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引气粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究
 提问日期: 2003-06-25 20:00
引气粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究* 成秀珍,张德思 [摘要] 通过试验研究,探讨了强度等级、引气量水平、水灰比等因素对普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的影响.研究指出,混凝土的引气量和强度是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定因素.满足抗冻性要求的引气量取决于相应的混凝土强度等级.美国标准ACI 318―83中对抗冻混凝土最小引气量、最大水灰比的限制,以及鲍尔氏(Powers)推荐的气泡间距指数(0.25 mm)都过于保守.给出了相应参数的推荐数值. [关键词] 混凝土;抗冻性;粉煤灰;引气量;强度;气泡间距指数 [中图分类号] TU528.2 [文献标识码] A [文章编号] 1001-7569(1999)04-0006-05 Research on the freeze/thaw durability of PFA concrete CHENG Xiu-zhen, ZHANG De-si (Department of Civil Engineering and Architecture,Northwest Polytechnical University, Xi′an 710072,China)   Abstract:Experimental studies on the freeze/thaw durability of OPC and PFA concrete are described.The effects of strength, air content levels,water/cement ratio, and PFA quality on the freeze/thaw durability of concrete were investigated.   The results indicated that air content and strength of the concrete had significant effects on the freeze/thaw durability of concrete with and without PFA.Required air content limits for frost resistant concrete depend on the grade of the concrete specified.The minimum air content and maximum water/cement ratio required by ACI 318-83 for freeze/thaw resistant concrete and Power’s recommended upper limit of 0.25 mm for the spacing factor may be too restrictive.New recommeded limits for the spacing are given.   PFA quality does not have a significant effect on the freeze/thaw durability of concrete, if the required air content and specified strength are achieved.   Key Words:concrete;freeze/thaw durability;PFA;air entrainment ;strength;spacing facotr   国内外有关资料[1,2] 表明:粉煤灰混混土的抗冻能力随粉煤粉掺量的增加而降低.和相同强度等级的普遍混凝土相比较,28 d龄期的粉煤灰混凝土试件抗冻性试验结果偏低.随着粉煤灰混凝土技术的深入研究和发展,粉煤灰引气混凝土的抗冻性研究已越来越多的引起人们的关注.   本文试图通过对粉煤灰引气混凝土抗冻融耐久性的试验研究,探讨混凝土的含气量、强度和水灰比以及粉煤灰产源等因素对粉煤灰引气混凝土抗冻性的影响. 1 试验研究 1.1 原材料及混凝土配合比设计   试验采用425号普通硅酸盐水泥,优质商品粉煤灰(I级),专用引气剂.天然河卵石骨料,最大粒径20 mm;天然河砂,细度模数2.50.   试验首先配制了强度等级为C15,C20,C30,C40,C50的普通水泥基准混凝土和粉煤灰基准混凝土,粉煤灰掺量固定为30%.对每一个强度等级的普通混凝土和粉煤灰混凝土,分别成型了引气量为1.0%,2.5%,3.5%,4.5%和5.5%的引气混凝土.实测新拌混凝土的引气量变化范围不超出±0.5%.为了确保不同引气量的混凝土具有相同的强度等级,在配合比设计中,随引气量的递增,水灰比、水胶化以及单位用水量均相应降低.新拌混凝土坍落度控制在30~60 mm. 1.2 试验方法   新拌混凝土引气量的测定采用水压式含气量测定仪测定.抗压强度采用100 mm立方体试件,28 d标准养护后测定并换算为标准试件强度.   抗冻试验采用75 mm×75 mm×300 mm棱柱体试件.冻融耐久性试验按文献[3]程序A方法,在全自动抗冻试验仪中进行,以耐久性系数fD作为评价其抗冻性的指标.耐久性系数依下式计算: fD=PN/M 式中:P为在N次冻融循环时的相对动弹模量(即与初始动弹模量之比);N为P达到60%时的冻融循环数,如P达不到60%,则取最终冻融循环数(300);M为最终冻融循环数(300).   所有成型的试件均按照ASTM C457―89的规定采用显微镜观测计数法测定了硬化混凝土中的实际含气量和气泡间距参数. 2 试验结果及讨论 2.1 引气量和抗压强度的影响   引气量对不同强度等级的普通混凝土和粉煤灰混凝土耐久性系数的影响如图1所示.   由图1可以看出:对于同一强度等级的混凝土,其耐久性系数随新拌混凝土引气量的增大而增大,然而引气量一旦高于某一水平,耐久性系数就不再增大.对于同一引气量水平,耐久性系数随混凝土强度的提高而增大.对于同等的耐久性系数,混凝土强度等级越高,其所要求的引气量水平越低.同样,混凝土中的引气量一旦达到某一水平,则强度等级的提高就并不那么重要.对普通混凝土和粉煤灰混凝土均是如此. (a)普通混凝土        (b)粉煤灰混凝土 图1 混凝土的引气量对耐久性系数的影响   英国学者内维尔[6](Neville)指出:抗冻性较好的混凝土其耐久性系数应大于60.假如把耐久性系数等于90作为抗冻混凝土的标准,根据图1的试验成果,可以得出对于不同强度等级的抗冻混凝土所要求的引气量(表1).这时需要说明的是,新拌混凝土必须是一个稳定的引气混凝土,即在混凝土成型后1 h内,含气量几乎没有损失. 表1 满足混凝土抗冻性要求的最小引气量(耐久性系数=90)   % 混凝土类别 混凝土强度/MPa 15 20 30 40 50 普通混凝土 3.5 3.5 3.5 2.5 2.5 粉煤灰混凝土 4.5 3.5 3.5 2.5 2.5   文献[7]中指出,对于最大粒径为20 mm,在严重暴露条件下的抗冻混凝土,其最小引气量要求为6%.这对于强度等级较低的混凝土,考虑到引气量的损失,当然是正确的,然而对于强度等级较高的混凝土,根据本文的研究成果,显然过于保守,且没有必要. 2.2 水灰比的影响   众所周知,硬化水泥石的孔结构取决于混凝土的水灰比和水泥的水化程度.一般情况下,水灰比越小,水泥石中孔的体积较小,孔中存留的可结冰的水较少,则混凝土的抗冻性能较好.这一趋势在引气量较低的混凝土中确实如此.然而,根据本文的试验结果,对于水灰比为0.79,引气量在3.5%以上的普通混凝土;对于水灰比为0.83,引气量在4.5%以上的粉煤灰混凝土,经过300次冻融循环后,其耐久性系数均在90以上.这说明,就抗冻性而言,如果混凝土中有足够的引气量,则水灰比不成为决定性的因素.   文献[7]中规定了0.45和0.50的最大水灰比,以满足不同暴露条件下抗冻混凝土的需要.这对于非引气混凝土是完全必要的,然而根据本文的研究结果,水灰比高达0.80,引气量为5.5%的普通混凝土和粉煤灰混凝土,其抗冻性仍然十分满意. 2.3 气泡参数和抗冻融耐久性   影响混凝土抗冻性的关键因素不是总的引气量,而是引入的气泡在水泥石中均匀分布的程度.对于给定的引气量,则取决于气泡的间距大小和数量.实测不同强度等级的混凝土中气泡间距指数对普通混凝土和粉煤灰混凝土耐久性系数的影响如图2所示. (a)普通混凝土         (b)粉煤灰混凝土 图2 混凝土气泡间距指数对耐久性系数的影响   可以看出,对于同一强度等级的混凝土,其耐久性系数随气泡的间距指数的增大而显著降低.美国混凝土学会[4]认为:有抗冻要求的水泥混凝土,根据鲍氏(Powers)[1]的建议,其气泡间距指数不应超出0.25 mm,这就是所谓的气泡间距准则.然而根据作者的试验结果,对于耐久性系数为90的普通混凝土和粉煤灰混凝土,对于不同的强度等级,其气泡间距指数可在0.35~0.55 mm(普通混凝土);0.33~0.55 mm(粉煤灰混凝土)之间变化.建议的临界气泡间距指数如表2所示.本文的试验成果也进一步证实和支持了古石(Ghosh)[8]和马尔霍查(Malhotra)[8]对鲍尔氏(Powers)[1]临界气泡间距指数的质疑. 表2 建议的抗冻混凝土临界气泡间距指数(耐久性系数=90)   mm 混凝土类别 混凝土强度/MPa 15 20 30 40 50 普通混凝土 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 粉煤灰混凝土 0.33 0.40 0.45 0.50 0.55 3 结 论   (1)混凝土的引气量和强度是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定性因素.满足抗冻性要求的引气量取决于相应的混凝土强度等级.混凝土强度越高,满足抗冻性所必需的引气量越低.对于普通混凝土和粉煤灰混凝土,其满足抗冻性要求的最小引气量见表1.   (2)对于引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土和普通混凝土,其水灰比对于抗冻性有着显著的影响,水灰比越小,抗冻性越好.可是,如果混凝土中已具有足够的引气量,则其水灰比对于混凝土抗冻性的影响不大.文献[7]中规定的最小水灰比甚至可放宽到0.80.   (3)气泡间距指数对于普通混凝土和粉煤混凝土的抗冻性都有着决定性的影响.根据本文的研究成果,对于强度等级C20以上的混凝土,鲍尔氏(Powers)推荐的0.25 mm上限似乎过于保守.本文给出了新的气泡间距指数的推荐值. [基金项目] 国家自然科学基金资助(59879024) [作者简介] 成秀珍(1946―),女,河南沁阳人,西北工业大学副教授,主要从事建材科学研究. 作者单位:西北工业大学土木建筑工程系,陕西西安,710072
 提问者:刘小俊  

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