試驗研究

關于大摻量粉煤灰混凝土含氣量、氣泡參數(shù)表征抗凍能力相關性的探討*

*基金項目：大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室基金資助(LP1213)。

□□ 艾紅梅，戴碧琳，郭建華，楊晨光(大連理工大學 建筑材料研究所，遼寧 大連116024)

摘要：鑒于凍融作用對大摻量粉煤灰混凝土(High Fly ash Content Concrete，HFCC)造成的破壞較為嚴重，對國內(nèi)外的研究情況進行了分析，總結了現(xiàn)階段大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的研究進展。主要對混凝土拌合物含氣量和硬化混凝土氣泡參數(shù)表征HFCC抗凍性的科學性和可行性進行了分析，并且對二者的相關性進行探討。

關鍵詞：大摻量粉煤灰混凝土；抗凍性；含氣量；氣泡參數(shù)

文章編號：1009-9441(2015)03-0022-03

中圖分類號：TU 528.01

文獻標識碼：A

Abstract：Given the freeze-thaw effect on high fly ash content concrete (HFCC) is relatively serious，the paper analyzes the domestic and foreign research and summarizes the present research progress of antifreeze performance of concrete with high volume of fly ash.

作者簡介：艾紅梅(1974-)，女，遼寧本溪人，副教授，碩士生導師，博士，現(xiàn)從事建筑材料教學與科研工作。

收稿日期：2015-03-19

引言

為了提高混凝土的耐久性，在混凝土中摻入礦物摻合料是一種普遍手段。隨著高效減水劑的發(fā)展和市場上優(yōu)質(zhì)粉煤灰的大量供應，大摻量粉煤灰混凝土以其良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益越來越被人們所重視。用粉煤灰大量取代水泥，不僅能夠減少水泥用量、節(jié)約成本，而且使得燃煤發(fā)電廠煙道中的固體廢棄物得到了有效利用，尤其是在海工領域大摻量粉煤灰混凝土有著強大的生命力。但是，由于北方海洋環(huán)境對混凝土的劣化較為嚴重，造成部分工程的服役年限不足十年。所以，對大摻量粉煤灰混凝土鹽凍性能的研究有著重要意義。

混凝土中的含氣量是影響抗凍性的重要指標。引氣劑能夠在混凝土中引入無數(shù)微小且不連通的氣泡，這些微小氣泡均勻地分布在混凝土體內(nèi)，就可以容納自由水的遷移[1]，從而大大緩和了靜水壓力，極大地提高了混凝土承受反復凍融破壞的能力。同時，引氣劑的加入還明顯改善了混凝土的和易性和抗?jié)B性，從而提高了混凝土的耐久性。但含氣量的增加在一定程度上有損混凝土的強度。賈致榮等[2]的研究表明，含氣量的高低能夠影響大摻量粉煤灰混凝土的強度。隨著引氣量的增加，混凝土抗壓強度下降1.07%~7.49%。在不同齡期時，不同粉煤灰摻量及水膠比不同的混凝土的強度降低幅度存在差異。當混凝土中粉煤灰摻量較高時，由于球形的粉煤灰比表面積大，以及粉煤灰中燃燒不完全碳的存在，使得HFCC對引氣劑有一定的吸附作用，致使引氣劑的引氣效果降低，從而影響了大摻量粉煤灰混凝土的抗凍能力。對于HFCC抗凍能力的研究，“混凝土拌合物含氣量”是一種較為常見的表征方法。20世紀50年代，Powers T C提出的氣泡間距系數(shù)，也是評價混凝土抗凍性的重要參數(shù)。本文將主要探討這兩種方法表征HFCC抗凍能力的準確性以及兩者間的相關性。

1大摻量粉煤灰混凝土抗凍性的研究進展

凍融破壞是我國北方地區(qū)水工建筑遭受的主要病害。用大摻量粉煤灰代替部分水泥，能降低大體積混凝土由于水化熱過大而產(chǎn)生的溫度梯度，從而減少開裂；有效地降低了孔隙率而使水泥水化產(chǎn)物分布更均勻，增加水泥結構的致密性，減少泌水通道，提高抗凍能力。

對大摻量粉煤灰混凝土抗凍性的研究有很多。Saito M等[3]研究了凍融循環(huán)后混凝土Cl-滲透性的變化以及裂縫對氯離子滲透的影響。研究表明，裂縫的增多會使Cl-滲透性增大；對于非引氣的粉煤灰混凝土，凍融循環(huán)后相對動彈模下降，而且Cl-滲透系數(shù)明顯增大，說明粉煤灰沒有明顯增加內(nèi)部裂縫。游有鯤等[4]研究了含氣量、粉煤灰摻量對混凝土抗凍性的影響。研究表明，低水膠比的混凝土，在摻入原狀Ⅰ級粉煤灰時，混凝土的抗凍性能主要取決于混凝土內(nèi)部的孔隙率和孔徑分布，為了提高混凝土的抗凍性能必須引入適量的氣泡。當粉煤灰摻量較大時，混凝土的含氣量穩(wěn)定性受到粉煤灰吸附的影響。但在相同孔隙率下，由于粉煤灰所引入的封閉玻璃體空腔和其火山灰作用，有利于混凝土的抗凍性和抗?jié)B性能的提高。這說明粉煤灰確實會對引氣劑產(chǎn)生一定的吸附作用，這對混凝土的抗凍性是不利的。但同時，在孔隙率一樣的情況下，粉煤灰的加入能在一定程度上提高混凝土的抗凍性。

內(nèi)部孔結構是影響混凝土受凍融破壞的關鍵因素。外摻粉煤灰能夠改變混凝土的孔結構，增加總孔隙率，細化最可幾孔徑分布，使混凝土凍融破壞方式由靜水壓侵蝕向滲透壓侵蝕轉(zhuǎn)變，加劇了結構性能的劣化。研究表明[5]，粉煤灰混凝土的抗凍性能隨水膠比的增加而顯著下降；隨著粉煤灰摻量的增加，引氣型混凝土的抗凍性明顯降低。配制粉煤灰混凝土必須摻入引氣劑，以保證必要的抗凍性能。李長祥等[6]的研究表明，粉煤灰混凝土的引氣量、水膠比、強度是影響其抗凍性的決定因素。目前，有很多關于大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能方面的研究，它仍舊是一個熱點問題，但也極具研究的現(xiàn)實意義。

2含氣量表征HFCC抗凍性的研究進展

粉煤灰的大摻量添加，對寒冷地區(qū)水工混凝土的抗凍性會帶來不利影響，此時需要添加引氣劑來改善甚至提高混凝土的抗凍性。引氣劑的引入能夠給混凝土中帶來大量的微小而又均勻分布的封閉氣泡，提高混凝土的含氣量，從而提高混凝土的抗凍性和耐久性。在相同水泥用量和坍落度的條件下，引氣劑摻量越大，混凝土的含氣量就越大，抗壓強度損失率就越大；在含氣量<6%時，隨著含氣量的增加，混凝土的韌性增加；引氣劑摻量一定時，混凝土拌合物坍落度與混凝土含氣量之間為拋物線關系[7]。

高摻量的粉煤灰導致碳粒對引氣劑有很強的吸附作用，使得混凝土沒有足夠的微細氣泡。為保證HFCC的含氣量滿足抗凍要求，必須增加引氣劑摻量，而引氣劑摻量的多少又與粉煤灰的細度和燒失量等因素有關。對于HFCC而言，引氣含量不宜過大，含氣量超過一定范圍時，均勻分散的氣泡會相互貫穿連通，對混凝土的抗?jié)B性、抗凍性不利[8]。試驗證明[9]，普通混凝土含氣量應控制在4.5%~6.0%之間，可達到較好的抗凍效果。而對于粉煤灰摻量較大的混凝土，含氣量在5%~15%之間時，抗凍性才可能高于普通硅酸鹽混凝土[10]。此外，引氣含量對HFCC的耐久性也有一定影響。研究表明[9]，引氣劑提高了大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性。摻入引氣劑后，大摻量粉煤灰混凝土的28 d抗?jié)B性能大幅度提高，氯離子擴散系數(shù)可以達到很低的標準，在一定范圍內(nèi)，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著含氣量的提高而降低。

綜上所述，HFCC在寒冷地區(qū)抗凍性的大小可以用含氣量來表征，含氣量的增加不僅能夠提高混凝土的抗凍性，而且對混凝土耐久性方面也有積極影響。但是，由于粉煤灰對引氣劑的吸附較為明顯，造成HFCC含氣量偏低，對抗凍性有不利影響。

3氣泡參數(shù)表征HFCC抗凍性的研究進展

與混凝土拌合物含氣量相比，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)能更準確地反映出混凝土的抗凍能力。硬化混凝土氣泡參數(shù)對引氣混凝土抗凍性起著至關重要的作用[11]。表征硬化混凝土氣泡體系特征的參數(shù)主要有含氣量、氣泡平均半徑和氣泡間距系數(shù)。采用氣泡參數(shù)來表征HFCC抗凍性的研究有很多。有研究表明[12-14]，在一定含氣量下，氣泡間距越小、氣泡個數(shù)越多，混凝土抗凍性就越好。研究表明[15]，在硬化混凝土氣泡參數(shù)中，氣泡平均半徑對混凝土抗壓強度的影響最大，混凝土抗壓強度隨氣泡平均半徑的增大而降低。氣泡間距系數(shù)對引氣混凝土抗凍性的影響非常顯著。這些都說明，3個主要氣泡參數(shù)對混凝土的抗凍性和抗壓強度有很大影響，用它們來衡量混凝土性能是合理的。

嚴捍東等[16]的研究表明，在相同水膠比、相同養(yǎng)護齡期下，混凝土的氣泡參數(shù)與粉煤灰摻量間沒有一定的關系，但氣泡參數(shù)會隨養(yǎng)護齡期的增長向不利于抗凍性的方向變化，粉煤灰摻量越高，則變化的幅度越低。高摻量粉煤灰可能會降低引氣量，但對氣泡結構的穩(wěn)定有利，這對于提高抗凍性也是有利的。

綜上所述，混凝土的抗凍性可以采用氣泡間距、氣泡個數(shù)和氣泡平均半徑等氣泡參數(shù)來表征，它們更關注混凝土的微觀結構特性，能使人在看到試驗中的宏觀現(xiàn)象的同時，更清楚地了解它們的微觀原理，從而方便研究。同時，可以確定的是，適當摻量的粉煤灰對于氣泡結構的穩(wěn)定是有利的。

4新拌混凝土含氣量與氣泡參數(shù)的相關性

從以上討論可知，新拌混凝土的含氣量和氣泡參數(shù)均可以用來表征混凝土的抗凍性，那么這二者之間是否有一定的相關性，從而可進行一定的換算，以下就這個問題進行討論。

混凝土中加入引氣劑會引入微小氣泡，增加混凝土中的含氣量，這些微小氣泡互不連通，就像一個個彈簧阻隔外界侵蝕，阻礙水的滲透以及泌水通道的形成，從而提高混凝土的抗凍性和耐久性，含氣量指標便是表征混凝土結構中所含氣泡數(shù)量的參數(shù)。要使引氣劑引入的氣泡起作用，這些氣泡必須微小且互不連通，穩(wěn)定均勻地分布于混凝土結構中，所以就對氣泡參數(shù)有一定的要求。含氣量是指單位體積中所含氣體的體積百分比，可見氣泡個數(shù)與含氣量有一定的相關性。要控制氣泡微小，一般用氣泡平均半徑進行表征，氣泡越大越容易溢出，反而有損于抗凍性，一般氣泡平均半徑應控制在合理范圍內(nèi)(0.05~1.27 mm)。氣泡間距則可以用來表征氣泡是否均勻分布，是否彼此連通。由此可見，用含氣量表征混凝土抗凍性得以成立，很大程度上源于氣泡參數(shù)符合一定的要求。同時，氣泡尺寸和氣泡間距最終都反映到含氣量上。當含氣量一定時，氣泡尺寸越小，氣泡數(shù)量越多，則氣泡間距值越小。當氣泡尺寸不變時，則含氣量越大，氣泡間距值越小，抗凍性能越好。因此，對混凝土抗凍融能力的控制最終還是對含氣量的控制[17]。綜上所述，含氣量與氣泡參數(shù)之間確實具有一定的相關性，用兩者分別表征混凝土抗凍性也有其合理性。

5結語

大摻量粉煤灰混凝土抗凍能力可由含氣量和氣泡參數(shù)分別進行表征，前者是在宏觀層面進行考量，后者主要著眼于微觀層面。通過國內(nèi)外的大量研究可知，用這兩個指標來進行抗凍能力的表征都具有一定的科學根據(jù)，但兩者之間目前并未發(fā)現(xiàn)準確的對應關系。希望在未來能逐漸找到一個指標，兼顧含氣量和氣泡參數(shù)的優(yōu)點，統(tǒng)籌微觀和宏觀，對大摻量粉煤灰混凝土的抗凍能力進行表征。

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On the Correlation between Air Content and Air Bubble Parameters Frost Resistance Performance of High Fly Ash Content Concrete

AI Hong-mei，DAI Bi-lin，GUO Jian-hua，YANG Chen-guang

(Building Materials Research Institute，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024，China)

This paper mainly analyzes the science and feasibility of concrete mixture air content and hardened concrete bubble parameters HFCC frost resistance and explores the correlation between the two.

Key words：high volume fly ash concrete；frost resistance；air content；bubble parameters

(編輯盛晉生)