活性掺合料再生混凝土抗冻性能试验研究
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地质勘查
Di Zhi Kan Cha
活性掺合料再生混凝土抗冻性能试验研究
陈洁宇 新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队 新疆 831100
【摘 要】 在深入分析混凝土冻融破坏机理及其影响因素的基础上，提出在混凝土中双掺硅粉和粉煤灰的方法，并按有关规范要求进行普通混凝土与双掺混凝土抗冻性能的对比试验。试验结果表明：双掺混凝土因基于“等量替 换法”用硅粉和粉煤灰替换了一部分水泥，减小了水泥用量和增大了水灰比，故双ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ混凝土的强度和弹性模量均明显低于普通混凝土，但减水剂的使用降低了水胶比，使双掺混凝土的抗冻性能优于普通混凝土。
表 1 粗集料性能指标
表 2 粉煤灰性能指标
图 1 粉煤灰颗粒形貌 SEM 照片 表 3 矿渣粉性能指标
制曲线如图 3 所示。从图 3 中可看出当相对动弹模降为 67.8% 时，强度损失率为 28%；当相对动弹模为 71.8% 时， 强度损失率为 22.5%，当相对动弹模为 74.3% 时，强度损失率为 23.1%。综上，当强度损失率低于 30% 时，试件抗 冻性能良好，引气减水剂对抗冻性影响最大。
【关键词】 抗冻性；粉煤灰；硅粉；减水剂；冻融试验
引言： 西北以及东北是我国混凝土工程冻害最严重的地区，大量水工建筑物建成几年后，随着时间的推移混凝土材 料的综合性能会劣化，干湿交替、冻融循环混凝土就被大面积冻坏、剥落，影响工程的安全使用。采用各种工业 废料如粉煤灰、矿渣粉作为建筑材料，既可以减少水泥的用量，又能改善混凝土抗冻性能，已成为建筑科学发展 的一个重要方向，目前对再生混凝土的基本力学性能研究较多，对再生混凝土的抗冻性能研究较少。 一、混凝土冻融破坏机理及影响因素 （一）混凝土冻融破坏机理分析 混凝土抗冻性是指在吸水饱和的状态下经历多次冻融循环，保持其原有性质或不显著降低原有性质的能力。 混凝土的抗冻性能与其抗渗性密切相关，抗渗性越差，水越容易进入混凝土，冬季混凝土遭受冻害的可能性更 大。 （二）影响混凝土抗冻性能的因素 从上述混凝土冻融破坏机理可见，混凝土内部孔隙结构是影响其抗冻性能的主要因素。而混凝土内部孔隙结 构又与以下因素密切相关。 1、活性矿物掺和料 研究表明：矿物掺料的物理填充、化学作用影响了浆体或混凝土微结构的整体发展过程。矿物掺料的活性效 应、微集料填充效应、形态效应和吸附效应，能够改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土强度和耐久性。例如 硅粉能够提高混凝土的密实度，从而提高抗冻性和抗渗性，同时还能提高混凝土的早期强度；粉煤灰在混凝土中 具有降低成本，降低混凝土的水化热提高抗裂性能，还具有细化孔隙，改善界面结构，抑制碱－骨料反应；且具 有自硬化、需水量比低、自硬化的特点。 2、水灰比 水灰比的大小直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。日本福冈大学的试验研究表明，混凝土抗冻性能随水灰比 增大而明显降低。因此，通过添加减水剂来降低水灰比从而降低混凝土中的孔隙率，可能是提高混凝土抗冻性的 有效措施之一。 二、实验 （一）原材料 试验用河南某水泥有限公司生产的 P·O42.5 水泥。北京石景山热电厂的Ⅰ级粉煤灰。粗集料为 5 ～ 20mm 连 续级配的碎石，分别选用石家庄地区的石灰岩，南京地区的花岗岩和连云港地区的玄武岩，具体性能指标见表 1。 细度模数 2.8、含泥量 1.0%、视密度 2610kg/m3、级配合理的中砂。UNF-5 高效减水剂。各种原材料性能指标均满 足标准要求；粉煤灰和矿渣微粉是济源市国泰微粉科技有限公司生产的，性能指标见表 2、3，其结构扫描电镜如 图 1、2 所示；外加剂是河北省混凝土外加剂厂生产的 DH9 型引气剂和 DH13 聚羧酸高性能减水剂；聚丙烯纤维呈 束状单丝，自分散性好；水为郑州市普通自来水。
表 5 再生混凝土冻融循环试验结果
图 3 200 次冻融后宏观特性试验结果曲线图 （二）孔结构分析 由于普通集料结构致密，孔隙率极低，通常是不会被冻坏的。混凝土冻融破坏实际上是水泥石从致密到疏松 的过程，并且在这一过程中伴随着微裂纹的出现和发展。集料品种对混凝土抗冻性能的影响应考虑为不同品种集 料带来的界面区结构的差异，特别是孔结构的不同。为此采用压汞法对不同品种粗集料附近水泥石的孔结构进行 系统的研究分析，其中包括比孔容积、孔隙率、最可几孔径、孔径分布等参数。 累计进汞曲线和比孔容积。孔径的累计进汞曲线为汞的压入量 V 与孔隙直径 d 之间的关系：V=f1（logd）。不 同品种粗集料配制的不同水灰比试样 28d 时其附近水泥石的累计进汞曲线见图 3。从图 3 中可以看出，在对汞加压 的过程中，水泥石中孔隙较大时的累计进汞量都较小，直到某一孔径时，进汞量开始显著增大，该孔径为临界孔 径。随着水灰比的减小，水泥石的临界孔径减少，且吸水率较低的花岗岩与玄武岩附近水泥石的临界孔径小于石 灰岩，具体排序为：MS ＞ MH ＞ MX ＞ NS ＞ NH ＞ NX。 （三）相对动弹模量正交分析 由图 4-7 可知，引气剂掺量最大的 4 组，Z4、Z7、Z10、Z13 含气量分别是 5.7%、5.9%、5.8%、5.8%，经 200 次冻融循后相对动弹模 94.5%、93.2%、94.2%、94.1%，引气剂掺量最小的 4 组，Z1、Z6、Z11、Z16 含气量分别是 1.3%、 1.2%、1.0%、1.1%，经 200 次冻融循后相对动弹模 72.5%、71.8%、67.8%、74.3%，不掺引气剂的试件组，当冻 融循环至 50 次，相对动弹性模量开始下降，此后随着冻融次数的增加相对动弹模量下降速度逐渐加快，到 200 次 时降至 70% 左右；引气剂掺量为 0.05‰和 0.075‰的试件组与不掺引气剂的试件组比相对动弹下降速度明显慢了许 多，冻融循环至 200 次时，相对动弹模依旧保持在 90% 以上。 矿渣粉对动弹性模量影响趋势为先减小后增大，28d 龄期的试件掺矿渣粉后抗冻性能与不掺矿渣粉相比动弹 性模量有所下降，矿渣粉的微集料效应提高了混凝土的整体密实性，降低了混凝土中的孔隙率，但均能满足混凝 土抗冻要求；矿渣粉掺入会改善再生混凝土的孔隙结构，但矿物掺合料的早期活化性能较低，仅能对再生混凝土 早期抗冻性起到物理方面的积极作用，早期化学方面的改善作用较弱。再生混凝土内部的孔隙结构和界面性能远 比普通混凝土复杂，孔隙率也比普通混凝土高的多。矿物掺合料的掺入在一定程度上可以改善孔隙率，相应提高 密实度。
地质勘查
Di Zhi Kan Cha
活性掺合料再生混凝土抗冻性能试验研究
陈洁宇 新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队 新疆 831100
【摘 要】 在深入分析混凝土冻融破坏机理及其影响因素的基础上，提出在混凝土中双掺硅粉和粉煤灰的方法，并按有关规范要求进行普通混凝土与双掺混凝土抗冻性能的对比试验。试验结果表明：双掺混凝土因基于“等量替 换法”用硅粉和粉煤灰替换了一部分水泥，减小了水泥用量和增大了水灰比，故双ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ混凝土的强度和弹性模量均明显低于普通混凝土，但减水剂的使用降低了水胶比，使双掺混凝土的抗冻性能优于普通混凝土。
表 1 粗集料性能指标
表 2 粉煤灰性能指标
图 1 粉煤灰颗粒形貌 SEM 照片 表 3 矿渣粉性能指标
制曲线如图 3 所示。从图 3 中可看出当相对动弹模降为 67.8% 时，强度损失率为 28%；当相对动弹模为 71.8% 时， 强度损失率为 22.5%，当相对动弹模为 74.3% 时，强度损失率为 23.1%。综上，当强度损失率低于 30% 时，试件抗 冻性能良好，引气减水剂对抗冻性影响最大。
【关键词】 抗冻性；粉煤灰；硅粉；减水剂；冻融试验
引言： 西北以及东北是我国混凝土工程冻害最严重的地区，大量水工建筑物建成几年后，随着时间的推移混凝土材 料的综合性能会劣化，干湿交替、冻融循环混凝土就被大面积冻坏、剥落，影响工程的安全使用。采用各种工业 废料如粉煤灰、矿渣粉作为建筑材料，既可以减少水泥的用量，又能改善混凝土抗冻性能，已成为建筑科学发展 的一个重要方向，目前对再生混凝土的基本力学性能研究较多，对再生混凝土的抗冻性能研究较少。 一、混凝土冻融破坏机理及影响因素 （一）混凝土冻融破坏机理分析 混凝土抗冻性是指在吸水饱和的状态下经历多次冻融循环，保持其原有性质或不显著降低原有性质的能力。 混凝土的抗冻性能与其抗渗性密切相关，抗渗性越差，水越容易进入混凝土，冬季混凝土遭受冻害的可能性更 大。 （二）影响混凝土抗冻性能的因素 从上述混凝土冻融破坏机理可见，混凝土内部孔隙结构是影响其抗冻性能的主要因素。而混凝土内部孔隙结 构又与以下因素密切相关。 1、活性矿物掺和料 研究表明：矿物掺料的物理填充、化学作用影响了浆体或混凝土微结构的整体发展过程。矿物掺料的活性效 应、微集料填充效应、形态效应和吸附效应，能够改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土强度和耐久性。例如 硅粉能够提高混凝土的密实度，从而提高抗冻性和抗渗性，同时还能提高混凝土的早期强度；粉煤灰在混凝土中 具有降低成本，降低混凝土的水化热提高抗裂性能，还具有细化孔隙，改善界面结构，抑制碱－骨料反应；且具 有自硬化、需水量比低、自硬化的特点。 2、水灰比 水灰比的大小直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。日本福冈大学的试验研究表明，混凝土抗冻性能随水灰比 增大而明显降低。因此，通过添加减水剂来降低水灰比从而降低混凝土中的孔隙率，可能是提高混凝土抗冻性的 有效措施之一。 二、实验 （一）原材料 试验用河南某水泥有限公司生产的 P·O42.5 水泥。北京石景山热电厂的Ⅰ级粉煤灰。粗集料为 5 ～ 20mm 连 续级配的碎石，分别选用石家庄地区的石灰岩，南京地区的花岗岩和连云港地区的玄武岩，具体性能指标见表 1。 细度模数 2.8、含泥量 1.0%、视密度 2610kg/m3、级配合理的中砂。UNF-5 高效减水剂。各种原材料性能指标均满 足标准要求；粉煤灰和矿渣微粉是济源市国泰微粉科技有限公司生产的，性能指标见表 2、3，其结构扫描电镜如 图 1、2 所示；外加剂是河北省混凝土外加剂厂生产的 DH9 型引气剂和 DH13 聚羧酸高性能减水剂；聚丙烯纤维呈 束状单丝，自分散性好；水为郑州市普通自来水。
表 5 再生混凝土冻融循环试验结果
图 3 200 次冻融后宏观特性试验结果曲线图 （二）孔结构分析 由于普通集料结构致密，孔隙率极低，通常是不会被冻坏的。混凝土冻融破坏实际上是水泥石从致密到疏松 的过程，并且在这一过程中伴随着微裂纹的出现和发展。集料品种对混凝土抗冻性能的影响应考虑为不同品种集 料带来的界面区结构的差异，特别是孔结构的不同。为此采用压汞法对不同品种粗集料附近水泥石的孔结构进行 系统的研究分析，其中包括比孔容积、孔隙率、最可几孔径、孔径分布等参数。 累计进汞曲线和比孔容积。孔径的累计进汞曲线为汞的压入量 V 与孔隙直径 d 之间的关系：V=f1（logd）。不 同品种粗集料配制的不同水灰比试样 28d 时其附近水泥石的累计进汞曲线见图 3。从图 3 中可以看出，在对汞加压 的过程中，水泥石中孔隙较大时的累计进汞量都较小，直到某一孔径时，进汞量开始显著增大，该孔径为临界孔 径。随着水灰比的减小，水泥石的临界孔径减少，且吸水率较低的花岗岩与玄武岩附近水泥石的临界孔径小于石 灰岩，具体排序为：MS ＞ MH ＞ MX ＞ NS ＞ NH ＞ NX。 （三）相对动弹模量正交分析 由图 4-7 可知，引气剂掺量最大的 4 组，Z4、Z7、Z10、Z13 含气量分别是 5.7%、5.9%、5.8%、5.8%，经 200 次冻融循后相对动弹模 94.5%、93.2%、94.2%、94.1%，引气剂掺量最小的 4 组，Z1、Z6、Z11、Z16 含气量分别是 1.3%、 1.2%、1.0%、1.1%，经 200 次冻融循后相对动弹模 72.5%、71.8%、67.8%、74.3%，不掺引气剂的试件组，当冻 融循环至 50 次，相对动弹性模量开始下降，此后随着冻融次数的增加相对动弹模量下降速度逐渐加快，到 200 次 时降至 70% 左右；引气剂掺量为 0.05‰和 0.075‰的试件组与不掺引气剂的试件组比相对动弹下降速度明显慢了许 多，冻融循环至 200 次时，相对动弹模依旧保持在 90% 以上。 矿渣粉对动弹性模量影响趋势为先减小后增大，28d 龄期的试件掺矿渣粉后抗冻性能与不掺矿渣粉相比动弹 性模量有所下降，矿渣粉的微集料效应提高了混凝土的整体密实性，降低了混凝土中的孔隙率，但均能满足混凝 土抗冻要求；矿渣粉掺入会改善再生混凝土的孔隙结构，但矿物掺合料的早期活化性能较低，仅能对再生混凝土 早期抗冻性起到物理方面的积极作用，早期化学方面的改善作用较弱。再生混凝土内部的孔隙结构和界面性能远 比普通混凝土复杂，孔隙率也比普通混凝土高的多。矿物掺合料的掺入在一定程度上可以改善孔隙率，相应提高 密实度。