混凝土微观结构与其抗冻融能力的关系研究.pdf
2 0 1 5 年 第 3期 总 第 3 0 5 期 Nu mb e r 3 i n 2 0 1 5 T o t a l N o . 3 0 5 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i 1 0 . 3 9 6 9 . i s s n . 1 0 0 2 - 3 5 5 0 . 2 0 1 5 . 0 3 . 0 0 9 混凝土微观结构 与其抗冻 融能力 的关系研 究 张永存。 。 李青宁 1 . 河南城建学院 交通运输工程学院,河南 平顶山 4 6 7 0 3 6; 2 . 西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 摘要 按一定强度制作四组混凝土试件 , 一组不掺粉煤灰和引气剂 , 一组单掺粉煤灰, 一组单掺引气剂, 另一组双掺粉煤灰和 引气剂 , 然后测定各组试件的抗冻融性能指标和内部孔结构 。 试验结果表明, 双掺粉煤灰和适量引气剂 , 可以改善混凝土内部的 孔结构 , 使孔径在 5 0 a m 以下 的孔所 占比例明显提高, 1 0 0 ~ 2 0 0 a m范围内的有害孔大大减少, 从而使混凝土的抗冻融能力显著 增 强 。 关键词 混凝土抗冻融性能; 孔结构 ; 粉煤灰; 引气剂 ; 压汞法 中图分类号 T U 5 2 8 . 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 3 0 0 3 1 0 3 St u d y on r e l a t i o n s h i p b e t we e n mi c r o s t r u c t u r e o f c on c ret e a n d it s a b i l i t y t o f r e e z i n gt h a wi n g res i s t a n c e ZHANG Yo n g c an’ ,LI Q i n g n i n g 1 . S c h o o l o f T r a n s p o r ta t i o n E n g i n e e ri n g, He n an Un i v e r s i t y o f Ur b a n Co n s t r u c ti o n, P i n g a i n g s h a n 4 6 7 0 3 6, C h i n a ; 2 . S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g, Xi a n U n i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e and T e c h n o l o g y, Xi a n 7 1 0 0 5 5, C h i n a Ab s t r a c t F o u r g r o u p s o f c o n c r e s p e c i me n s we r e p r o d u c e d a c c o r d i n g t O c e r t a i n i n t e n s i ty l e v e l , a g r o u p wi t h o u t fl y a s h a n d a i r e n t r a i n i n g a g e n t s , a gro u p o nl y wi t h fly a s h, a gro u p o n l y wi t h aire n tr a i n i n g a g e n t s , an o t h e r g r o u p wi t h ny a s h an d aire n train i n g a ge n t s , the n a n t i f r e e z i n g t h a wi n p e r f o r m an c e i n d i c a t o r s an d i n t e r n a l po r e s t r u c t u r e o f th e s p e c i me n s we r e d e t e r mi n e d. Th e r e s u l t s s h o w t h a t mi xi n g f l y a s h a n d a i re n train i n g a g e n t s C an i m p r o v e the i n t e rn a l po r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e, i n c r e a s i n g s i g n i fic an t l y th e p r o p o r t i o n o f the p o r e s wi th the di a me t e r l e s s tha n 5 0 n m , wh i l e g r e a t l y r e d u c i n g t h e h a r mf u l p o r e s wi th the d i a me t e r r a n g e 1 0 0 tO 2 00 nm, s o t ha t t h e a n tif r e e z i ng - tha wi n g pe r f o rm a n c e o f c o n c r e t e i s s i g n i fi c an t l y s tre n gt h e n e d. Ke y wor ds a n df r e e z i n gtha wi n g p e rfo r man c e o f c o n c r e t e ; p o r e s t r u c t u r e ; fl y a s h; a i r e n trai n i n g a g e n t s ; me r c u r y p o r o s i me t r y 0 引 言 自1 8世纪 2 0年代波特兰水泥问世以来 , 以水泥为胶 凝材料的混凝土 已经成为世界上使用最广泛 的建筑材料 , 在长期 的工程实践过程 中, 混凝土也在不断地得到发展 和 改善 , 从最初的素混凝土逐 渐发展到 了普通 钢筋混凝 土 、 预应力混凝土、 高强混凝土和高性能混凝土等, 其应用的 领域也越来越广泛 , 在房 屋建筑 、 公路 、 铁路 、 隧道 、 桥梁 、 港 口、 水利等工程中得 到了大量应用。 然 而混凝土在 向人 们充分展现其 优越性 的 同时 , 也不 断暴 露 出 自身难 以克 服的缺 陷, 因为耐久性问题而造成结构破坏或不 能正 常使 用的案例层出不穷, 由此造成的经济损失更是难以估量。 混凝土在恶劣环境下的耐久性问题越来越引起人们的重 视 , 混凝土耐久 性成 为近年 来专家 学者 竞相 研究 的热 点 问题 。 混凝土耐久性是指结构在规定 的使用 年限内 , 在各种 环境条件作用下 , 不需要额外的费用加固处理而保持其安 全性 、 正常使用 和可接受 的外 观的能力。 耐久性 是一个综 合性的概念, 具体包括抗渗性、 抗裂性、 抗冻性、 抗侵蚀性、 收 稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 7 基金项 目 国家自然科学基金资助项目 5 1 0 7 8 3 0 6 抗碳化和抗碱骨料反应等。 其 中, 在复杂环 境条件下混凝 土的抗冻融能力是影 响混凝土耐久性 的一个 重要方 面, 针 对混凝土的抗冻 融性能 , 国 内外 有很多 学者 已经从 多方 面 、 多层次 、 不同深度地开展了大量研究 , 并 且也取得 了很 多有用的研究成果 。 但是在混凝土宏观抗冻性和微细观 内 部孔结构之 问的关 系方面研究成果不多 , 因此很有必要在 这方面开展研究 , 旨在揭示 出内部孑 L 结构对 混凝土抗冻融 能力的影响机制 , 从而为将来更好地制定抗 冻融措施提供 理论支持 。 很多研究成果都表 明, 混凝土内部 的孔结构是影响混 凝土抗冻性 的一个重要因素。 我国学者吴 中伟 根据孔对 混凝土耐久性 的影 响程度 , 把孔分 成多个级别 , 孔径 小于 2 0 a m 的孔 为无 害孔 , 2 0 - 5 0 a m 的为少 害孔 , 5 0 - 2 0 0 a m 的为有害孔 , 孔径大于 2 0 0 a m 的为多害孔 。 采取措施 , 改 善混凝土内部孔结构 , 减少混凝土 内有害孔和多 害孑 L , 增 加无害孔所 占比重 , 这样就可以提高混凝土 的宏观抗冻融 性能。 笔者在参考了以往相关研究成果 的基础上 , 按某 一 强度标准制作混凝土试件若干 , 在其 中一些试件 中加入 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 了一定量 的粉煤灰混合材和引气剂 , 然后采取一定 的方法 测试这些试件的抗冻融指标和混凝土相应 内部孔结构 , 旨 在分析研究混凝土内部孔结构和其抗冻性之间的关系。 1 试验 设计 1 . 1 原材料 与混凝土配合 比 混凝土强度等级为 C 3 0 。 水泥采用河南平顶 山姚 电水 泥有限公司生产 的“ 可利尔 ” 牌 P O 4 2 . 5级水 泥, 其各项 性能指标如表 l 所示 ; 细骨料为中砂 , 细度模数 为 2 . 5 9 , 级 配 区属为 I I 区 , 细度模数为 2 . 5 9 , 粗细程度为中砂 , 砂子颗 粒级配见表 2 ; 粗骨料采用级配 良好 的碎石 , 其颗粒级配见 表 3 ; 混合材采用平顶 山姚孟 电力粉煤灰 开发有 限公司生 产 的 I 级分选粉煤灰 , 其性能指标和化学成分详见表 4 ; 所 掺外加剂有减水剂和引气剂 , 其 中减水剂采用粉状 的花王 减水剂 , 引气剂采用河北筑盛建材科技开发有 限公 司生产 的 Z S一 1 0 9 A混凝土引气剂 ; 拌和混凝土用水直接采用 自 来水 。 表 1 水 泥的各 项性 能指标 项 目 簪罴 一 筛孔尺寸/ r a m 5 2 . 5 1 . 2 5 0 . 6 3 O .3 1 5 0 . 1 6 0 . 1 5 筛孔尺寸/ m m 3 7 。 5 3 1 . 5 2 6 . 5 1 9 . 0 1 6 . 0 9 . 5 0 4 . 7 5 2 . 3 6 注 掺配合比例 1 0 3 1 . 5 0 ~ 1 0 7 3 , 以上为掺配混合后 试验结果。 表 4粉煤灰性能指标 % 按强度 C 3 0标准制作 四组混凝土试件 , 试件 J c是基 准混凝土 , 不掺引气剂和粉煤灰混合材 ; 试件 F C只掺粉煤 灰混合材 , 不掺引气剂 ; 试件 Y C只掺 引气剂 , 不掺粉煤灰 混合材 ; 试件 F Y C既掺引气剂又掺粉煤灰混合材。 具体混 凝土配合 比详见表 5 。 表 5 混凝土各材料配合 比 编号 减水剂 引气剂 , % , %0 3 2 1 . 2 试件制作及试验 方法 1 冻融循环试验 按照 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长 期性能和耐久性 试验方法中抗冻性 能试 验 的“ 快 冻法 ” 进行。 混凝土标准试件 尺寸为 1 0 c m1 0 c m 4 0 c m, 试 件养护一定龄期后进行冻融循环试验。 将标准试件放入 自动冻融循环机中快速饱水冻融, 每 隔 2 5次冻融循环 用动弹仪测试件 的动 弹模量 , 并检查 试 件外部损伤和重量损失 。 以相对动 弹性模 量不低于 6 0 %、 重量损失率不超过 5 %时混凝土所能承受 的最大冻融循环 次数来表示抗冻等级。 混凝土 的抗冻融指数 也可以用 来表示混凝 土的抗冻性 , 抗冻融指数 用式 1 计算 。 Kh PN / 3 0 0 1 式中 Ⅳ混凝土所能承受的冻融循环次数 ; 尸经 J7 v 次 冻融循 环后混 凝土 的相对 动 弹性模 量 , %。 2 混凝土抗压强度试验 采用济南试验机厂生产 的 Y E 2 0 0 0液压式压力试验机测试混凝 土立方体试 件的抗 压强度 , 具体操作方法参 照 G B / T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 。 3 孔结构试验 制作和混凝土抗冻融试件相应 的水 泥净浆试件 , 采用压汞法进行孔 结构测试。 仪器采 用美 国 康塔仪器公司生产的P o r e Ma s t e r 3 3 G全自动压汞仪, 最大 压力强 3 3 0 0 0 P S I , 可测量孔径范 围为 5 n m~ 1 0 8 0 m, 该 仪器可用来测量总孔体积、 孔体积分布、 孔表面积及其分 布等。 2 试验 结果与分析 试验测得的混凝土 的坍落度和不 同龄期 的抗压强度 见表 6和图 1 , 不同冻融循环 次数之后混凝 土的相 对动弹 性模量 、 质量损失率和抗冻融指数见表 7和 图 2 , 水泥石 的 孑 L 结构测试结果见表 8 。 2 . 1 各组试件抗压 强度分析 从 图 1 可 以看 出, 各组混凝土试件抗压强度均随养护 龄期 的增 长而增强 , 硬化后混凝 土的2 8 d 抗压 强度 , J C 3 0 、 表 6 各混凝土试件不同龄期抗压强度测试结果 养 护龄 期 , d 图 1 各 试件 不 同龄期抗 压强 度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 各试件相对动弹模量 尸 n % 和质量损失率 w % 测试结果 2 5次 5 0次 7 5次 1 0 0次 1 2 5次 1 5 0次 1 7 5次 2 0 0次 2 2 5次 2 5 0次 2 7 5次 3 0 0次 抗 数 2 s s - o s z z F C 3 0 、 Y C 3 0 、 F Y C 3 0依次为 3 9 . 8 、 3 8 . 1 、 3 6 . 8 、 3 5 . 7 MP a , 显 然都能满足设计强度要求 , 但混凝土强度由高到低的顺序 是J C 3 0 、 F C 3 0 、 Y C 3 0 、 F Y C 3 0 。 在混凝土中掺入适量 引气剂 循 环 次 数 , 次 图2 各试件相对动弹模量随冻融次数变化 曲线 度损失 了大约 1 O %。 在混凝 土中掺入矿物掺合材料粉煤灰后 , 其早期抗压 强度会稍有降低 , 但后期强度 发展较快 , 有超过未掺 混合 材混凝土强度 的趋势 。 由于粉煤灰 的水化需要水泥水化产 物 C a O H 来激发 , 在水泥水化快结束的时候 , 粉煤灰还 有近 8 0 %没有水化 , 因此在混凝土 的早 期水化 中, 粉 煤灰 水化程度低并且水化速度很慢 , 这一特点正好弥补 了水泥 水化基本结束后混凝土后期强度 发展不足 的缺陷 , 所 以在 配制混凝土时有意加入适量粉煤 灰 , 这将对混凝土后期强 后 , 会 改变混凝土 内部 的孔结构 , 使混凝 E 2 8 d 的抗压 强 度 的增长产生有利 的影响 。 表 8各试件的孔结构测试结果 2 . 2 各组试件孔结构和抗 冻融性 能分析 从混凝土抗冻融试验结果可 以看 出, 加入引气剂后的 混凝土其抗冻融能力明显高于未加引气剂的混凝土 , J C 3 0 和 F C 3 0混凝土分别经过 5 0 、 7 5次冻融循环就破坏了, 而 掺人引气剂后的 Y C 3 0 、 F Y C 3 0混凝土却可 以承受 3 0 0次 的冻融循 环 而 不 破 坏 , 特 别 是 双 掺 引 气 剂 和 混 合 材 的 F Y C 3 0混凝 土抗冻融能力很强 , 经过 3 0 0次冻融循环后 , F Y C 3 0混凝土 的相对动 弹模量高达 9 1 . 2 2 %。 各 组试件抗 冻融能力从高到低依次为 F Y C 3 0 、 Y C 3 0 、 F C 3 0和J C 3 0 。 在 混凝土中掺入适量引气剂和粉煤灰混合材, 可以使混凝土 的抗冻融指数提高约 5倍 。 从水泥 石 孔结 构 测 试 结 果来 看 , J C 3 0 、 F C 3 0 、 Y C 3 0 、 F Y C 3 0的总孔隙率依次为 1 9 . 1 3 %、 1 8 . 6 6 %、 2 0 . 1 2 %、 2 0 .6 1 %, 掺人粉煤灰能减小混凝土的孔隙率, 掺加引气剂却能明显 增大混凝土的孔 隙率。 加 入粉煤灰后 , 粉煤灰可 以填充一 些较大孔径孔隙 , 增大小孔所 占的比例。 从未掺引气剂和粉煤灰混合材 的基准混凝土 J C 3 0孔 结构测试数据来看, 孔径在 5 0 ~ 2 0 0 n m范围的孔所占比重 最大 , 高达 8 0 %。 掺入混合材的 F C 3 0混凝土其 内部孑 L 向小孔径方 向移 动 , 大 约 9 0 %的孔都 集 中在 1 0 0 n m 以下 的孔 径范 围 内, 5 0 n m以下的孑 L 占6 3 . 3 %, 其中2 0 5 0 n m范围的孑 L 占到 6 2 . 9 3 %, 约为 J C 3 0混凝 土同范围孔所 占总孔 比重的 6倍。 5 0 ~ 2 0 0 n m 范 围的孔所 占比例 为 3 0 %, 比 J C 3 0混 凝土 同 范围孔所 占比例减小了近两倍 。 掺人引气剂的 Y C 3 0混凝土其 大于 2 0 0 n m 的孔所 占 比例增多。 双掺粉煤灰混合材 和引气剂 的 F Y C 3 0混 凝土 其 5 0 n m 以下 的孔所 占比例 明显提高 , 同时大于 2 0 0 0 n m 的孔也有所增加。 综合上面的分析结果 , J C 3 0混凝土 5 0 n n l 以上的有害 孔和多害孔所 占比例最高 , 其抗冻性最差。 加入粉煤灰后 , 混凝土 内5 0 n m 以下的少害和无害孔隙明显提高 , 从而显著 提高了混凝土的抗冻性。 加入引气剂后, 在混凝土 内引入 了 大量均匀分布的微小气泡 , 由于气泡的可压缩性 , 因而可 以 缓解结冰产生的膨胀压力。 同时 , 气泡还可 以容纳 自由水 的 迁入 , 因而可以大大缓解渗透压力 , 从而增强 了混凝土 的抗 冻融能力 。 而双掺粉煤灰和引气剂的 F Y C 3 0混凝土的抗冻 性最强 , 这和其 5 0 n l n以下的孔所 占比例最高是相吻合的。 3 结论 1 在混凝土内加入适量粉煤灰混合材会使混凝土早 期强度降低 , 但对混凝土后期强度发展较为有利 。 2 在混凝土内加入粉煤灰混 合材 , 会 使 内部孔隙 向 小孔径方向移动, 使5 0 - 2 0 0 a m范围的有害孑 L 明显减少, 这对提高混凝土抗冻融性能是有利的。 下转第 3 7页 33 咖 篱需靛罂 叭 叭 ∞ m “ 醯 卯 铊 舛 舛 虬 玛 拍 ∞ m 昕 2 一 一 一 一 一 一 一 一 嘶 加 叭 甜 吣 阱 跎 ∞ 甜 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ll ll fI ll ll “ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 避 ∞ 懈 蟊 斑 憾 矿物 掺合料 掺量 , % 图 8 矿物掺合料的因素水平对 K S的影响规律 低 , 从而减少了侵蚀产物石膏及钙矾石的生成量 ; 2 在硫 酸盐侵蚀混凝土的过程 中, 粉煤灰后期 的火 山灰反应也在 不断进行 , 不断消耗混凝土 中的 C a O H , 既降低混凝土 中孔溶液的碱度 , 又改善混凝土 的界 面过渡 区, 同时生成 的凝胶填充孔 隙改善孔结构。 由于石灰石粉的颗 粒细 , 在混凝土 中能够起 到良好的 物理填充作用, 对于孔结构 的改善有一定的效果 , 因而石灰 石粉是否能够改善混凝土 的抗硫 酸盐侵蚀性能是本研究关 注的一个 问题 。 从图 4 7中可 以看 出 , 石灰石 粉在矿物 掺 合料中的含量对于混凝土 的 K S值有一定 的影 响, 根据 因 素水平与 K S 值的关系可知, 用石灰石粉替代部分粉煤灰 在一定程度上对混 凝土 的抗 硫酸盐 侵蚀性 能是 不利 的。 这可能是 因为石 灰石粉对混凝土后期 孔结构 的改善效果 不及粉煤灰的火 山灰反应 。 对 比抗压强度与硫酸盐侵蚀 的试验结果可 以看 出, 在 4个 因素 中, 矿物掺合 料掺量对混凝 土的抗压强度和抗硫 酸盐侵蚀性能 的影 响都 是最 大的 , 但 影 响规律 却是相 反 的。 因此 , 混凝土的抗压强度高并不 一定意味着抗硫 酸盐 侵蚀性能好。 3 结 论 1 矿物掺合料掺量是影响混凝 土早期和中期抗压 上接第 3 3页 3 在混凝土内加人适量引气剂 , 会使孔径在 2 0 0 0 n n l 以上的大孔增多 , 同时在混凝土 内产生大量均匀分布的微小 气泡 , 缓解水结冰所产生的膨胀压力和渗透压力 , 提高混凝 土的抗冻融性能, 但会使混凝土的抗压强度有所降低。 4 在混凝土 内同时掺 入粉煤灰 混合 材和适 量引气 剂 , 可以明显改善混凝土 内部 的孔结构 , 大大增 加孔径在 5 0 n m 以下少害和无 害孔所 占总孔 的比例 , 显著提高混凝 土的抗冻融能力 。 参考文献 [ I ]冯乃谦 , 邢锋. 高性能混凝土技术[ M] . 北京 原子能出版社 , 2O O 0. 3 0 7 31 2. 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