响。不同矿物掺量的混凝土质量损失率以及相对动弹性模量结果如下。

4.1 改变粉煤灰掺量

利用粉煤灰代替同等质量的水泥，将粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%，其测试结果如图1和图2所示。

图1 质量损失率

图2 相对动弹性模量

经300次冻融循环后，混凝土质量损失率处于2%以内，随着冻融循环次数的增加，混凝土质量损失率也在提高，但混凝土质量损失率降低的速率在下降。保持其他矿物掺量相同的条件下，粉煤灰掺量为30%的混凝土质量损失率均大于粉煤灰掺量为10%和20%的混凝土，而且粉煤灰掺量为30%的混凝土相对动弹性模量低于粉煤灰掺量为10%和20%的混凝土，因此粉煤灰掺量为30%时，混凝土抗冻性能处于一个较优状态。

4.2 改变矿粉掺量

利用矿粉代替同等质量的水泥，将矿粉掺量分别为30%、40%、50%，其测试结果如图3和图4所示。

图3 质量损失率

图4 相对动弹性模量

经300次冻融循环后，混凝土质量损失率处于3%以内。随着冻融循环次数的增加，混凝土质量损失率也在增加，但混凝土质量损失率降低的速率在下降；混凝土经历不同冻融循环次数后，其相对动弹性模量均下降。矿粉掺量分别为30%、40%、50%时，在相同冻融循环次数条件下，随着矿粉掺量的增加，混凝土相对动弹性模量下降，混凝土质量损失率增加，说明矿粉掺量超过30%后，增加矿粉掺入量会对混凝土抗冻性能产生不利影响，因此矿粉掺量为30%时，混凝土抗冻性能处于一个较优状态。

4.3 改变硅灰掺量

利用硅灰代替同等质量的水泥，将硅灰掺量分别为5%、10%、15%，其测试结果如图5和图6所示。

图5 质量损失率

图6 相对动弹性模量

经300次冻融循环后，混凝土质量损失率处于3%以内。随着冻融循环次数的增加，混凝土质量损失率也在增加，但混凝土质量损失率降低的速率在下降；混凝土经历不同冻融循环次数后，其相对动弹性模量均下降。在相同冻融循环次数条件下，随着硅灰掺量的增加，混凝土相对动弹性模量降低，混凝土质量损失率增加，说明5%硅灰掺量的混凝土抗冻性能处于较优状态。

5 结 论

针对海工混凝土抗冻性能进行研究，通过对比不同掺合料条件下混凝土动弹性模量和质量损失率，分析了不同矿物掺合料掺量对海工混凝土抗冻性能的影响，并得到以下结论。

(1)矿粉、粉煤灰和硅灰可以改善混凝土抗冻性能，当三种矿物掺合料同时掺入混凝土时，应控制其掺入量，避免矿物掺入量过大导致混凝土抗冻性能下降。

(2)针对具有抗冻性能要求的混凝土，在设计混凝土配合比时，海工混凝土各种矿物掺料优化的配比为5%(硅灰)、30%(粉煤灰)、30%(矿粉)。