冻融环境下引气粉煤灰混凝土性能研究.pdf

2 0 1 2 年 第 7 期 (总 第 2 7 3 期 ) Nu mb e r 7 i n2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATER I AL AND ADM DCLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 2 6 冻融环境下引气粉煤灰混凝土性能研究 肖前慧 ， 。 ( 1 西安科技 大学 ，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ；2 牛荻涛 z 西 安建筑科技大学， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 ： 进 行了快 速冻融作用下的混凝土室 内模拟试验 ， 研究 了冻融循环作用下 混凝土的质量变 化和动弹性模量变化规律 。 试验结果 表明： 水胶比、 粉煤灰掺量及引气剂掺量均是影响混凝土抗冻性的重要因素。 通过分析试验数据， 进而建立了考虑水胶比、 粉煤灰掺量及 引气剂掺量的冻融循环后混凝土质量变化模型和动弹模量变化模型， 与试验结果拟合精度较高。 这些结论为冻融环境下混凝土耐久性研 究提供了参考 和依据 。 关键词 ： 混凝 土；冻融循环 ；动弹模量 中图分类号： T U 5 2 8 4 2 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 8 1 0 2 S t u d y o n a j r e n t r a j n i n g f l y - a s h c o n c r e t e i n f r e e z e - t h a w e n v i r o n me n t XL A o Q i a n - h u i NI UDi t a o ( 1 X i a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。 X i a ll 7 1 0 0 5 4， C h i n a ； 2 Xi a n U n i v e rsi t y o f A r c h i t e c t u r e and T e c hno l o gy ， X i an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e e x p e rime n t s tud y o f fly - a s h a i r - e n t r a i n i n g c o n c r e t e s p e c i me n s s u ffe rin g f r e e z e - t h a w c y c l e we r e c a r r i e d o u t Th e we i g h t an d t h e d y n a m i c e l a s t i c mod u l u s we r c me a s u r e d Th e t e s t i n g r e s u l t s we r e d i s c us s e d a nd c o n s i d e ri n g t h e wa t e r - c e me n t r a t i o。 f l y a s h c o n t e n t s an d t h e a i e n tr a i n i n g a g e n t s ， t h e p r e d i c t i o n mo d e l o f we i ght and t h e d yna mi c e l a s ti c mo d u l u s o f c o n c r e t e i s b u i l t ， wh i c h t h e f u n c t i o n r e l i o n h a s g o o d c o r r e l a t i o n T h e c o n c l u s i o n s C an p r o v i d e t h e r e f e r e n c e f o r the s tud y o f the c o n c r e t e d u r a b i l i ty i n f r e e z e t h a w e n v i r o n me n t Key wor ds ： c o n c r e t e； fre e z e tha w c y c l e； d yn a mi c e l a s t i c mo d u l u s 0引言 1 试验 目前， 我国正处于大规模的基本建设时期。 由于混凝土结 构在取材、 成本、 维护等方面的显著优势， 在土建工程中一直占 有绝对的主导地位， 在重大土木工程( 建筑工程、 桥梁工程、 港 口与水工工程) 中已有着非常广泛的应用。 但是 随着混凝土建 筑物运行时间的增长， 其老化问题也 日益突出。 混凝土冻融破 坏是引起混凝土建筑物老化病害的主要原因之一， 尤其是在寒 冷地区， 严重影响着混凝土建筑物的安全运行和长期使用， 为 了使这些建筑物能够继续发挥作用， 每年都要消耗巨额的维修 费用 1】 。 因此 ， 开展对混凝土冻融后性能的研究具有重要的理论 意义和实用价值 。 粉煤灰混凝土的应用在国内外已有十几年的历史， 在混凝 土中掺人粉煤灰， 不仅能够部分代替水泥材料， 降低工程造价， 而且还能改善混凝土拌合物和易性和提高混凝土的性能， 是混 凝土的理想掺合料嘲 。 含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素， 尤其是加入引气剂形成的微小气孔对提高混凝土抗冻性尤为 重要， 掺引气剂已成为提高混凝土耐久性的基本措施。 因此， 本 研究对引气粉煤灰混凝土冻融循环后的性能进行试验研究， 以 期充分认识冻融作用下混凝土损伤规律和耐久性能退化规律 等， 为冻融环境混凝土耐久性研究奠定基础， 也为受冻融环境 下混凝土结构耐久陛进一步的研究提供参考。 1 1 试验材料及配合比 水泥选用陕西秦岭水泥总厂的 P O 4 2 5 R级水泥； 粉煤灰 为渭河电厂 I I 级粉煤灰； 细骨料为西安灞河中砂 ； 粗骨料为陕 西径阳口镇石灰岩质锤破碎石， ( 粒径 5 2 0 i i n 1 ) ； 引气剂采 s J 3 型高效引气剂； 水为自来水。 表 1 混凝土配合比设计 I 2试验 方 法 提前 4 d 将养护好的试件浸泡在温度为 1 5 - 2 0的水中， 采用 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 规 定的快冻方法， 试件中心温度控制在( 一 1 7 + 2 ) 和( 8 2 ) 嘲， 每次冻融循环应控制在 2 - 4 h内完成。 试件尺寸采用 1 0 0 mmx 1 0 0 minx 4 0 0 r n ln ， 试件成型前分别测定含气量 ， 含气量的测定 收稿 日期 ：2 0 1 2 _ J 0 l _ o 4 基金项目：国家自然科学基金重点项目( 5 0 5 3 8 0 6 0 ) ； 西安科技大学培育基金( 2 0 1 1 3 1 ) 8 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 采用 C A 3型 。 试件放人冻融箱后， 将冻融循环次数设定到 2 5次， 每循环 2 5 次后将试件调头装入， 以减少因为试件 匕 部与下部的温差造成的 误差。 每循环 2 5 次后擦去试件表面的水分， 测定质量及动弹性馍量。 2 试验 结果及分析 针对 3 个水胶比、 4种粉煤灰掺量、 3 种引气剂掺量的混凝 土 ， 共成型 8组棱柱体试件， 标准养护到预定龄期 3 0 d ， 之后在 自然环境中养护 6 0 d 。 以下是冻融循环 3 0 0次的试验结果， 测 试数据为试件质量及动弹性模量。 2 1 混 凝土质 量 变化 规律 图 1 - 3 分别为不同水胶 比、 粉煤灰掺量、 引气剂掺量混凝 土试件质量变化规律。 可以看出， 水胶比、 粉煤灰掺量、 引气剂 掺量均对混凝土冻融循环中质量变化有不同程度的影响。 9 45 9 4 0 9 35 9_ 3O 9 25 翟 9 2 0 9 1 5 9 1 0 9 0 5 9 O0 面 础 瞧 循 环次数 图 1 不同水胶比混凝土质量变化 规律 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 循 环次数 图 2 不同粉煤灰掺量混凝土质量变化规律 9 ： 9 9 8 9- 7 。 09 6 9 5 蝗 9 4 9 3 9 2 9 1 0 50 1 00 1 5 0 2 00 250 300 循 环次数 图 3 不同引气剂掺量混凝土质量变化规律 通过对试验结果的分析， 冻融循环作用下混凝土质量变化 与冻融循环次数可用以下函数关系表示 ： G n = _ 9 2 8 6 ( 1 ) 式中： G 混凝土质量； n 冻融循环次数； k 与混凝土材料有关的参数， k = k k f k ， 其中k 是有关 水胶比W的参数 ， 是有关粉煤灰掺量_厂 的参数， k 8 2 是有关含气量 a的参数。 k w - O 9 5 3 9 w ( R Z =- 0 9 1 4 ) ( 2 ) k u - 2 3 7 8 f 1 8 2 3 ff- 0 4 1 4 f + 1 0 2 4 ( R Z =- 0 9 9 9 ) ( 3 ) O 0 5 1 n a + 1 1 5 6 ( R Z =- 0 9 9 7 ) ( 4 ) 2 2 混凝 土动 弹性模 量 变化 规律 动弹性模量是指动荷载下应力值极小时应力与应变的比， 一 般是采用纵向振动和弯曲振动的共振法或敲击法试验测定 得出， 本研究采用共振法。 动弹性模量的测定是非破损的， 能考 察同一试件在冻融过程中其内部结构逐渐破坏的过程。 图4 6 分别为不同水胶 比、 粉煤灰掺量 、 引气剂掺量混凝土试件动弹 模量变化规律。 可以看出， 水胶 比、 粉煤灰掺量 、 引气剂掺量均 对混凝土冻融循环中动弹性模量变化有不同程度的影响。 45 44 4 3 42 g 4 l 4 O 3 9 融 3 8 督 3 7 3 6 35 3 4 循环 次数 图 4 不 同水胶 比混凝土动弹模量变化规律 循环次 数 图 5 不 同粉煤灰掺量混凝土动弹模量变化规律 循环 次数 图 6 不 同目 f 气剂掺量 混凝土动弹模量变化规律 通过对试验结果的分析， 冻融循环作用下混凝土动弹性模量 变化与冻融循环次数可用 E - - A E o e 函数关系表示。 以水胶比 0 A 5 的混凝土试件的动牵l生 模量试验结果为准，通过对其 3 0 0次 冻融循环内试验结果回归分析， 其衰减系数 A = 一 0 0 0 0 3 。 设 A = k w k f k ， 其中 k w 、 k r k 分别为不同水胶比W、 不同粉煤灰掺量，以 及不同含气量 a 等单因素下试件的动弹性模量修正系数， 则动 弹性模量与冻融循环次数 n的关系为： E n = k k f k E o e _咖 ( 5 ) 下转第 1 2 3页 如 ：兮 的 0 、 咖 教需 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 利用试验数据 ， 给出了以实体结构混凝土中钻取的芯 样抗压强度为基准的水平向检测混凝土浇筑侧面与向上( 下) 检 测混凝土浇筑底( 表) 面的回弹法测强曲线 ， 有效提高了绿色预 拌混凝土采用泵送方式浇筑成型后结构构件混凝土原位抗压 强度 的检测精度。 ( 3 ) 对 J GJ f r 2 3 2 0 1 1 回弹法检测混凝土抗压强度技术 规程 仅能检测泵送混凝土浇筑侧面的情况 ， 文中给出了现浇 楼板两种特定状态下回弹值的角度、 浇筑面修正公式 ， 建议对 于回弹法向下检测现浇楼板表面的回弹值角度、 浇筑面修正可 参考现行规程附录 C、 D换算。 该项研究弥补了现行回弹规程 检测现浇楼板类构件混凝土抗压强度的空缺 ， 试验背景资料可 供回弹规程修订时参考。 上接第 8 2页 式中： 混凝土动弹性模量， 1V I P a ； 混凝土初始动弹性模量， MP a ； n 冻融循环次数 。 根据试验结果， 经回归计算得修正系数 k w k 、 k 。 的表达式为： k w = 0 5 一 0 6 + 1 1 7 ( R = 0 9 9 9 ) ( 6 ) k f = 一 0 1 0 3 ( R Z = 0 9 9 8 ) ( 7 ) Jj O 2 9 8 h a a + 1 9 6 5 ( RZ = 0 9 5 5 ) ( 8 ) 3结 论 通过对 8组引气粉煤灰混凝土试件 的试验研究 ， 得到了 3 0 0次冻融循环后不同水胶 比、 粉煤灰掺量及引气剂掺量混 凝 土 的质 量变 化 规 律 和动 弹模 量 变 化 规 律 。 通过 回归 试 验 数据， 得到质量变化与冻融循环次数的关系函数和动弹模量 变化与冻融循环次数 的关系函数 。 冻融作用下混凝土质量 、 动弹性模量与冻融次数均呈指数函数关系 ， 该方程与试验结 果拟合精度较高 。 为冻融环境下混凝土耐久性研究提供了 参 考 。 上接第 9 4页 3 4 2 粉煤灰混凝土的特殊应用 考虑到粉煤灰混凝土的特殊陛能， 可以将其应用于以下工程： ( 1 ) 地下工程 ： 地下工程对混凝土密实性和抗渗性要求较 高， 粉煤灰对提高混凝土的抗渗性起一定作用， 提高混凝土的 密实性和抗渗性。 ( 2 ) 水利工程： 大坝、 河堤、 水库等工程中混凝土用量大， 环 境含水量高， 使用粉煤灰混凝土价格低廉 ， 并能取得较高强度。 粉煤灰掺量可达到 3 0 以上。 ( 3 ) 海洋工程： 海水中含盐量高， 粉煤灰混凝土具有抗海水 侵蚀的能力， 加之抗渗性能好， 在海洋工程中粉煤灰混凝土得 到广泛的应 用唧 。 4结 论 综上所述， 在混凝土中大量掺加粉煤灰， 可以大幅度降低 水泥的用量， 改善混凝土拌合物的和易性， 提高混凝土的后期 强度 ， 而且粉煤灰可以就近取材， 使用前无需加工或只需简单 加工 ， 可以最大限度地降低能源消耗 ， 有利于环境保护和可持 续发展。 因此， 粉煤灰是发展绿色高性能混凝土的最大最优资源， 我国是产煤大国， 应大力开发与推广应用粉煤灰绿色高性能混 凝土， 使我国混凝土材料尽早成为可持续发展的材料。 参考文献 ： 【 1 吴文贵 ， 王军 ， 孙克平， 等 建设绿色混凝土产业化基地 J ， 施工技 术 ， 2 0 ( ) 9 ( 1 1 )： 3 7 4 1 【 2 】 J G J f r 2 3 2 O 1 1 ， 回弹法 3 13 J G J f r 2 3 2 o o 1 ， 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程【 s 】 4 王大勇 实体结构混凝土力学性能与碳化测试分析叨_ 1 氐 温建筑技 术 , 2 0 0 9 ( 8 ) ： 6 9 - 7 1 【 5 裘炽昌， 朱金根 回弹法测强角度修正值的研究【 J 混凝土， 1 9 8 3 ( 1 ) ： l l 一1 3 作者简介： 郝克耕( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 正高级工程师， 从事工程质量监督与 检测研究。 联系地址： 河北省廊坊市建国道 3 6 1 号 廊坊市建设工程质量检测中 j ( o 6 5 o o o ) 联 系电话 ： 1 3 1 3 1 6 0 0 9 7 8 参考文献 ： 1 陈肇元土建结构工程的安全性与耐久性 M 】 北京： 中国建筑工业出 版社， 2 0 0 3 2 】2 谭克锋水灰比和掺合料对混凝土抗冻性能的影响f J 1 ， 武汉理工大 学学报， 2 o o 6 ( 3 ) ： 5 9 6 0 【 3 】G B J 8 2 8 5 ， 混凝土长期性能和耐久性性能试验方法【 s 】 4 牛荻涛混凝土结构耐久性与寿命预测【 M 京： 科学出版社， 2 0 0 2 【 5 】MO HA ME D 0 A F a c t o r s a ff e c t i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e t o f r e e i n g a n d t h a wi n g d a ma g e J o u rna l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l En g i n e e r i n g， F e b r u a r y ， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 1 ) 6 6 张誉， 蒋利学， 张伟平 ， 等 混凝土结构耐久性概论【 M 】 上海： 上海科 学技术出版社 ， 2 0 0 3 ： 7 9 8 1 ， 2 2 6 2 3 2 【 7 】N A G A T A K I G S， H I S A D A S M F r e e z i n g and t h a w i n g res i s t a n c e o f a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e ： t h e r o l e o f a i r c o n t e n t i n d e m o l i s h e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 7 0 9 8 0 6 作者简介 ： 联 系地 址 ： 联 系电话 ： 肖前慧( 1 9 8 1 ) ， 女， 博士， 主要从事混凝土结构耐 I生 研究。 西安市雁塔路 5 8 号 西安科技大学建筑与土木工程学院 ( 7 1 0 0 5 4 ) 1 3 6 6 9 1 8 9 0 3 7 参 考文献 ： 1 】吴中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝土【 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 ： 6 2 1 0 3 【 2 】 赵华玮， 朱宏平绿色高性能混凝土研究 J 】 混凝土， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 9 2 9 3 3 3 艾红梅 大掺量粉煤灰混凝土配合比设计与性能研究【 D 】 _大连： 大连 理工大学， 2 0 0 5 【 4 】 朱耳 # ， 陈I 写 瞢 耋 绿 割生 自 l 土 武汉匿 肖 艮 ， 2 0 0 2 ( 1 o ) 5 】 冯乃谦 高性能混凝土的发展与应用 J 】 施工技术， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 - 6 6 6 吴中伟 高性能混凝土绿色混凝土叨 混凝土与水泥制品， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 3 - 6 【 7 王兆， 杨锐绿色高性能混凝土的研究与探索【 J 】 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 0 0 -1 03 【 8 】王振军 ， 陈平 ， 尚纪歌 高性能混凝土耐久性研究进展J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 2 5 1 2 8 9 1 l ， 梁利端， 孙青海 中国建材科技， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 1 - 1 3 中的应用研究 J 作者简 介 联 系地址 ： 联系电话 ： 孙家国( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 教授， 硕士， 主要从事土木工程材料的 教学和研究工作。 福建省武夷山市武夷大道 l 6 号 武夷学院环境与建筑工 程系( 3 5 4 3 0 0 ) 1 5 9 5 9 7 7 7 4 6 6 1 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m