粉煤灰对沙漠砂混凝土抗压强度及抗冻性能影响试验研究

杜勇刚 孙帅

(1. 中国十七冶集团有限公司中东分公司， 安徽 马鞍山 243001；2. 宁夏大学土木与水利工程学院, 银川 750021)

粉煤灰的综合治理和资源化利用，是节约资源和保护生态环境的重要研究课题。科研人员经过大量试验研究，将粉煤灰进一步资源化，并成功地应用于工程建设中[1]。有研究表明，混凝土抗碳化性能随着粉煤灰掺量的增加而减弱，适量掺入粉煤灰可改善和提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能[2]。随着粉煤灰掺量增多，混凝土抗碳化能力先升高后降低[3]。 粉煤灰和矿粉具有不同的活性，对混凝土抗压强度的影响规律有所不同[4]。在掺入粉煤灰、沙漠砂进行沙漠砂高强混凝土配置试验研究时发现,不同龄期中各因素对抗压强度的作用效果都不相同[5]。随着沙漠砂替代率和粉煤灰掺量增加，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度都出现了先增后减的趋势[6-7]。目前，关于单掺粉煤灰对沙漠砂混凝土抗冻性能影响的研究较少。本次研究设计了单因素影响试验，在水胶比不变的条件下，观察粉煤灰掺量对沙漠砂混凝土养护期7、28 d的抗压强度和抗冻性能影响规律，分析沙漠砂混凝土抗压强度最佳粉煤灰掺量值，利用各次冻融后质量损失率和动弹模量损失率评定沙漠砂混凝土抗冻性能。

1 试验材料和试验方案

(1) 试验材料。水泥,赛马牌42.5R普通硅酸盐水泥，经检测各项指标均符合国家标准；粗骨料，宁夏镇北堡生产人工碎石，采用两级配合比，大石与小石质量比为7 ∶3，其中小石粒径5～10 mm，大石粒径10～25 mm；中砂，宁夏镇北堡生产的人工水洗砂；沙漠砂，宁夏盐池县境内采集的毛乌素沙地特细砂；粉煤灰，宁夏大坝电厂生产I级粉煤灰，含水率为0.19%，活性指数可达到72.4%，烧失量达2.81%；减水剂，北京幕湖外加剂有限公司生产的粉末状聚羧酸高性能减水剂，减水率达到25%～30%；水，搅拌用水和养护用水均为自来水。

(2) 试验方案。沙漠砂混凝土强度设计标准值为C45，选定水胶比为0.34，控制水胶比不变，设计不同粉煤灰掺量配制沙漠砂混凝土,进行抗压强度与抗冻性能试验。表1所示为单因素试验方案及配合比。抗压强度试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗冻试验试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组按照表1中试验配合比分别制作6个试件，试件制作完成24 h后拆模，养护28 d后进行抗压强度试验和抗冻性能试验[8]。采用快冻法，将沙漠砂混凝土在质量分数5%的Na2SO4等盐碱溶液中进行冻融循环试验，若冻融循环次数达到 300 次，或相对动弹性模量下降到 60%以下，或质量损失率超过5%时，则判定冻融循环试验停止[9]。

表1 单因素试验配合比

2 抗压试验结果与分析

测得沙漠砂混凝土抗压强度试验数据(见表2)，各组测量值相对于中间值的误差均未超过15%。本次试验数据误差小，稳定性较好，测得数据真实有效。根据试验数据，绘制粉煤灰掺量对抗压强度的影响曲线(见图1)。可以看出，随着粉煤灰掺量增多，沙漠砂混凝土抗压强度呈先上升而后以不等速率下降的趋势。当粉煤灰掺量为10%时，粉煤灰在内部结构发生水化反应，胶凝材料重新均匀地填充于各个缝隙中，沙漠砂混凝土密实度大幅增强，从而使得28 d抗压强度达到最大值。当粉煤灰过量替代水泥时，导致混凝土结构自身发生化学反应而生成黏聚物减少，混凝土强度有所下降。

表2 抗压强度试验数据

图1 粉煤灰掺量对抗压强度影响曲线

3 抗冻试验结果与分析

3.1 外观分析

在盐碱溶液中,对沙漠砂混凝土进行了不同次数冻融循环。随着冻融循环持续进行，沙漠砂混凝土外表面层产生了不同程度的损伤。

沙漠砂混凝土在初始未冻前，其表面平整，棱角完整无损伤。随着冻融循环持续进行，混凝土表面砂浆层逐渐出现剥蚀，表面变得粗糙。同时，其表面胶凝材料剥蚀量增加，细骨料外露，混凝土棱角也开始脱落，表层细骨料疏松而失去黏结力，导致细骨料和粗骨料出现分层脱落，使混凝土大量粗骨料外露，最终试件被破坏。

3.2 质量损失率分析

质量损失率是评定沙漠砂混凝土抗冻性能的参考指标。与普通混凝土相似，在盐溶液和冻融循环作用下，沙漠砂混凝土质量损失率随着冻融循环次数的增多呈上升趋势，前期各组累计质量损失小于后期累计质量损失。在冻融前期，沙漠砂混凝土具有致密结构层，可阻止外界环境侵蚀，导致前期质量损失较少；但在冻融后期，冻融循环引起沙漠砂混凝土外表面和内部损伤不断累积，使得混凝土表层酥脆、结构疏松，内部结构出现的微裂纹不断扩展导致沙漠砂混凝土质量损失增多[12-13]。图2 所示为沙漠砂混凝土质量损失率与冻融循环次数关系。

图2 沙漠砂混凝土质量损失率与冻融循环次数关系

3.3 沙漠砂混凝土动弹模量分析

3.3.1 动弹模量损失率

在大量试验的基础上建立经验模型，分析沙漠砂混凝土处于盐碱溶液中的冻融循环后动弹模量及动弹模量损失率。 据混凝土损伤理论与损伤力学原理[10]，得：

σ=E0ε(1-D)

(1)

由材料力学可得：

(2)

将式(1)、(2)联立，可得：

(3)

式中：D—— 混凝土动弹模量损失率；

E0—— 混凝土初始动弹模量；

En—— 混凝土各次冻融后的动弹模量(残余动弹模量)。

动弹模量是评价混凝土抗冻性能的重要指标，动弹模量越大，表明混凝土抗冻性越强。本次试验中，选取较大动弹模量作为沙漠砂混凝土抗冻性最优参数[11]，测得各次冻融循环下的动弹模量(见表3)，试验数据均满足规范要求。

表3 各次冻融循环下的动弹模量 GPa

注：“—”表示试件已冻坏。

3.3.2 动弹模量损失率与冻融循环次数的关系

图3所示为沙漠砂混凝土动弹模量损失率与冻融循环次数关系曲线。随着冻融循环次数增加，沙漠砂混凝土动弹模量损失率呈递增趋势。

图3 沙漠砂混凝土动弹模量损失率与冻融循环次数关系曲线

当保持粉煤灰掺量为0不变时，沙漠砂混凝土动弹模量随冻融循环次数增加而呈减小趋势。以冻融循环100次为分界线进行分析：冻融循环0次至100次，动弹模量损失率较小；冻融循环100次至200次，动弹模量损失率较大。

当保持粉煤灰掺量10%不变时，随着冻融循环次数增加，沙漠砂混凝土动弹模量呈减小趋势。以冻融循环125次为分界线进行分析：冻融循环0次至125次，动弹模量损失率较小；冻融循环125次至225次，动弹模量损失率较大。

当保持粉煤灰掺量20%不变时，沙漠砂混凝土动弹模量随着冻融循环次数增加呈减小趋势。以冻融循环100次为分界线进行分析：冻融循环0次至100次，动弹模量损失率较小；冻融循环100次至200次，动弹模量损失率较大。

在冻融前期，动弹模量损失率略微上升。这表明沙漠砂混凝土内部结构微裂纹和孔洞处于闭合状态，处于混凝土结构损伤较为弱化阶段。在冻融后期，动弹模量损失率加速上升。这表明沙漠砂混凝土在冻融循环作用下，前期损伤稳步扩展，从而导致动弹模量迅速降低[15]。

3.3.3 粉煤灰掺量对动弹模量的影响

图4所示为粉煤灰掺量对沙漠砂混凝土动弹模量影响曲线。可以看出，沙漠砂混凝土各次冻融后动弹模量随着粉煤灰掺量增多呈先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量为10%时，冻融后各次动弹模量达到最大值。这是由于适量掺入粉煤灰活性矿物，改善混凝土界面结构和细化水泥浆体中孔径分布，提高混凝土致密性，致使混凝土中可冻自由水迁移困难，且渗透压不能有效释放，从而可提高混凝土抗冻性能[16]。

图4 粉煤灰掺量对沙漠砂混凝土动弹模量影响曲线

3.3.4 动弹模量函数衰变模型

依据现有研究成果[16-19]，对表4试验结果进行拟合，建立沙漠砂混凝土动弹模量一次函数型冻融衰变模型：E=aN+b。表4所示为拟合各组试验数据曲线函数。模型中，各组试件拟合度均大于0.900 0。模型的拟合度越高，沙漠砂混凝土使用寿命预测越准确。

表4 各组试件函数衰变模型及拟合度

注：模型中N为冻融循环次数。

4 结 语

本次研究采用了单掺法，在保持水胶比不变的条件下，通过试验观察不同粉煤灰掺量下沙漠砂混凝土的抗压强度和抗冻性能试验，分析其影响规律，并建立了沙漠砂混凝土动弹模量衰变模型。研究表明，沙漠砂混凝土7、28 d抗压强度随着粉煤灰掺量增多而呈先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量为10%时，抗压强度均达到最大值。随着冻融循环次数增加，沙漠砂混凝土质量损失率和动弹模量损失率均呈现递增趋势。沙漠砂混凝土各次冻融后动弹模量随着粉煤灰掺量增多而呈先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量10%时，冻融后各次动弹模量达到最大值。沙漠砂混凝土动弹模量衰变模型为一次函数型，可通过该模型对沙漠砂混凝土抗冻性能进行科学预测与分析。