粉煤灰对混凝土抗冻性的影响及分析

孙顺治

摘 要：粉煤灰是现代混凝土中常用的矿物掺合料之一，它作为工业副产品，在混凝土中的应用不但起到了资源综合利用的作用，同时减小环境压力，由于它的价格相对低廉，在混凝土中取代水泥应用更能降低成本。同时它在混凝土中还能起到改善抗冻性和抗渗性等耐久性指标的作用。通过对比试验证明，在C30混凝土中使用粉煤灰等量取代30%水泥的情况下可以明显提高混凝土抗冻性能。

关键词：混凝土；粉煤灰；抗冻性

1 引言

混凝土是建筑工程中最重要的材料之一。随着人们对工程质量要求的不断提高，对混凝土性能也有了更高的要求。混凝土的质量稳定性、混凝土结构的裂缝及耐久性等问题得到高度重视。在北方严寒地区，耐久性更是混凝土各项性能的重中之重。混凝土耐久性包括抗冻性、抗渗性、抗碱集料反应、抗碳化及阻止混凝土中的钢筋锈蚀等性能，工程中常通过向混凝土中掺入引气型外加剂、掺入粉煤灰、矿粉等矿物掺合料或掺加防腐阻锈类外加剂等方法来提高混凝土的耐久性。本文主要就粉煤灰对混凝土抗冻性能的改善进行试验分析。

2 试验方案设计

本次试验采用的原材料：

粉煤灰：沈阳红阳热电公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰（详细参数见表1、表2）。

水泥：辽宁恒威水泥集团有限公司生产的P·O42.5级水泥；

砂子：细度模数2.6，含泥量1.4%的河砂，产地铁岭；

石子：粒径5～25mm连续级配碎石，产地辽阳；

外加剂： 辽宁省建设科学研究院生产的LJK900型聚羧酸高性能减水剂（标准型），掺量1.2%，减水率27%。

方案设计基本思路：使用以上原材料分别设计两组强度等级为C30的混凝土配合比（配合比信息见表3），一组为完全使用水泥为胶凝材料的基准混凝土（J-C30），另一组为使用粉煤灰等量取代30%水泥的粉煤灰混凝土（F-C30），两组配合比分别成型边长100mm的立方体试块各4组12块做抗压强度使用，边长为100mm×100mm×400mm的长条形试块各2组6块做快速冻融试验使用。将成型好的试块放入标准养护室，期间养护室温度保持在（20±2）℃，相对湿度保持在95%以上，立方体试块标养到28d时取出，擦去表面水分，在压力试验机上以每秒钟0.5MPa～0.8MPa的加荷速度进行抗压强度试验，并算出各试块的抗压强度及强度平均值。抗冻试件养护到24d时取出随后放入温度为（20±2）℃的水中浸泡4d，后将试块从水中取出，除去表面水分，对试块进行编号、称重并测量每个试块的动弹性模量，测量完毕后将试块装入快速冻融用试模盒内，并在试模盒内加水，水面保持高出试件顶端5mm以上，然后将试模盒连同试件装入快速冻融试验机进行冻融循环。试验机冷冻和融化过程中，试块的中心温度控制在（-18±2）℃和（5±2）℃范围内，每次冻融循环均在2～4小时内完成。每25次循环取出试块，将表面浮渣清洗干净并擦干水分后测量试块质量和动弹性模量。直至每組试件的相对动弹性模量平均值下降到初始的60%以内或质量损失平均值超过5%时，试验停止，记录此时的冻融循环次数。

在本次试验搅拌和成型过程中，两种混凝土出现了一些细微的不同，掺粉煤灰的混凝土F-C30与基准混凝土J-C30在用水量和其它材料用量一只的条件下坍落度提升了10mm，同时试验过程中观察混凝土的粘聚性和保水性也都是F-C30要更好一些，这也侧面反应出本次试验使用的F类Ⅱ级粉煤灰起到了改善混凝土和易性的作用。强度和抗冻试验为尽量减少试验误差，本次试验两种混凝土的强度和冻融循环试样均采集了两组试样的数据进行分析。从表4中的数据可以看出，7d强度上F-C30与J-C30相比明显降低，降低比例达到24.5%，这说明在等量取代水泥情况下，由于粉煤灰早期反应速度较慢或几乎不发生反应，对混凝土强度的早期贡献较低，因此7d强度表现为明显降低。但随着混凝土中水化反应的深入，粉煤灰火山灰作用和水泥熟料水化反应的相互促进，F-C30的28d强度增长幅度比较大，与J-C30相比只降低1MPa左右，说明粉煤灰在当前掺量下，对混凝土的后期强度无明显降低。抗冻性方面本次试验采用GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》标准中的快冻法对比了两种混凝土冻融试验后的质量损失和动弹性模量损失，并确定了两种混凝土的抗冻等级。试验表明，在其他材料用量完全一致的情况下，F-C30的初始动弹性模量要略高于J-C30，提高比例为3.6%。而冻融过程中前50次两种混凝土的质量损失和弹性模量损失都非常小，可以忽略不计。75次循环之后，J-C30的质量损失为1.3%，动弹性模量损失8.7%， F-C30质量损失0.9%，动弹性模量损失5.1%，虽然两者绝对差值不大，但已经开始出现差距，F-C30略好于J-C30，100次循环后J-C30的质量损失为3.0%，动弹性模量损失16.0%，而F-C30质量损失1.9%，动弹性模量损失9.6%，两种混凝土的差距进一步拉大，并且两者的损失速率都在加快，但F-C30的破坏速率明显小于J-C30。当循环数达到125次时，J-C30的质量损失达到5.3%，并且停止试验，此时的弹性模量损失32.2%，虽然并未下降到初始值的60%以内，但也比较接近，J-C30的最终抗冻等级为F100。F-C30则明显好于J-C30，其质量损失3.0%，动弹性模量损失15.8%。最终F-C30在175次循环后质量损失超过5%，达到6.5%，动弹性模量损失36.0%，抗冻等级则达到F150。通过上诉对比分析，发现掺粉煤灰的混凝土抗冻性能得到了明显提高，究其原因主要是由于粉煤灰中活性成分火山灰反应生产水化硅酸钙起到了微填充效应，有效堵塞混凝土的毛细孔隙，使水分很难渗入混凝土内部，直接减少了冻融带来的破坏。

4 结语

粉煤灰对混凝土抗冻性的提升只是其众多益处之一，人们已经清楚的认识到它在混凝土中的重要作用。合理的使用粉煤灰不但能提高混凝土的和易性，还能提高混凝土的耐久性，减少水泥用量，降低混凝土水化热，降低工程造价等。随着粉煤灰应用研究的不断深入，粉煤灰在混凝土中的优势将得到更大的发挥。

参考文献：

[1] GB/T50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法[S].