等强度及等含气量粉煤灰混凝土抗冻性研究

第４１卷第９期２０１０年５月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．９Ｍａｙ，２０１０收稿日期：２００９－１０－１３基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重点项目（２００６ＢＡＤ１１Ｂ０３）作者简介：徐路军，男，硕士研究生，主要从事混凝土材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者：杜应吉，男，教授，主要从事混凝土材料方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]　　文章编号：１００１－４１７９（２０１０）０９－００８６－０３等强度及等含气量粉煤灰混凝土抗冻性研究徐路军，杜应吉，郭　峰（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００）摘要：粉煤灰混凝土因其优良的性能，已经在工程中得到了广泛应用。但对有抗冻要求的混凝土，粉煤灰的最大合理掺量水平，各界一直没有统一的认识。结合宁夏七星渠改造工程，将粉煤灰掺量提高到较大水平，进行了混凝土１５０次快速冻融试验。结果表明：在含气量和２８ｄ抗压强度相同的条件下，不同粉煤灰掺量的混凝土２８ｄ龄期抗冻性能差异很大，但６０ｄ龄期混凝土的抗冻性能基本相同。关　键　词：抗冻性能；强度；含气量；粉煤灰掺量；混凝土中图法分类号：ＴＶ４２　　　文献标志码：Ａ　　粉煤灰混凝土具有绿色、环保、经济等优点，已经在工程中得到广泛应用。在混凝土中掺加粉煤灰可以降低混凝土内部温升，减少温度裂缝的出现，同时也对后期强度发展有利［１］。在我国西北、华北和东北等广大地区，抗冻性能是评价混凝土耐久性的重要指标［２］。粉煤灰对改善混凝土抗冻性能表现在：微集料效应使混凝土更加密实，火山灰效应生成的胶凝物质可以进一步堵塞毛细孔隙［３］。而粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响程度尚无统一的结论，一般认为，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗冻性能下降［４］；而严悍东等对粉煤灰掺量在５５％以下，保证引气量水平时，得到了混凝土抗冻性能随粉煤灰掺量增加而提高的结论［５］。高效减水剂和优质引气剂的普遍应用，可以使混凝土实现低水胶比和高引气量，也使得粉煤灰在混凝土中的掺量水平可以有很大的提高。粉煤灰混凝土配合比设计时，粉煤灰应作为独立组分，通过调整粉煤灰掺量和水胶比的关系，达到特定的目标强度和工作性能［６］。同时，含气量是决定混凝土抗冻性能的重要因素。保证混凝土的等强度和等含气量，对研究不同粉煤灰掺量对抗冻性能的影响有重要意义。有研究表明：在粉煤灰掺量较低时，保证等强度和等含气量，掺入优质粉煤灰就不会对混凝土抗冻有不利影响［７－８］。而对较高粉煤灰掺量水平的混凝土在等强度和等含气量时的抗冻性能研究还比较少，本文结合宁夏七星渠的改造项目，在保证混凝土强度不降低和抗冻等级达到Ｆ１５０的条件下，适当提高粉煤灰的掺量，以达到节约成本和降低造价的目标。１　原材料与混凝土配合比１．１　原材料的选择水泥采用４２．５普通硅酸盐水泥，化学成分见表１；粉煤灰采用宁夏大坝电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，品质检验结果见表２，化学成分见表１；细骨料采用宁夏当地粗砂，细度模数Ｍｘ＝２．８，含泥量为３．７％；粗骨料采用宁夏银川镇北堡的碎石，二级配，５～１０ｍｍ粒径占骨料的４５％、１０～２０ｍｍ粒径占骨料的５５％。减水剂使用宁夏灵武鑫海实业总公司生产的ＮＦ－５Ａ型高效减水剂，掺量固定为胶凝材料质量的１％；引气剂为松香皂类引气剂。经原材料试验检验，　第９期　　　徐路军，等：等强度及等含气量粉煤灰混凝土抗冻性研究混凝土外加剂与水泥的适应性良好。表１　水泥及粉煤灰的化学分析％材料ＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３Ｆｅ２Ｏ３ＣａＯＭｇＯＳＯ３ＬｏｓｓｆＣａＯ水泥２２．４６７．６０５．００５７．１５２．３０２．９６１．４０－粉煤灰４７．９６２６．９４８．６１７．３０４．６９１．９２０．６５０．６０表２　粉煤灰品质检验结果％项目细度４５μｍ需水量烧失量三氧化硫Ⅰ级灰要求≤１２≤９５≤５≤３检测结果４．８８９０．６５１．９２１．２　混凝土的配合比随着粉煤灰掺量的增加，适当调整水胶比和用水量，保证混凝土的２８ｄ抗压强度基本相同，同时使坍落度控制在５～７ｃｍ。调整引气剂掺量，使拌合物含气量保持在４％～５％。混凝土配合比见表３，其中６号试件由于坍落度过大，不符合试验要求，未形成６０ｄ龄期试件。除不掺粉煤灰的１号混凝土外，其他掺粉煤灰的混凝土６０ｄ龄期抗压强度仍能保证基本相同，说明水胶比和粉煤灰掺量的配和较为合适。表３　混凝土配合比试验组号粉煤灰掺量／％水胶比减水剂／％引气剂／％混凝土中材料用量／（ｋｇ·ｍ－３）水水泥粉煤灰砂石子坍落度／ｃｍ含气量／％抗压强度／ＭＰａ２８ｄ６０ｄ１００．６０１０．５１７７２９５０７２９１１０６５．５４．７３０．２３２．３２２００．５０１０．５１７７２８６７０６５８１１１７５．０４．２３３．８３９．５３３５０．４１１０．２１７５２７５１４７６２２１０９７５．５４．２３３．３４０．９４５００．３５１１．０１７５２４９２５５６１１１０８２５．５５．０３６．５４３．７５６５０．３０１１．０１５５１７６３３４５８５１０８２６．０４．７３５．５４０．１６７５０．３３１１．０１４５１１３３３１６６８１１１３９．５４．１３０．０－２　抗冻试验及结果２．１　快速冻融试验试验使用北京通用机械研究所生产的ＤＲ２型混凝土快速冻融试验机。１个冻融循环中，降温过程历时１３７ｍｉｎ，升温过程历时５５ｍｉｎ，试件中心温度控制在（－１７±２）℃～（８±２）℃。按照《水工混凝土试验规程》（ＳＬ３５２－２００６）抗冻试验要求，分别进行２８ｄ和６０ｄ两种龄期混凝土快速冻融试验。２．２　试验结果在不同粉煤灰掺量下，混凝土２８ｄ龄期抗冻性试验结果如图１所示，６０ｄ龄期抗冻性试验结果如图２所示。３　结果分析（１）６０ｄ龄期的不同粉煤灰掺量混凝土，在含气量为４％～５％时，调整水胶比使２８ｄ龄期强度达到３０ＭＰａ以上，经历１５０次冻融循环后，相对动弹性模量均在９０％以上，质量损失在１％以内，抗冻等级均在Ｆ１５０以上。由此认为，即使在粉煤灰掺量较大时，冻融循环在１５０次以内，等强度和等含气量的不同粉煤灰掺量混凝土，仍然具有相同的抗冻性能。而２８ｄ龄期混凝土虽然基本满足抗冻等级Ｆ１５０要求，但不同粉煤灰掺量的混凝土抗冻性能差异较大。图１　２８ｄ龄期混凝土冻融试验结果图２　６０ｄ龄期混凝土冻融试验结果（２）基准混凝土２８、６０ｄ龄期的抗冻性能没有较大差异，而粉煤灰混凝土６０ｄ龄期的抗冻性能均比同组２８ｄ龄期有所提高。如粉煤灰掺量为６５％的５号混凝土，１５０次冻融循环后的质量损失由２８ｄ龄期的３％降到６０ｄ龄期的０．８％。抗冻性能增长的原因在于：粉煤灰的火山灰效应生成了新的胶凝物质，提高了混凝土的强度和致密程度，阻断和减少了水分的渗透７８　　人　民　长　江２０１０年　路径。（３）粉煤灰掺量为７５％的６号混凝土，２８ｄ龄期质量损失严重，相对动弹性模量下降也较大。原因可能在于：虽然混凝土单方用水量降低，混凝土浆体体积减少，骨料体积增加，砂率增大，对耐久性有利［９］，但是水泥相对用量的大量减少，使粉煤灰的火山灰效应不能充分发挥，生成的胶凝物质总量大大减少，内部粘结力不足，导致混凝土整体结构易破坏。随着冻融次数的增加以及内部裂缝的产生，混凝土性能会迅速劣化。（４）试验中粉煤灰掺量为５０％的４号混凝土，抗冻效果最好、６０ｄ强度最高且强度增长幅度也较大。原因可能在于：水胶比的降低使水泥石的毛细孔隙相应减少，粉煤灰的填充效应和火山灰效应堵塞和减少了混凝土内部孔隙。曾力等人的试验也证实粉煤灰掺量在６０％以下时，可以改善混凝土的孔结构［１０］。另一方面，掺入粉煤灰引入的大量空隙，增加了混凝土结构内部的容水空间，在混凝土强度达到一定水平时，可以减少水冻胀对混凝土产生的破坏，对抗冻是有利的。４　结论（１）在粉煤灰掺量水平较高时，粉煤灰混凝土２８ｄ龄期抗冻试验并不能真实反映其抗冻性能；考虑粉煤灰混凝土后期强度的增加，使用６０ｄ龄期试件更为合适。（２）粉煤灰掺量在５０％以下时，可以给混凝土内部引入更多的容水空间，同时改善混凝土的孔结构，当冻融循环次数在１５０次以内时，调整水胶比使混凝土强度达到Ｃ３０以上水平，可以保证在掺入较大量的优质粉煤灰情况下对抗冻性能没有明显不利影响。（３）在粉煤灰掺量水平较高时，保证混凝土含气量为４％～５％，２８ｄ龄期强度水平在Ｃ３０以上时，不同掺量的粉煤灰混凝土均能满足混凝土抗冻等级Ｆ１５０的要求，且６０ｄ龄期具有相近的抗冻性能。其中，粉煤灰掺量为５０％，水胶比０．３５时，混凝土的抗冻性能最好。参考文献：［１］　韩怀强，蒋挺大．粉煤灰利用技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００１．［２］　李金玉，曹建国．水工混凝土耐久性的研究和应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．［３］　甄永严．粉煤灰在水工混凝土中的应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９２．［４］　许辉，谢友均，龙广成，等．引气粉煤灰混凝土抗冻耐久性的研究［Ｊ］．粉煤灰，２００４，１６（３）：３－５．［５］　严捍东，孙伟，李钢．大掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性研究［Ｊ］．工业建筑，２００１，３１（８）：４６－４８，７３．［６］　吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９９．［７］　金伟良，赵羽习．混凝土结构耐久性［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．［８］　冯乃谦，邢锋．高性能混凝土技术［Ｍ］．北京：原子能出版社，２０００．［９］　冯乃谦．新实用混凝土大全［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．［１０］　曾力．碾压混凝土孔隙结构与粉煤灰掺量的关系［Ｊ］．人民长江，１９９４，２５（９）：２１－２５．（编辑：郑毅）Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｆｒｏｓｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｌｙ－ａｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄａｉｒ－ｅｎｔｒａｉｎｅｄａｍｏｕｎｔＸＵＬｕｊｕｎ，ＤＵＹｉｎｇｊｉ，ＧＵＯＦｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ７１２１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅｆｌｙ－ａｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｈａｓｂｅｅｎｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｂｕｔｎｏｃｏｎｓｅｎｓｕｓｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅａｓｏｎａｂｌｅｆｌｙ－ａｓｈｒａｔｉｏｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅ．ＣｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｏｆＱｉｘｉｎｇｃａｎａｌｉｎＮｉｎｇｘｉａＨｕｉｚｕＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ，ｔｈｅ１５０ｒａｐｉｄｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｔｅｓｔｓｆｏｒｆｌｙ－ａｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈａｈｉｇｈｅｒｍｉｘｉｎｇｆｌｙ－ａｓｈｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｄｒａｗｎｔｈａｔｕｎｄｅｒｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄａｉｒ－ｅｎｔｒａｉｎｅｄａｍｏｕｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｓｏｆｆｌｙ－ａｓｈｈａｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｓｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｔａｇｅｏｆ２８ｄ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｔａｇｅｏｆ６０ｄｉｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｆｒｏｓｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ａｉｒ－ｅｎｔｒａｉｎｅｄａｍｏｕｎｔ；ｆｌｙ－ａｓｈｒａｔｉｏ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ８８