水泥混凝土抗冻性能影响因素分析

文摘 2024-11-08 07:02 河南

0引言

混凝土结构的耐久性指混凝土结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何破坏的抵抗能力，其中抗冻性能是评定混凝土耐久性优劣的一个重要指标，尤其在我国北方寒冷地区，良好的抗冻性能可以极大地提升路面结构完整性和使用寿命。国内外对于混凝土抗冻性能做了大量研究，发现影响混凝土抗冻性能的因素有很多，主要有粗细集料质量、水泥品质、水灰比、矿物掺合料、外加剂等。但现有研究大多只针对混凝土抗冻性的某一指标进行分析，鲜有研究涉及多因素对混凝土抗冻性能的综合影响。鉴于此，本文将研究水灰比、硅灰掺量及引气剂对混凝土抗冻性能的综合影响，基于抗冻性能最优原则提出最佳水灰比、硅灰掺量及含气量，以供同行参考。

1原材料与试验方法

1.1原材料

1）水泥试验采用P·O42.5硅酸盐水泥，其技术性质见表1，满足《通用硅酸盐水泥规范》（GB175-2007）的要求。

试验用各档粗集料均为石灰岩碎石，其技术性能见表2，满足《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685）的要求。

3）外加剂试验采用减水率为30%的聚羧酸高效减水剂。

1.2试验方案

本研究采用第28次冻融循环结束时混凝土质量损失和相对动弹模量损失来评价混凝土的抗冻性能。

首先研究水灰比对混凝土抗冻性能的影响，水灰比拟采用0.32、0.36、0.40；其次研究硅灰掺量对混凝土抗冻性能的影响，硅灰掺量拟采用0、5%、10%和15%；最后研究含气量对混凝土抗冻性能的影响，通过添加引气剂使混凝土含气量为3.0%、4.5%和6.0%。

2试验结果与讨论

2.1水灰比的影响

为研究水灰比对水泥混凝土抗冻性能的影响，按掺引气剂后混凝土的含气量为4.5%，绘制水灰比分别与混凝土质量损失、相对动弹模量损失之间的关系柱状图，如图1所示。

由图1可知，无论是否掺加引气剂，随着水灰比的增大，水泥混凝土在28次冻融循环后的质量损失和相对动弹模量损失均逐渐增大，说明水灰比的增大对水泥混凝土的抗冻性能不利。相对于0.32的水灰比，0.4水灰比的质量损失增大了2.3%，相对动弹模量损失增大了10.4%。

混凝土抗冻性能下降的原因在于水灰比的增大对混凝土的密实性、基体空隙以及连通孔隙的孔径大小均造成负面影响，空隙率和孔径增大，在反复浸水冻融的恶劣条件下，更多的毛细水会沿着更大的孔径浸入混凝土基体内部，可冻结的自由水增大，此时水结冰导致的体积增大产生很大的膨胀压和渗透压，破坏了混凝土孔隙结构，在盐溶液中也会增大氯离子的扩散系数，对混凝土的整体性和结构强度造成影响，从而降低混凝土的抗冻性。当水灰比较小时，混凝土内部结构相对密实，孔径小，连通孔隙率小，即使在长时间浸水的条件下侵入混凝土内部的自由水含量也不会增多，因此混凝土受到冻融作用下内部渗透压和膨胀压较小，抗冻性较好。这说明混凝土更为密实，有利于提高混凝土的抗盐冻性能，因此在高寒地区的水泥混凝土路面施工时，应根据实际气候条件进行抗冻性试验对最大水灰比进行限制。

由图1也可以看出，当掺加引气剂后，混凝土的抗冻性能提升明显，单位面积剥落量及动弹模损失率都得到了改善，水灰比的不利影响受到了很大抑制，但抗冻性随着水灰比增大的变化趋势并未改变。另外，随着水灰比的增大，引气剂对混凝土抗冻性能的改善效果更加显著，原因在于水灰比较大时，混凝土的孔隙率较大，引气剂带来的微小气泡更能有效填充其中，因此混凝土越不密实，则引气的效果越好，在高水灰比的混凝土施工中使用引气剂更有助于混凝土抗冻性能的提高。

2.2硅灰的影响

为明确硅灰的掺加对水泥混凝土抗冻性能的影响，绘制硅灰掺量与混凝土质量损失和相对动弹模量损失之间的关系曲线，如图2所示。

由图2可知，与不掺硅灰的普通水泥混凝土相比，随着硅灰掺量的增加，水泥混凝土在28次冻融循环后的质量损失和相对动弹模量损失均逐渐减小，说明硅灰的掺加可以有效提高水泥混凝土的抗冻性能。当硅灰掺量在5%时，质量损失和相对动弹模量损失出现拐点，拐点之前损失迅速减少，拐点后则相对减缓，说明硅灰掺量在5%时能很好地改善水泥混凝土的抗冻性能。当硅灰掺量为5%时，质量损失和相对动弹模量损失分别降低了50.9%和66.7%。硅灰之所以能提高混凝土的抗冻性能与混凝土抗冻机理相关，水泥混凝土的抗冻性主要受水分入渗影响，当混凝土孔隙较多时，浸水后混凝土吸收更多水分，在反复冻融循环作用下，基体内部的渗透压和膨胀压增大，导致混凝土损伤，可以认为混凝土的抗冻性能主要与混凝土孔结构的优劣有关。当混凝土掺入部分硅灰后，硅灰颗粒更细带来的微集料作用可有效填充混凝土的孔隙，增大密实度，优化孔结构，从而降低混凝土试件浸水后水分和氯离子的侵入。另一方面，硅灰的火山灰活性可以与水泥水化产物发生二次水化作用，生成胶凝材料，不仅可以减少水化产物中的碱含量从而优化水泥石中的气泡结构，生成的胶凝材料还能改善混凝土的界面过渡区，在优化界面气孔结构的同时增大界面强度，减少盐溶液的进入通道，减少混凝土的静水压力和渗透压，从而提高混凝土的抗盐冻性能。在实际应用时，除了硅灰可以提高混凝土的抗冻性能外，其他矿物掺合料（如粉煤灰、矿渣、回收粉等）中具有高活性和高细度的材料均可以提高混凝土的密实度和界面强度，优化混凝土的孔结构，从而提高混凝土的抗冻性。

2.3引气剂的影响

为明确引气剂的掺加对水泥混凝土抗冻性能的影响，通过掺加不同引气剂生产不同含气量的混凝土试件，并绘制含气量与混凝土质量损失和相对动弹模量损失之间的关系曲线，发现与普通水泥混凝土相比，随着含气量的增加，水泥混凝土在28次冻融循环后的质量损失和相对动弹模量损失均先逐渐减小后略微增大。当含气量为4.5%时，质量损失和相对动弹模量损失分别降低了73.7%和62.4%，说明随着引气剂掺量的提高，混凝土中含气量增多，有助于提高混凝土的抗冻性能。究其原因在于，在混凝土中掺入引气剂可以产生大量均匀的微小气泡，可减缓毛细管吸水，使混凝土的饱水度明显降低，未被充水的空间及时吸纳受冻区的过冷水，使水结冰产生的结冰压得到释放，从而提高混凝土的抗盐冻性能。引气后的混凝土毛细管平衡吸水饱水度明显减低，达到平衡时的时间延长。此外，由于引气剂的掺入能明显改善混凝土的塑性，减少泌水和离析，有助于混凝土表层均质性的提高，因此有利于提高混凝土抗盐冻性能。掺入引气剂是目前改善混凝土抗盐冻性能的最主要技术手段，不过研究发现要严格控制引气剂的掺量

3结论

本文研究了水灰比、硅灰掺量及引气剂对混凝土抗冻性能的综合影响，得出如下结论。

1）水灰比的增大对水泥混凝土的抗冻性能不利，相对于0.32的水灰比，0.4水灰比的质量损失增大了2.3%，相对动弹模量损失增大了10.4%；掺加引气剂后可以显著降低水灰比的影响。

2）随着硅灰掺量的增加，水泥混凝土在28次冻融循环后的质量损失和相对动弹模量损失均逐渐减小，说明硅灰的掺加可以有效提高水泥混凝土的抗冻性能。

3）随着引气剂掺量的提高，混凝土中含气量增多，有助于提高混凝土的抗冻性能，当含气量为4.5%时，质量损失和相对动弹模量损失分别降低了73.7%和62.4%。

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