粉煤灰对大含气量混凝土抗冻性能的影响

刘昱　申向东　董伟　李亚童　赵贵成

摘要：为了研究粉煤灰对大含气量混凝土抗冻性的影响，制备了粉煤灰掺量为25%、30%、35%、40%、50%的混凝土试件，采用快冻法进行冻融循环试验研究。结果表明：一定量的粉煤灰会对试件的早期抗压强度造成影响，整体上大含气量混凝土的强度随着粉煤灰掺量的增加而降低；混凝土试件在冻融试验初期质量损失不明显，随着试验的进行，质量损失率整体呈增大趋势；对比质量损失率和相对动弹性模量两个评价指标，引气剂的添加对混凝土的内部结构有明显改善作用，冻融循环破坏主要是试件外表面的破坏；在含气量为6%条件下，粉煤灰的最适宜掺量为25%，结合工程实际需要可提升至30%，以节约施工成本。

关键词：含气量；粉煤灰；抗冻性；孔结构分析

粉煤灰作为混凝土矿物掺和料，具有降低混凝土水化热、改善混凝土和易性等特点，可以替代部分水泥，从而起到节约成本的作用，广泛应用于建筑行业的各个领域。一般情况下，粉煤灰的掺量不宜过多，通常控制在30%以内，否则会对混凝土的抗冻性产生影响。试验表明，掺入引气剂可以提高混凝土的含气量，从而有效改善混凝土的抗冻性。目前，不同含气量对混凝土的影响以及粉煤灰掺加量对混凝土的影响方面的研究较多，但是针对不同粉煤灰掺量对大含气量混凝土影响的研究较少。本文结合内蒙古河套灌区沈乌灌域输水渠道模袋混凝土衬砌工程，通过冻融循环试验、孔结构分析试验等研究不同粉煤灰掺量对大含气量混凝土抗冻性的影响。

1试验概况

1.1试验原材料

水泥选用蒙西牌P·0 42.5R水泥，细度为1.7%，标准稠度为28.4%，安定性合格，初凝时间为220 min，终凝时间为260 min，3 d龄期抗压强度为29.6 MPa，28 d龄期抗压强度为51.1 MPa：粉煤灰采用磴口县金牛火力发电厂生产的Ⅱ级灰，密度为2.25 g/cm3，细度为18.2%，含水率为0.3%，烧失量为2.34%，需水量比为98%；细骨料采用磴口当地河砂，级配良好，细度模数为2.5，表观密度为2 630 kg/m3，堆积密度为1 690kg/m3，含泥量为1.8%，含水率为0.5%；粗骨料采用磴口当地碎石，粒径为5-15 mm，表观密度为2 760 kg/m3，含泥量为0.5%，泥块含量为0.2%，石子压碎指标为6.7%；水采用普通自来水；外加剂为内蒙古荣升达新材料有限责任公司生产的复合型聚羧酸高性能引气减水剂，其质量符合《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2013）。

1.2配合比设计

基于模袋混凝土除满足普通混凝土设计要求外，还应具有良好流动性的特点，设计水灰比为0.5，含气量控制在6%左右。试验采用等量替代法，依照质量分数分别用粉煤灰替代水泥用量的25%、30%、35%、40%、50%，具体配合比见表1。

1.3试验设计

（1）力学性能试验。试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行。试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。试件成型脱模后，放入标准养护箱中养护，并测试7、28 d的抗压强度。

（2）冻融循环试验。试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，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）中的快冻法进行抗冻性试验。标准养护箱中养护24 d、清水中浸泡4 d后，分别测定试件25、50、75、100、125、150、175、200次冻融循环后的相对动弹性模量和质量变化。

（3）孔结构分析试验。将冻融后的试件进行切割，取试件中间部分切割成12 mm左右的薄片，经过打磨、涂色后，利用气孔分析仪分析得到试件的气泡个数频数、气孔问距系数、孔径比表面积等。

2试验结果分析

2.1力学性能试验结果及分析

由图1可知，在含气量一定的情况下，粉煤灰的掺量对混凝土的抗压强度有一定影响。一定掺量范围内，粉煤灰掺量越少，试件早期抗压强度越高，当粉煤灰掺量为25%时，试件的7 d抗压强度最大，达到24.0 MPa，随着粉煤灰掺量的增加，试件抗压强度呈降低趋势，且粉煤灰掺量越大，下降趋势越明显，当粉煤灰掺量为50%时，7 d抗压强度仅为11.8 MPa。28 d抗压强度呈现相同的变化趋势，当粉煤灰掺量过大，超过40%时，已不能满足设计要求。粉煤灰掺量为30%-40%时，7 d抗压强度变化不大，说明粉煤灰仅在一定程度上对试件早期强度产生影响，粉煤灰替代一定量的水泥，将会影响试件的早期强度。

2.2冻融循环试验结果及分析

（1）质量损失率。由图2可知，冻融循环作用下，混凝土试件初期质量损失不明显，随着试验的进行，质量损失率整体呈增大趋势，并且粉煤灰掺量越大，后期质量损失越严重，同时质量损失率伴随有质量波动现象。产生这一现象的主要原因是，试件的含气量较大，内部存在大量孔隙，有效地增强了试件的抗冻性。在试验前期，冻融破坏主要作用于试件表面，试件表面逐渐受到破坏，慢慢出现细微裂纹，水分通过表面的细微裂纹进入试件内部，因此各组试件的质量出现少许增加；当冻融循环次数超过75次后，各组试件的质量均开始明显下降，试件表面光滑层完全破坏、粗糙、脱落；冻融循环次数为100-150次时，出现质量增加现象，原因是试件内部与溶液大面积接触，溶液通过试件孔隙进入試件内部，冻结后在混凝土内部产生张力，融化后部分溶液残留在孔隙当中，使试件质量增加；冻融循环次数达到150次以后，试件质量又开始明显下降，整体质量损失开始加快，原因是试件与溶液的接触部分的胶凝材料等发生破坏，产生酥松、剥落，导致质量损失增大。

（2）冻融破坏形态。以粉煤灰掺量为25%的试件为例，研究冻融循环次数对试件形态的影响。整体上看，冻融循环75次前后，试件表面无明显变化。冻融循环100-150次，试件表面明显出现破损掉渣现象，棱角遭到破坏，可以看见部分试件表层脱落露出石子；冻融循环175-200次，试件表面出现明显松动剥落，两端尤为严重，表面已无完整浆体包裹，部分骨料脱落，各个侧面裸露大量石子，损伤脱落部分具有一定厚度，但整体性能完好。其他不同掺量粉煤灰试件受损情况类似，整体性能未受破坏，差别为受损程度随着粉煤灰掺量的增大而加深。

（3）相对动弹性模量。相对动弹性模量的下降程度能够反映混凝土结构内部的损伤程度，由图3可知：冻融循环作用下，随着冻融循环次数的增加，试件的相对动弹性模量呈降低趋势。在50次冻融循环之前，各组试件的变化率差异不大；冻融循环75次开始，粉煤灰掺量为50%的试件的相对动弹性模量明显下降，其他混凝土试件相对动弹性模量下降趋势差别不大：当冻融循环100次时，粉煤灰掺量为30%、35%的混凝土试件的相对动弹性模量出现交叉、重合现象；冻融循环200次时，各试件仍具有良好的整体性，只有粉煤灰掺量50%试件的相对动弹性模量不足60%，下降为55.4%。由此可知：虽然含气量可以提高混凝土的抗冻性，但是过大的粉煤灰掺量，在冻融循环初期对混凝土抗冻融性能影响不大，在冻融循环达到一定次数后，混凝土的抗冻融性能明显劣化。

2.3孔结构试验结果及分析

（1）气泡个数频数。由图4可知，各组试件不同弦长气泡分布有明显规律，整体近似呈正态分布，所含大部分弦长气泡为0-100 um，也有部分气泡弦长达到200 um，弦长为0-500 um的气泡占大多数，约为气泡总数的80%，气泡弦长超过1 000 un的比例不足10%。

粉煤灰掺量25%、30%、35%、40%的试件气泡个数频数相差不大，气泡弦长为0-100 um均超过60%，而粉煤灰掺量50%的试件在该区问个数频数不足40%，微小气泡含量较少，对比大弦长气泡个数频数，其含量又相对较多。说明粉煤灰的掺量存在一个稳定区间，在该区间内粉煤灰掺量对气泡个数频数影响不大，一旦超出这一区间，过大的粉煤灰掺量会对气泡个数频数造成影响，而正是大量微小气泡的存在使得混凝土试件具有良好的抗冻性，因此粉煤灰含量过高影响其抗冻性。

（2）气孔间距系数。不同粉煤灰掺量下气泡间距系数与气孔数量见表2，从表2可以看出，各组试件气泡间距系数均小于200 um，符合诸多专家学者对有抗冻性能要求的混凝土气孔间距系数范围的推定，同时整体上气孔问距系数与气孔数量成反比，这也验证了气孔间距系数过大，气孑L数量减少，抗冻性能降低的结论。

气孔间距系数随着粉煤灰掺量的增加呈现出先减小后增大的规律，单从气孔间距系数的角度考虑，粉煤灰掺量为30%、35%的混凝土的抗冻性能优于其他掺量混凝土的，但从上文抗冻性能试验结果来看，二者的抗冻性能并不是最优，由此说明气孔间距系数虽是影响混凝土抗冻性能的关键指标，但不是决定性指标。

（3）气泡比表面积。气泡比表面积是混凝土中气泡的总面积与气泡体积的比值。一般来说，气泡比表面积这一参数不能单独用来评价混凝土气泡的孔径分布，原因是即使气泡比表面积相同，气泡孔径分布也可能存在较大差异。但本文混凝土试件含气量相差不大，因此气泡比表面积可以在一定程度上反映混凝土试件的气泡孑L径分布。粉煤灰掺量为25%、30%、35%、40%、50%的混凝土的气泡比表面积分别为30.05、34.84、43.09、34.46、11.84 mm-1，可以看出，粉煤灰掺量50%的混凝土的气泡比表面积较其他掺量混凝土的要小。根据严捍东等的研究成果，混凝土气泡比表面积为24-43 mm-1时，混凝土表现出良好的抗冻性，说明粉煤灰掺量50%的混凝土的抗冻性相对较差。

3结语

通过力学性能试验得出，一定量的粉煤灰会对试件的早期抗压强度造成影响，试件强度整体随着粉煤灰掺量的增加而降低，当粉煤灰掺量超过40%时，已不能满足设计要求：混凝土试件在冻融试验初期质量损失不明显，随着试验的进行，质量损失率整体呈增大趋势，但在冻融循环200次后，粉煤灰掺量25%、30%的混凝土试件的质量损失率不足5%；相对动弹性模量与冻融循环次数呈负相关关系，经过200次冻融循环后，仅粉煤灰摻量50%的试件的相对动弹性模量下降到60%以下，对比质量损失率和相对动弹性模量两个评价指标。说明引气剂的添加对混凝土内部结构有明显改善作用，冻融循环破坏主要是试件外表面的破坏：通过孔结构分析试验从微观角度对混凝土的抗冻性进行分析，得到的试验结果同冻融循环试验结果基本吻合，即粉煤灰掺量越少，混凝土试件抗冻性能越好。

通过试验结果分析，在含气量为6%条件下，粉煤灰的最优掺量为25%，鉴于25%与30%粉煤灰掺量的混凝土试件各项性能差别不大，根据实际工程需要可以使用粉煤灰掺量为30%的配合比，以节约成本。