摻硫酸鈉對大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的影響

謝 龍 ，姚永新（. 溫州市甌飛經濟開發投資有限公司，浙江 溫州 35000；. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 3000)

用粉煤灰等量取代水泥而制成混凝土，前期水化速度緩慢，水化產物較少，毛細孔偏多，強度很低。因此對于養護齡期較短的混凝土受凍時，混凝土易凍壞。齡期的增加使得粉煤灰中的活性物質二次水化反應持續進行，生成較多具有一定膠凝性物質，混凝土密實度和混凝土強度都會得到很大提高，養護時間很長的粉煤灰混凝土抗凍性不低于基準混凝土。

現有研究表明單摻硫酸鹽激發劑對粉煤灰混凝土激發效果有限，本文將混凝土中粉煤灰摻量提高到 60%，目的是突出硫酸鈉對粉煤灰混凝土的激發作用。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥：P·O 42.5 海螺牌水泥；粉煤灰：Ⅱ 級粉煤灰，45 μm 篩的篩余為 14.8%，需水量比為 98.6%，燒失量為5.79%，其化學成分見表1；粗集料：連續級配輝綠巖碎石，粒徑為 5～20 mm；細集料：天然細集料， 選用細度模數為 2.8 的河砂，屬于細砂；激發劑：硫酸鈉為市售，分析純；水：飲用水。

表1 粉煤灰的化學成分 %

1.2 試驗配合比

本次試驗參照 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》進行配合比設計， 粉煤灰混凝土強度等級 C 25，水灰比為 0.55，砂率為 35%。試驗中采用的各組材料配合比見表2。試驗采用單摻硫酸鈉工況進行，單摻硫酸鈉時，硫酸鈉等量取代粉煤灰用量按 0、1%、2.5% 和 5% 計算。

表2 粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件制作與試驗方法

根據 GB/T 50081— 2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和 GBJ 82— 1985《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》，用于測定相對動彈性模量的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，按照規定方法成型好所需尺寸的試件，各種配合比都需成型 2 個 100 mm×100 mm×400 mm 的試塊用于相對動彈性模量的測定。

本凍融試驗方法是按照 GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中抗凍性能試驗的“快凍法”進行的。試驗設備是由無錫市華南實驗儀器有限公司制造的 DR-2 C 型混凝土快速凍融試驗箱 。

試驗前需將采用同一配合比的 2 個100 mm×10 mm×400 mm 棱柱體試件從養護池中取出，用抹布輕輕地擦去試件表面水，用動彈儀測量其橫向基頻，取 2 個試塊的平均值作為初始值。再將試件放進方形橡膠筒內，并向筒內注水確保筒內水面高出凍融液面高度 5 mm 左右。將橡膠筒放進試驗箱中進行凍融，每次凍融循環一次歷時 3～4 h，試件中心溫度分別控制在（-17 ± 2）℃ 和（8 ± 2）℃。凍融 15 次后，將試件取出，用抹布擦去其表面水分并等其晾干后，再次用動彈儀測量其質量和橫向基頻。測量完畢后迅速將試件放進橡膠筒內注水后繼續凍融，重復上述步驟直至測出 30 次和 45 次的試驗數據。橫向基頻測試采用共振法混凝土動彈性模量測定儀，其基本原理如圖1。

圖1 共振法混凝土動彈性模量測定基本原理圖

粉煤灰混凝土試件的相對動彈性模量可按式（1）計算：

式中：p——經N次凍融循環后試件的相對動彈性模量；

fn——N次凍融循環后試件的橫向基頻/Hz；

fo——凍融循環前試件的橫向基頻初始值/Hz。

2 試驗結果及分析

硫酸鈉等量取代粉煤灰率為 0、1%、2.5%、5% 的粉煤灰混凝土經過 15 次、30 次、45 次凍融循環后的相對凍彈性模量的試驗值見表3～5。

表3 凍融循環 15 次的相對動彈測試結果

表4 凍融循環 30 次的相對動彈測試結果

表5 凍融循環 45 次的相對動彈測試結果

根據表3～5 所示數據，可以繪出凍融循環次數與粉煤灰混凝土相對動彈性模量之間的關系曲線（見圖2） 和硫酸鈉摻量與粉煤灰混凝土相對動彈性模量之間的關系曲線（見圖3）。

圖2 凍融循環次數與粉煤灰混凝土相對動彈性模量之間的關系

圖2 表明，無論硫酸鈉摻量如何變化，粉煤灰混凝土試件相對動彈性模量均隨著凍融次數的增加先增大后減小。凍融循環超過 15 次后，粉煤灰混凝土的相對彈性模量隨著凍融次數的繼續增加下降幅度較明顯。在凍融初期，同一硫酸鈉摻量粉煤灰混凝土相對動彈性模量隨凍融次數增加略有增大，這可能是由于粉煤灰混凝土孔隙中充滿結晶水使之密實緣故；隨著凍融循環的繼續，破壞了粉煤灰混凝土的內部構造，相對動彈性模量降低。

圖3 硫酸鈉摻量與粉煤灰混凝土相對動彈性模量之間的關系曲線

圖3 為粉煤灰混凝土試件凍融循環 15 次、30 次和 45次的相對動彈性模量隨硫酸鈉取代率的變化的曲線。從圖中可以看出，硫酸鈉以取代比率分別為 0、1%、2.5% 和 5%等量取代粉煤灰，粉煤灰混凝土試件凍融循環 15 次、30 次和 45 次，其相對動彈性模量隨硫酸鈉摻量的變化大體上一致，都呈逐漸增大的趨勢，且隨摻量的增大其相對動彈性模量增幅略微減小，硫酸鈉摻量為 5% 時最大。

粉煤灰混凝土的抗凍融性能跟其內部孔隙結構緊密相關。單摻硫酸鹽激發劑對粉煤灰混凝土激發效果有限，粉煤灰混凝土試件的密實度未得到明顯提高，表現為粉煤灰混凝土試件抗凍融性能增強有限，相對動彈性模量略微增大。

3 結 語

（1）單摻硫酸鈉等質量取代粉煤灰，無論硫酸鈉摻量如何變化，粉煤灰混凝土試件相對動彈性模量均隨著凍融次數的增加先增大后減小。凍融循環超過 15 次后，粉煤灰混凝土的相對彈性模量隨著凍融次數的繼續進行下降明顯。

（2）硫酸鈉以取代比率分別為 0、1%、2.5% 和 5%等量取代粉煤灰，粉煤灰混凝土試件凍融循環 15 次、30 次和 45 次，其對應的相對動彈性模量的變化趨勢大體上與硫酸鈉摻量的變化一致，相對動彈性模量在摻量為 5% 時最大。