粉煤灰對(duì)引氣混凝土凍融損傷的影響

朱文憑，王博，徐再修

(西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)

混凝土抗凍性是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要方面。隨混凝土技術(shù)的提高，粉煤灰在混凝土當(dāng)中的應(yīng)用得到了很大程度的推廣。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究指出粉煤灰在引氣混凝土當(dāng)中的應(yīng)用能夠?qū)炷廉?dāng)中的氣泡起到吸附作用，同時(shí)粉煤灰自身的形態(tài)特征及其火山灰作用均有利于混凝土的抗凍性能的提高［1］，［2］。為進(jìn)一步明確粉煤灰的存在對(duì)引氣混凝土抗凍性能的影響，本文對(duì)不同粉煤灰參量下的引氣混凝土進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)旨在從混凝土內(nèi)部和表面損傷兩個(gè)方面考察粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥為陜西秦嶺水泥總廠的PO42.5R水泥。砂為霸河中砂，表觀密度2 650 kg/m3，堆積密度1 480 kg/m3，含泥量1.0%，細(xì)度模數(shù)2.7。石子為涇陽(yáng)口鎮(zhèn)石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石，無(wú)針片狀顆粒，粒徑5～15 mm，表觀密度2 820 kg/m3，堆積密度1 435 kg/m3，含泥量0.3%，壓碎指標(biāo)6%。引氣劑為同濟(jì)大學(xué)以天然野生植物皂類為主要原料研制的SJ－3型高效引氣劑。水為自來(lái)水。粉煤灰:渭河電廠“正元牌”II級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分及物理性能參見表1、表2。

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1.2 混凝土配合比及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在全部試驗(yàn)配比中，混凝土水膠比均為0.45。為對(duì)各配合比下的不同粉煤灰摻量和實(shí)測(cè)含氣量加以區(qū)分，所有配合比下的混凝土試件進(jìn)行統(tǒng)一命名，參見表3。其中F30A4.6表示粉煤灰摻量百分比為30%，實(shí)測(cè)含氣量百分比為4.6%。

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依據(jù)GBJ 82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，在試驗(yàn)進(jìn)行前，對(duì)粉煤灰混凝土試件養(yǎng)護(hù)至90 d齡期，其強(qiáng)度發(fā)展參見表4。試驗(yàn)過(guò)程中，試件核心溫度設(shè)定為－17℃±2℃～8℃±2℃。每50次循環(huán)，取一組各配比下混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定;每25次循環(huán)，取一組試件(三個(gè))進(jìn)行質(zhì)量損失測(cè)定，并得出其平均值。

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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文所進(jìn)行的試驗(yàn)研究主要考慮凍融過(guò)程中混凝土的內(nèi)部和表面損傷兩個(gè)方面。宏觀上，這兩類損傷最直接的表現(xiàn)分別為混凝土抗壓強(qiáng)度的下降和混凝土質(zhì)量損失。

2.1 凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土強(qiáng)度損失規(guī)律

研究表明［1］，［3］，混凝土內(nèi)部損傷主要是因?yàn)榛炷羶?nèi)部微孔隙中的孔隙水由于結(jié)冰而出現(xiàn)體積膨脹并產(chǎn)生冰脹壓力造成混凝土內(nèi)部微孔隙的擴(kuò)張，其內(nèi)部水化產(chǎn)物由原有的密實(shí)結(jié)構(gòu)向凍融循環(huán)后的疏松結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，造成混凝土抗壓強(qiáng)度的下降。本文實(shí)驗(yàn)中的幾組試件在凍融過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度值變化曲線參見圖1。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖2 “陡劣點(diǎn)”前后抗壓強(qiáng)度損失

由以上不同粉煤灰摻量下的混凝土在200次凍融循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)度下降曲線可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量在30%以下時(shí)，不論是含氣量為3.7%還是4.6%的兩個(gè)試驗(yàn)組，混凝土均表現(xiàn)出較好的前期抗凍性。F10A4.6、F30A4.6和F30A4.6在凍融循環(huán)進(jìn)行到第100次之前，其抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為緩慢，當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到100次后才出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度急劇下降;因此，可以看出，混凝土在凍融環(huán)境下都存在一個(gè)抗壓強(qiáng)度突然下降點(diǎn)。羅昕［4］等人將混凝土在凍融條件下抗壓強(qiáng)度曲線出現(xiàn)突然下降的位置稱作為混凝土凍融損傷“陡劣點(diǎn)”。在凍融損傷“陡劣點(diǎn)”出現(xiàn)之前，摻有粉煤灰的F10A4.6、F30A4.6和F30A3.7其強(qiáng)度損失只占全過(guò)程強(qiáng)度損失的一小部分。計(jì)算可得，F(xiàn)30A4.6在經(jīng)受前100次循環(huán)過(guò)程中所出現(xiàn)的抗壓強(qiáng)度損失占全部200次凍融循環(huán)過(guò)程中抗壓強(qiáng)度損失的14.45%，而在“陡劣點(diǎn)”出現(xiàn)之后，其抗壓強(qiáng)度損失占到全部損失的85.54%。同樣可得出F10A4.6和F30A3.7在“陡劣點(diǎn)”前后的強(qiáng)度損失比例，參見圖2。

2.2 粉煤灰對(duì)引氣混凝土內(nèi)部損傷的影響機(jī)理

由上述抗壓強(qiáng)度劣化特征可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量適當(dāng)時(shí)，粉煤灰的存在對(duì)混凝土內(nèi)部損傷具有明顯的緩沖作用。其機(jī)理可從三個(gè)方面進(jìn)行闡述:一是在混凝土拌制和成型階段，粉煤灰所特有的玻璃微珠顆粒能在拌制和振搗時(shí)對(duì)混凝土的粗細(xì)骨料起到潤(rùn)滑作用，從而降低混凝土的實(shí)際需水量［5］。因此，摻有粉煤灰的混凝土能夠有效減少混凝土內(nèi)部未參與水化反應(yīng)的游離水含量，從而減少了游離水的蒸發(fā)所造成的混凝土內(nèi)部孔隙連通;二是Puertas等［6］指出在水膠比不變的情況下，超過(guò)80%的粉煤灰在混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)90 d齡期時(shí)依然處于未水化狀態(tài)。這就使得粉煤灰的微集料效應(yīng)得到發(fā)揮，大量未水化的細(xì)小粉煤灰顆粒均勻分散在混凝土內(nèi)部，有效地填充了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔，降低了混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔率;粉煤灰自身微觀上的玻璃球體顆粒結(jié)構(gòu)也有利于沮滯混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的連通［1］;三是由于粉煤灰所具有的二次水化效應(yīng)，當(dāng)混凝土在凍融初期內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于冰脹壓力而產(chǎn)生少量微裂縫時(shí)，粉煤灰的持續(xù)水化會(huì)消耗掉一部分水泥水化析出的Ca(OH)2而生成一定量的硅酸鈣和鋁酸鈣進(jìn)而在一定程度上阻礙了這一部分微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，可以抵消掉這部分微裂縫的生成對(duì)混凝土帶來(lái)的內(nèi)部損傷。有學(xué)者也將粉煤灰的這一作用稱為“強(qiáng)度增益效應(yīng)”［7］。

2.3 凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量損失

凍融過(guò)程中混凝土的質(zhì)量損失主要是因?yàn)樵嚰砻婊炷羷兾g造成的，因此質(zhì)量損失可以看成是混凝土表面損傷在宏觀上的表現(xiàn)。由于在凍融過(guò)程中混凝土表面的吸水程度最先達(dá)到飽合，在凍融循環(huán)過(guò)程中試件表面混凝土將因?yàn)楸砻婵紫懂?dāng)中的冰脹壓力而出現(xiàn)剝落，從而造成混凝土試件在凍融過(guò)程中的質(zhì)量損失。本文分別對(duì)比了不同含氣量下的兩組試驗(yàn)當(dāng)中的試件在凍融200次的過(guò)程中質(zhì)量損失趨勢(shì)，參見圖3。

圖3 凍融循環(huán)過(guò)程中的混凝土質(zhì)量損失

可見，在含氣量為4.6%條件下，較之于F0A4.6，F(xiàn)10A4.6的粉煤灰摻量提高到10%時(shí)，混凝土在凍融過(guò)程中質(zhì)量損失速率大致相當(dāng);當(dāng)粉煤灰摻量提高到30%時(shí)，由F30A4.6的質(zhì)量損失曲線可以看出，混凝土的質(zhì)量損失速率有所減慢，這也就意味著當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，粉煤灰的存在能使得混凝土在凍融過(guò)程中抵抗表面損傷的性能稍許提高。但是，由F30A3.7的質(zhì)量損失曲線可以看出，粉煤灰摻量的多少對(duì)混凝土抵御凍融過(guò)程中表面損傷的能力影響不大;對(duì)這一性能影響最明顯的是引氣混凝土當(dāng)中的實(shí)際含氣量。

2.4 粉煤灰對(duì)引氣混凝土表面損傷的影響機(jī)理

上述試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰摻量對(duì)凍融過(guò)程中引氣混凝土表面損傷的影響并不明顯。一方面是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，混凝土表面的水泥率先水化且水化程度較為徹底并生成了水泥水化產(chǎn)物硅酸鈣和鋁酸鈣;在水泥生成其水化產(chǎn)物的過(guò)程中，由于混凝土表面在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的飽水程度較之于混凝土內(nèi)部更高，水泥水化生成的Ca(OH)2由于較容易被水析出，因而表面附著的粉煤灰微細(xì)顆粒與所析出的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)的二次水化效應(yīng)較之于混凝土內(nèi)部粉煤灰顆粒更為強(qiáng)烈，這就進(jìn)一步消耗了表面混凝土當(dāng)中未水化的粉煤灰，造成粉煤灰的微集料效應(yīng)得不到發(fā)揮。因而當(dāng)粉煤灰摻量不大時(shí)，由于微集料效應(yīng)的喪失，其對(duì)混凝土表面抗凍融損傷的改善效果并不明顯。另一方面，隨混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到90 d齡期，表面粉煤灰的二次水化效應(yīng)已幾乎消失殆盡，一旦凍融初期表面混凝土產(chǎn)生冰脹微裂縫，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，將不再有額外水化產(chǎn)物的產(chǎn)生。進(jìn)而造成表面混凝土損傷無(wú)法象混凝土內(nèi)部損傷那樣得到補(bǔ)償。在這一基礎(chǔ)上，混凝土的含氣量對(duì)混凝土抵抗表面凍融損傷的效果將顯得至為重要，即混凝土在凍融過(guò)程的表面損傷程度主要取決于混凝土的實(shí)際含氣量。

3 結(jié)論

(1)粉煤灰對(duì)混凝土在凍融過(guò)程中抵御表面損傷和抵御內(nèi)部損傷的性能改善程度是不同的。摻加適量粉煤灰能夠在較大程度上緩解混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)時(shí)的內(nèi)部損傷，并對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度起到一定的“增益效應(yīng)”。而對(duì)表面混凝土的凍融損傷幫助不大。

(2)在有適量引氣保證的前提下，處于凍融環(huán)境下的混凝土，其粉煤灰摻量不宜超過(guò)膠凝材料總量的30%。

(3)對(duì)處于凍融環(huán)境中，對(duì)混凝土表面剝落有嚴(yán)格限制的粉煤灰混凝土構(gòu)件一定要保證其含氣量;通常含氣量不宜低于5%。

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