礦渣微粉摻粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響試驗研究

李根生，于青松，張余濤，田海軍

（河北省南運河河務(wù)管理處，河北 滄州 061001）

水工材料

礦渣微粉摻粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響試驗研究

李根生，于青松，張余濤，田海軍

（河北省南運河河務(wù)管理處，河北 滄州 061001）

受海水腐蝕影響的混凝土凍融破壞的安全因素有：碳化、鹽類深入引起的鋼筋銹蝕、凍融破壞、溶融作用、鹽類侵蝕作用，堿—集料反應(yīng)，沖擊磨損的機(jī)械破壞作用。其中，鋼筋銹蝕的作用是氯離子滲透引起的，因此，提高混凝土自身的密實性和抗凍性是保證結(jié)構(gòu)耐久性的一種有效的措施。該文依據(jù)礦渣微粉對水泥基材料抗凍性能的影響，對單摻礦渣微粉混凝土及復(fù)摻礦渣微粉和粉煤灰混凝土的抗凍性進(jìn)行了試驗研究。

水泥基材料；礦渣微粉；復(fù)摻粉煤灰；抗凍性；實驗研究

抗凍性是水泥基材料耐久性的最重要指標(biāo)之一。水泥基材料抗凍耐久性是指在潮濕環(huán)境中，經(jīng)過多次凍融循環(huán)仍保持其使用性能的能力，是影響水泥基材料使用壽命與服務(wù)質(zhì)量的重要因素。由于凍害發(fā)生的范圍極其廣泛及對水泥基材料耐久性的影響十分嚴(yán)重，已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因此，研究礦渣微粉對水泥基材料抗凍性能的影響十分必要。

1 凍融破壞機(jī)理

水泥基材料的凍融破壞過程是比較復(fù)雜的物理變化過程。一般認(rèn)為，凍融破壞主要是在某一凍結(jié)溫度下，水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，過冷水發(fā)生遷移，引起各種壓力，當(dāng)壓力超過混凝土承受的應(yīng)力時，混凝土內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸擴(kuò)大、擴(kuò)展并互相連通，使得強(qiáng)度逐漸降低，造成混凝土破壞。

凍融破壞理論主要有靜水壓力經(jīng)典理論、滲透壓理論、冰棱鏡理論、基于過冷液體的靜水壓修正理論、飽水度理論等，其中靜水壓理論最具有代表性。目前公認(rèn)程度較高的是美國學(xué)者T.C.Powers提出的膨脹壓理論和滲透壓理論，他認(rèn)為吸水飽和的混凝土在凍融過程中遭受的破壞力主要有膨脹壓力和滲透壓力。

馮乃謙提到在分析混凝土凍害機(jī)理時，必須注意結(jié)冰后一部分水泥石膨脹，而另一部分水泥石由于水化硅酸鈣凝膠失水而產(chǎn)生收縮，要考慮這兩部分的疊加作用。還有人提出溫度應(yīng)力，這一假說主要是針對高強(qiáng)或高性能混凝土凍融破壞現(xiàn)象提出的。該假說認(rèn)為高強(qiáng)或高性能混凝土凍融破壞主要是因為集料與膠凝材料之間熱膨脹系數(shù)相差較大，在溫度變化過程中變形量相差較大，從而產(chǎn)生溫度疲勞應(yīng)力破壞。

2 凍融破壞的影響因素

2.1 孔結(jié)構(gòu)對凍融破壞的影響

吳中偉教授曾提出了孔結(jié)構(gòu)理論，認(rèn)為混凝土的凍融破壞與混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，他把孔分為四級：r<20μm 為無害孔，20≤r<50μm 為少害孔，50≤r<200μm為有害孔，r>200μm為多害孔，對混凝土凍融破壞影響較大的為>100μm的孔?？捉Y(jié)構(gòu)之所以與凍融破壞有密切的聯(lián)系主要體現(xiàn)在孔中的水在凍融循環(huán)過程中的作用。一般來說，孔隙率越大，相對含水量越多，則可凍水量也就越多。

水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結(jié)構(gòu)。隨著水灰比的增大，不僅含有可凍水的開孔體積增加，而且平均孔徑也增大，因而混凝土的抗凍性必然降低。

嚴(yán)寒地區(qū)混凝土工程一般要求使用引氣劑改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其抗凍性。隨著土木工程材料研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)引氣劑提高混凝土抗凍性的效果取決于混凝土氣泡參數(shù)，即氣泡尺寸、數(shù)量及分布等。

2.2 飽水度

水是造成混凝土受凍破壞的主要原因，混凝土中水的存在形式是由混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)決定的。水在混凝土中基本上呈3種方式存在：化學(xué)結(jié)合水，物理吸附水和自由水。

2.3 含氣量及環(huán)境條件

含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要因素，特別是加入引氣劑形成的微細(xì)氣孔對提高混凝土抗凍性尤為重要。這些互不連通的微細(xì)氣孔在混凝土受凍初期能使毛細(xì)孔中的靜水壓力減少，起到減壓作用。在混凝土受凍結(jié)冰過程中這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成。每種混凝土拌合物都有一個可防止其受凍的最小含氣量。

環(huán)境條件主要指混凝土所處環(huán)境的最低凍結(jié)溫度、降溫速率、凍結(jié)齡期等條件。凍結(jié)溫度越低，破壞越嚴(yán)重。降溫速率對混凝土的凍融破壞也有一定影響，且隨著凍融速率的提高，凍融破壞力加大，混凝土也容易破壞。

3 試驗研究

3.1 試驗材料

試驗所用的水泥和礦渣微粉、粉煤灰、砂子為大河中砂，石子為1~3mm的碎石。

混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 單位：kg

3.2 試驗方法及試驗過程

本次試驗主要是對水泥混凝土養(yǎng)護(hù)28d時，在凍融循環(huán)條件下其質(zhì)量與動彈模量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并研究凍融循環(huán)對其電阻率的影響規(guī)律。實驗儀器有：快速凍融試驗箱、混凝土動彈儀和電阻率測定儀?？焖賰鋈谘h(huán)試驗（試驗過程略）；動彈模量測定。測定混凝土動彈模量，設(shè)備輸出頻率為100～2000Hz，輸出功率激勵混凝土試件，以便根據(jù)共振原理定出混凝土基頻振動頻率。

3.3 試驗結(jié)果與討論

根據(jù)GBJ82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》測量混凝土試件的相對動彈模量及電阻率。

圖1～圖4給出了普通混凝土及摻入礦渣微粉與粉煤灰后混凝土在不同凍融循環(huán)周期時外觀的變化情況。

（1）受凍融破壞的混凝土外觀變化如圖1～圖4所示。

圖1 普通混凝土在不同凍融過程時的外觀

圖2 礦渣微粉摻量50%的混凝土在不同凍融過程時的外觀

圖3 復(fù)摻50%礦渣微粉與10%粉煤灰的混凝土在不同凍融過程時的外觀

圖4 復(fù)摻50%礦渣微粉與20%粉煤灰的混凝土在不同凍融過程時的外觀

由圖1～圖4可以看出，受凍融破壞的混凝土試件，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件外觀將發(fā)生明顯變化。未遭受凍融破壞的試件表面平整光滑，經(jīng)過凍融破壞后，表面沙礫開始脫落，試件表面變得粗糙；隨凍融次數(shù)越多，剝蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重，粗骨料露出試件表面并脫落，最終試件表面將產(chǎn)生微裂縫，將導(dǎo)致試件斷裂破壞。

（2）根據(jù)混凝土凍融循環(huán)試驗方法，試驗中測定的不同凍融循環(huán)周期時混凝土試件的質(zhì)量損失率，其變化規(guī)律如圖5。

圖5 凍融循環(huán)過程混凝土試件的質(zhì)量損失率

由圖5可得，單摻50%礦渣微粉的水泥混凝土能經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)最多，即其抗凍性能最好；當(dāng)摻量50%的礦渣微粉水泥混凝土復(fù)摻粉煤灰時，粉煤灰摻量越多，其抗凍性越差，當(dāng)粉煤灰摻量在10%時抗凍性最好。

（3）在凍融循環(huán)過程中，利用混凝土動彈模量測定儀測試水泥混凝土試件的動彈模量。測試試件彈性模量與相對動彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律如圖6~圖7所示。

圖6 混凝土彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 相對動彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖6中還可得到，單摻50%礦渣微粉和復(fù)摻50%礦渣微粉10%粉煤灰的水泥混凝土的彈性模量，在125次凍融循環(huán)后變化規(guī)律相似，且在200次凍融循環(huán)后單摻50%礦渣微粉的水泥混凝土彈性模量較大，說明單摻50%礦渣微粉的水泥混凝土抗凍性較好；復(fù)摻粉煤灰后，摻量較少時，水泥混凝土的抗凍性較好。

由圖7可以看出，普通水泥混凝土、復(fù)摻50%礦渣微粉與20%粉煤灰的水泥混凝土在125次凍融循環(huán)后，其相對動彈模量降低最為顯著，接近0.6。當(dāng)混凝土相對動彈模量降低到0.6時，混凝土即可認(rèn)為破壞。因此，經(jīng)過125次凍融循環(huán)后普通水泥混凝土、復(fù)摻50%礦渣微粉與20%粉煤灰水泥混凝土接近破壞；單摻50%礦渣微粉、復(fù)摻50%礦渣微粉與10%粉煤灰水泥混凝土在200次凍融循環(huán)后，其相對動彈模量為0.74，均尚未達(dá)到破壞狀態(tài)。

（4）凍融破壞對水泥混凝土電阻率的影響。混凝土電阻率作為一個電學(xué)參數(shù)，反應(yīng)單位長度混凝土阻礙電流通過的能力，用于表征混凝土的結(jié)構(gòu)與性能。

水泥混凝土電阻率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 水泥混凝土電阻率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖8可以看出，在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗前，摻加礦渣微粉與粉煤灰的水泥混凝土電阻率較普通水泥混凝土得到顯著提高，其中復(fù)摻50%礦渣微粉與20%粉煤灰的水泥混凝土提高最多；普通水泥混凝土和單摻50%礦渣微粉的水泥混凝土電阻率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，但降低幅度較?。粡?fù)摻礦渣微粉與粉煤灰的水泥混凝土電阻率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加大幅度降低，其中復(fù)摻50%礦渣微粉與20%粉煤灰水泥混凝土電阻率減小最大；凍融循環(huán)150次后單摻50%礦渣微粉水泥混凝土電阻率最大。

綜上所述，礦渣微粉及粉煤灰能夠提高混凝土的抗凍性能，其主要作用機(jī)理可以歸納為：①混凝土體系作為連續(xù)級配的顆粒堆積體系，粗集料間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒之間間隙則由更細(xì)的顆粒來填充；②礦渣微粉粒徑在10μm左右，可起到填充水泥顆粒間隙的微集料作用，使混凝土形成細(xì)觀層次的自緊密體系，孔隙率低于基準(zhǔn)試樣，避免形成連通的毛細(xì)孔；③礦渣微粉的摻入使得C-S-H凝膠體與凝膠孔的數(shù)量顯著增加，減少了結(jié)凍孔數(shù)目，緩解了產(chǎn)生結(jié)冰水壓的來源，故能改善混凝土的抗凍性能；④混凝土中毛細(xì)孔自身難以達(dá)到臨界含水量，其飽水程度主要取決于水泥石的密實度與抗?jié)B性?？傊?，單摻礦渣微粉或復(fù)摻礦渣微粉與粉煤灰可明顯提高水泥基材料的抗?jié)B性。因此，摻加礦渣微粉與粉煤灰能夠改善混凝土的抗凍性能。

4 結(jié)語

利用快速凍融循環(huán)試驗，研究了礦渣微粉混凝土及復(fù)摻礦渣微粉與粉煤灰混凝土的抗凍性能，得到了礦物摻合料混凝土的質(zhì)量損失、相對動彈模量及電阻率隨凍融循環(huán)作用的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

（1）隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同水泥混凝土試件的質(zhì)量損失率逐漸增大。單摻50%礦渣微粉水泥混凝土質(zhì)量損失率最小，經(jīng)歷125次循環(huán)礦渣微粉混凝土質(zhì)量損失率較普通混凝土降低63.54%；復(fù)摻50%礦渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土質(zhì)量損失率最小，經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后復(fù)摻50%礦渣微粉和10%粉煤灰混凝土質(zhì)量損失率較普通混凝土降低69.06%。

（2）隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥混凝土試件相對動彈模量逐漸減小。其中單摻50%礦渣微粉、復(fù)摻50%礦渣微粉10%粉煤灰水泥混凝土經(jīng)歷200次凍融循環(huán)后相對動彈模量為73.9%，73.44%，仍未達(dá)破壞狀態(tài)，當(dāng)125次循環(huán)時，單摻50%礦渣微粉、復(fù)摻50%礦渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土相對動彈模量較普通混凝土提高23.72%，28.69%。

（3）單摻大量礦渣微粉能夠提高水泥混凝土的抗凍性能；復(fù)摻礦渣微粉和粉煤灰時，粉煤灰摻量較少時，能夠改善水泥混凝土的抗凍性能。

（4）礦物摻合料能夠顯著提高水泥混凝土的電阻率，降低混凝土的導(dǎo)電性，提高鋼筋混凝土抗電腐蝕特性，阻礙了鋼筋的銹蝕破壞。其中單摻50%礦渣微粉混凝土電阻率較普通混凝土提高2.04倍；復(fù)摻礦渣微粉與20%粉煤灰混凝土電阻率較普通混凝土提高5.5倍。

（5）凍融作用下混凝土電阻率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，單摻50%礦渣微粉水泥混凝土減小趨勢較為平緩，凍融循環(huán)150次后電阻率最大，阻礙鋼筋銹蝕性能最為顯著；經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后，單摻50%礦渣微粉混凝土電阻率較普通混土提高3.5倍，復(fù)摻50%礦渣微粉和10%粉煤灰混凝土電阻率較普通混土提高3.9倍。

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Experimental Research of the Influence of GGBS Mixing Fly Ash on Frost Resistance of Concrete

LI Gen-sheng，YU Qing-song，ZHANG Yu-tao,TIAN Hai-jun
（Nanyun River Administration of Hebei Province,Cangzhou 061001，China）

The concrete freeze-thaw damage is influenced by sea water corrosion,and the factors of concrete freeze-thaw damage including:carbonation,the concrete corrosion by the salts penetrated,freeze-thaw damage,melt function,salts erosion effect,Alkaline-Aggregate Reaction and impact wear mechanical damage effect.Among them,the chloridion penetration caused the concrete corrosion.Therefore,improving the concrete self-tightness and freeze resistance is an effective measure to guarantee the structure durability.According to the effect of GGBS on the frost resistance of concrete base material,the frost resistance of single GGBS concrete and double mixing slag powder and fly ash concrete was studied.

cement base material； GGBS； double mixing fly ash； frost resistance； experimental research

TV42+3

B

1672-9900（2014）04-0001-05

2014-03-26

河北省水利科研與推廣計劃（2011118）

李根生（1955-），男（漢族），河北滄州人，教授級高級工程師，主要從事工程設(shè)計與管理研究，（Tel）15303177188。