黎君君 黎 福

高性能粉煤灰混凝土抗凍性試驗(yàn)分析

黎君君 黎 福

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

為研究粉煤灰對(duì)高性能混凝土抗凍性能的影響，利用凍融循環(huán)試驗(yàn)分析粉煤灰摻量、凍融循環(huán)次數(shù)、含氣量及結(jié)構(gòu)氣泡特征與抗凍性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：質(zhì)量損失率隨著粉煤灰摻量增加與凍融循環(huán)次數(shù)增加均呈顯著增加趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量呈逐漸下降趨勢(shì)，二者均對(duì)抗凍性能產(chǎn)生劣化效果；隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)含氣量增加，質(zhì)量損失率呈逐漸下降趨勢(shì)，且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同含氣量之間的質(zhì)量損失率指標(biāo)差異愈加顯著；隨著粉煤灰摻量增加，混凝土結(jié)構(gòu)中的氣泡數(shù)量顯著下降，耐久性系數(shù)也呈下降趨勢(shì)；粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性能的宏觀影響與氣泡特征微觀結(jié)構(gòu)變化基本相一致。

橋梁工程；水泥混凝土；抗凍性能；粉煤灰

引言

水泥混凝土作為主要的建筑材料，對(duì)工程質(zhì)量的影響不言而喻。隨著科技的發(fā)展，低碳減排技術(shù)也不斷地在工程建設(shè)中被嘗試應(yīng)用，這也是國(guó)家提倡的“雙碳”政策導(dǎo)向性結(jié)果，利用粉煤灰置換水泥混凝土中的水泥材料，不僅降低了水泥耗材用量，降低工程成本，還能解決粉煤灰無法處置的問題，這也是近20年來國(guó)內(nèi)外研究人員的主要研究方向之一。吳倩云等[1]研究了玄武巖纖維—礦渣粉—粉煤灰混凝土的力學(xué)性能變化規(guī)律，提出玄武巖纖維能夠顯著改善混凝土力學(xué)性能和抗凍性能，認(rèn)為氣泡平均弦長(zhǎng)是影響凍傷損壞的主要因素之一，并建立了氣孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與力學(xué)抗壓強(qiáng)度、抗凍損傷關(guān)系模型。孫婧等[2]利用原狀粉煤灰制備了超高性能混凝土，分析對(duì)其各項(xiàng)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明原狀粉煤灰能夠改善UHPC的工作性能，且在不超過最佳摻量條件下能夠提高UHPC的抗折強(qiáng)度，研究成果為原狀粉煤灰的應(yīng)用提供了新的方向。張志剛等[3]研究了粉煤灰對(duì)高延性混凝土（ECC）的力學(xué)性能影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在200℃條件下高摻量粉煤灰ECC混凝土的力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)良，高摻量粉煤灰有利于ECC混凝土在高溫環(huán)境中應(yīng)用。黨瑩[4]研究了納米ZnO、粉煤灰復(fù)合混凝土的耐久性能，分析發(fā)現(xiàn)納米ZnO與粉煤灰的最佳摻量存在相應(yīng)的關(guān)系，提出納米ZnO的含量控制在2%以內(nèi)，粉煤灰摻量控制范圍在20%～30%，但并沒有研究相應(yīng)的抗凍性能。

綜上所述，針對(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外均開展了多項(xiàng)研究與推廣，對(duì)于高性能混凝土抗凍性能也得到了部分研究成果。本文依據(jù)課題項(xiàng)目前期研究成果開展粉煤灰混凝土的抗凍性試驗(yàn)，旨在進(jìn)一步分析粉煤灰在高性能混凝土抗凍損傷中的影響規(guī)律，為其在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選擇石灰?guī)r集料：粗集料粒徑為［5，25］mm、細(xì)集料粒徑為［0，5）mm，水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5，礦料選擇某電廠的副產(chǎn)物Ⅱ級(jí)粉煤灰，減水劑為河北某公司生產(chǎn)的聚羧酸萘系高效減水劑，引氣劑選擇南京某公司生產(chǎn)的索爾維陰離子表面活性劑AE-1420（摻量為減水劑用量的0.3‰～0.9‰），相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見表1～表5。

表1 粗集料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表2 細(xì)集料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

注：—表示無。

表3 水泥試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

注：—表示無。

表4 粉煤灰試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表5 減水劑試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案

水泥混凝土抗凍性能是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)耐久性是否優(yōu)良的關(guān)鍵指標(biāo)之一，尤其是高寒惡劣環(huán)境區(qū)域的建設(shè)工程，只有能夠抵抗凍融循環(huán)破壞才能延長(zhǎng)其使用壽命。本文依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用快速凍融法開展相關(guān)研究，試驗(yàn)方案如下。

凍融次數(shù)選擇：采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d，凍融循環(huán)次數(shù)為0、25、50、75、100次。每間隔25次測(cè)量1次試件質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量，相對(duì)動(dòng)彈性模量（）、質(zhì)量損失率（△W）和耐久性系數(shù)（△K）指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

△W＝（0－n）/0×100 （2）

△K＝×/300 （3）

式中：E為凍融循環(huán)次的動(dòng)彈性模量；0為初始動(dòng)彈性模量；0為初始質(zhì)量；G為凍融循環(huán)次的質(zhì)量；為循環(huán)次數(shù)。

粉煤灰摻量?jī)?yōu)化：結(jié)合相關(guān)實(shí)體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，低等級(jí)水泥混凝土的粉煤灰摻量與高性能混凝土應(yīng)用存在較大的差異。低等級(jí)混凝土一般應(yīng)用于非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，粉煤灰用量最大約為45%；對(duì)于高性能混凝土主要通過與其他添加劑聯(lián)合應(yīng)用，進(jìn)一步改善其施工性能和力學(xué)性能，研究選擇摻量10%、20%和30%（水泥質(zhì)量的百分比），分析粉煤灰摻量變化對(duì)質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響。

氣泡特征參數(shù)試驗(yàn)：水泥混凝土中引入含氣量能夠顯著改善抗凍性能，但引氣劑的用量、類型與集料、水泥等原材料的性質(zhì)具有密切聯(lián)系，研究采用引氣劑用量為0.3‰、0.5‰和0.7‰。氣泡特征參數(shù)試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的直線導(dǎo)線法，計(jì)算硬化混凝土的氣泡數(shù)量、氣泡間距系數(shù)指標(biāo)。硬化混凝土的氣泡數(shù)量按公式（4）計(jì)算：

當(dāng)/＞4.33時(shí)，氣泡間距系數(shù)按式（5）計(jì)算：

當(dāng)≤4.33時(shí)，氣泡間距系數(shù)按式（6）計(jì)算：

2 粉煤灰對(duì)抗凍性能影響分析

粉煤灰高性能混凝土的力學(xué)性能與普通高性能混凝土存在相應(yīng)的差別，相關(guān)研究成果顯示摻加粉煤灰的混凝土抗凍性能劣于普通混凝土，但力學(xué)強(qiáng)度性能仍能滿足要求[5]。本文選擇的水膠比為0.45，不同粉煤灰摻量和不同循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 不同粉煤灰摻量下質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同粉煤灰摻量相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同循環(huán)次數(shù)下相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果

分析圖1～圖4可知：粉煤灰對(duì)高性能混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量均存在直接影響，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的質(zhì)量損失率顯著增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降，說明粉煤灰降低了高性能混凝土的抗凍性能。以凍融循環(huán)50次為例，與未摻入粉煤灰試件相比，當(dāng)粉煤灰摻量為10%、20%和30%時(shí)的質(zhì)量損失率分別提高了69.2%、153.8%和276.9%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降了3.9%、7.5%和13.2%。

另外，粉煤灰對(duì)試件質(zhì)量損失率影響程度與凍融循環(huán)次數(shù)也密切相關(guān)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粉煤灰摻量增加逐漸降低了對(duì)試件質(zhì)量損失率的影響程度。以凍融循環(huán)100次為例，與循環(huán)次數(shù)為25次相比，當(dāng)粉煤灰摻量為0、10%、20%和30%時(shí)，質(zhì)量損失率分別提高了600%、540%、513%和337%。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈增加趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量呈下降趨勢(shì)，與粉煤灰摻量變化對(duì)試件的影響規(guī)律相一致。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過75次時(shí)，與循環(huán)次數(shù)為25次相比，質(zhì)量損失率的變化幅度顯著增加。如：以粉煤灰摻量為30%為例，凍融循環(huán)次數(shù)為50、75和100次的質(zhì)量損失率分別提高了81%、130%和337%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降了9.9%、26.9%和42.6%。

結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，粉煤灰對(duì)高性能混凝土抗凍性能的影響主要體現(xiàn)在混凝土表面剝落和動(dòng)彈性模量的下降，尤其對(duì)混凝土的保護(hù)層產(chǎn)生剝離破壞（空隙越大，凍漲破壞越嚴(yán)重）。對(duì)于相對(duì)動(dòng)彈模量指標(biāo)，混凝土抗凍性能受凍融循環(huán)次數(shù)變化的影響程度與粉煤灰摻量關(guān)系不大，如粉煤灰摻量為10%時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)75次、100次的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降了23.9%、42.7%，粉煤灰摻量30%的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降了26.9%、42.6%。

3 含氣量對(duì)抗凍性能影響分析

在高性能混凝土施工過程中合理地?fù)郊右龤鈩┠軌蛎黠@改善混凝土的工作性能、抗凍性能[5]。對(duì)于粉煤灰混凝土而言，摻加引氣劑是否能夠良好保持其性能，需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。本文依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，水灰比選擇0.45，粉煤灰摻量30%，對(duì)不同含氣量和不同循環(huán)次數(shù)下的高性能混凝土抗凍性能進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 不同含氣量下質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同循環(huán)次數(shù)下相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5～圖8可知：混凝土中含氣量變化對(duì)其抗凍性能存在明顯影響，隨著含氣量的增加，質(zhì)量損失率呈逐漸下降趨勢(shì)變化，相對(duì)動(dòng)彈性模量呈增加趨勢(shì)變化。同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量與含氣量關(guān)系呈現(xiàn)凸曲線變化，在含氣量為0.004 6%時(shí)，其出現(xiàn)最大值，說明混凝土中適當(dāng)引入氣泡能夠顯著改善其抗凍性能。如：以凍融循環(huán)75次為例，含氣量0.003 2%、0.004 6%、0.006 5%的質(zhì)量損失率分別下降了40.3%、51.6%和66.1%（與含氣量0.001 2%相比較），相對(duì)動(dòng)彈性模量分別提高了11.4%、28.0%和23.6%。

不同含氣量的高性能混凝土，在初始狀態(tài)下的質(zhì)量損失率較為接近，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的顯著增加，不同含氣量的混凝土質(zhì)量損失率之間的差異越顯著，而相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)并不存在明顯變化。這也間接表明高性能混凝土抗凍性與長(zhǎng)期耐久性性能相關(guān)，質(zhì)量損失率指標(biāo)對(duì)不同含氣量的混凝土性能具有更強(qiáng)的敏感性。當(dāng)含氣量為0.004 6%和0.006 5%時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)50、75和100次的質(zhì)量損失率差值分別為0.04%、0.09%和0.11%。

綜上所述，含氣量在混凝土中的用量具有相應(yīng)的最佳范圍，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論研究結(jié)果相一致，對(duì)于粉煤灰混凝土，當(dāng)含氣量達(dá)到0.004 6%時(shí)，其抗凍性能改善效果較好，隨著混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的含氣量增加，其相對(duì)動(dòng)彈性模量值并未顯著提高。

4 粉煤灰對(duì)氣泡特性參數(shù)影響分析

研究發(fā)現(xiàn)硬化混凝土中的氣泡特性與抗凍性能優(yōu)劣存在關(guān)聯(lián)，如氣泡數(shù)量、氣泡直徑、氣泡間距系數(shù)等，這也是近30年來采用微觀手段對(duì)混凝土抗凍性能不斷探索研究的方向之一。本文結(jié)合粉煤灰用量變化的試驗(yàn)結(jié)果，分析不同粉煤灰摻量下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)組成（未摻加引氣劑條件下），相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 不同粉煤灰摻量下氣泡數(shù)量、耐久性系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知，通過微觀手段分析發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量增加，硬化混凝土中的氣泡數(shù)量也存在顯著下降現(xiàn)象，耐久性系數(shù)也呈下降趨勢(shì)變化，這與采用宏觀手段分析結(jié)果相一致。例如，粉煤灰摻量由10%增加至30%時(shí)，氣泡數(shù)量和耐久性系數(shù)分別下降了10.4%和18.8%。上述研究結(jié)果表明粉煤灰對(duì)高性能混凝土抗凍性能存在相應(yīng)劣化影響，影響幅度與粉煤灰摻量變化有關(guān)。

5 結(jié)論

隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失率顯著增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降，且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸降低了粉煤灰對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響程度。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失率呈增加趨勢(shì)變化，相對(duì)動(dòng)彈性模量呈下降趨勢(shì)變化。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過75次時(shí)，質(zhì)量損失率的變化幅度顯著增加。

混凝土中含氣量變化對(duì)其抗凍性能存在明顯影響，隨著含氣量增加，質(zhì)量損失率呈逐漸下降趨勢(shì)變化，相對(duì)動(dòng)彈性模量呈增加趨勢(shì)變化。且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的顯著增加，不同含氣量混凝土之間的質(zhì)量損失率指標(biāo)差異愈加顯著，而相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)并不存在明顯變化。

氣泡特征參數(shù)表明隨著粉煤灰摻量的增加，耐久性系數(shù)逐漸下降，高性能混凝土的耐久性降低，這與已有研究成果結(jié)論不一致，需要結(jié)合粉煤灰高性能混凝土的實(shí)際應(yīng)用開展更深層次的研究，如粉煤灰水化特征、水泥水化特征等。

[1] 吳倩云，馬芹永，王瑩. 凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維—礦渣粉—粉煤灰混凝土壓拉強(qiáng)度試驗(yàn)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2021，38(3): 953-965.

[2] 孫婧，王宏，蘭建偉，等. 原狀粉煤灰對(duì)超高性能混凝土性能的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào)，2022，41(1): 209-217.

[3] 張志剛，趙林，張沛，等. 亞高溫下不同粉煤灰摻量高延性混凝土的力學(xué)性能[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，50(5): 831-836.

[4] 黨瑩. 納米顆粒粉煤灰綠色混凝土的耐久性試驗(yàn)研究[J]. 無機(jī)鹽工業(yè)，2021，53(7): 96-100.

[5] 濮琦，薛萬銀，蔣林華，等. 凍融循環(huán)作用下混凝土斷裂損傷特性研究[J]. 混凝土與水泥制品，2020(7): 30-33.

Experimental Analysis of Frost Resistance on High Performance Fly Ash Concrete

In order to study the effect of fly ash on the frost resistance of high-strength concrete, freeze-thaw cycle test was used to analyze the relationship between fly ash content, freeze-thaw cycle times, air content, structural bubble characteristics, and frost resistance. The results show that the quality loss rate shows a significant increasing trend with the addition of fly ash and the increase of freeze-thaw cycles, while the relative dynamic elastic modulus gradually decreases. Both of them have a deterioration effect on the frost resistance performance; as the internal structure gas content increases, the mass loss rate gradually decreases, and as the number of freeze-thaw cycles increases, the difference in mass loss rate indicators between different gas contents becomes more significant; with the increase of fly ash content, the number of bubbles in the concrete structure significantly decreases, and the durability coefficient also shows a downward trend; the macroscopic effect of fly ash on the frost resistance of concrete is basically consistent with the microstructure changes of bubble characteristics.

bridge engineering; cement concrete; frost resistance; fly ash

TV528

A

1008-1151(2023)11-0049-04

2023-03-16

河南省交通廳項(xiàng)目（2018J3）。

黎君君（1984－），男，廣西貴港人，廣西路建工程集團(tuán)有限公司工程師，研究方向?yàn)榈缆饭こ添?xiàng)目管理。