纤维粉煤灰混凝土抗冻性能试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 6 期 (总 第2 6 0 期) Nu mb e r 6i n 2 0 l 1 ( To t a l No 26 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM r NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 3 2 纤维粉煤灰混凝土抗冻性能试验研究 解 国梁 1 ,2 1申向东 z 。贾尚华 z ( 1 黑龙江八一农垦大学 ，黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 9 ；2 内蒙古农业大学 ，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 8 ) 摘要 ： 针对高寒地区渠道衬砌混凝土冻融破坏问题 ， 采用正交设计方法研究 了不 同强度等级纤维粉煤灰混凝土的抗冻性能 。 通过快速 冻融试验 ， 测试 了冻融对纤维粉煤灰混凝土 的抗压强度 、 动弹性模量 和质量 的影响 。 并就不同因素对混凝土抗冻性 能的影响进行 了分析和 评价。 最后 ， 找出了冻融环境中满足混凝土强度和耐久性的最优配合 比。 关键词 ： 高寒地 区；纤维粉煤灰混凝土 ；抗冻性 ；抗冻混凝土配合比 中图分类号： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 0 2 0 3 St u dy o f f r e e zi ng r e s i s t an c e o f f l y a sh c onc r e t e c on t a i ni ng pol y pr opy I en e f i be r s XI E Gu o l i a n g 1 ,2 S HEN Xi a n g - d o n g 2 , J IA S h a n g- h u a ( 1 He i l o n g i i a n g B a y i A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 9 ， C h i n a ； 2 I n n e r Mo n g o l i aA g r i c u l t u r a l Un i v e r s i ty I n n e r Mo n g o l i a ， Ho h h o t 0 1 0 0 1 8 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f t h e fre e z e t h a w d a m a g e o f c h a n n e l l i n i n g c o n c r e t e i n a l p i n e r e g i o n， fre e z i n g r e s i s t a n c e o f d i ffe r e n t s t r e n Ig t h g r a d e s o f fl y a s h c o n c r e t e c o n t a i n i n g p o l y p r o p y l e n e fi be r s h a v e b e e n s tud i e d b y me a n s o f t h e o rth o g o n a l d e s i g nTh e e ffe c t of fre e z e t h a w O n t h e c o mp r e s s i v e s e n g t h， ma s s l o s i n g a n d m o d u l us o f e l a s t i c i t v o f c o n c r e t e a r e t e s t e d a r o u n d c e r t a i n fre e in g t h a wi n g c v c l e s t h e f a c t o r s t h a t a ffe c t i n g fre e z i n g r e s i s t a n c e o fc o n c r e t e are a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d F i n a l l y， t he b e s t m i x p r o p o i o n wa s f o u n d o u t ， wh i c h me e t s s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e e x p o s e d t o t he fre e z e t h a w e n v i r o n me n t Ke y wor ds ： a lpi n e r e g i o n； fly a s h c o n c r e t e c o n t a i n i n g p o l y pr o p y l e n e fib e r s ； fre e z ing r e s i s t a n c e ； mi x t u r e r a t i o 0 引言 1 试验 内容和方法 混凝土冻 融破坏是北方 地区混凝土耐久性 破坏最 主要 的 病害， 北方各地的小型水工建筑物都存在不同程度的冻害。 内蒙 古 、 新疆 、 西藏以及东北 是我国冻害最严重 的地 区 ， 在混凝土耐 久陛方面， 首先应保证混凝土的抗冻性能。 河套灌区是我国三大 灌 区之一 ， 一般 混凝 土衬砌三 到五年就会产 生冻害 ， 有 的渠道 甚至当年就会产生冻害。 一旦渠道衬砌冻坏 ， 必须马上进行修 复， 不然会出现连锁反应， 冻害越来越严重。 但是混凝土渠道衬 砌修复效果不佳 ， 原因是新老混凝土黏结协调能力都较差 ， 在改 善不了新老混凝土黏结协调能力的情况下 ， 改变混凝土的根本 属性抗冻性是非常必要的。 所以本研究研究纤维粉煤灰混 凝土 的基本力学性质 ， 试 图揭示影响混凝土抗冻性 的影 响因素 的影响规律。 1 1 试验 材料 试验用 2 0 1 0年 3 月生产的普通冀东P O4 2 5级水泥， 其性 能指标见表 1 ； 粉煤灰为呼和浩特金桥 电厂 I 级粉煤灰 ， 4 5 Ix m 的颗粒 占 9 7 2 6 。 试 验所用聚丙烯纤维产地 为北 京 ， 弹性模 量 3 7 4 1 MP a ， 抗拉强度 2 8 2 MP a ， 极 限延伸率 3 2 ， 长度 1 9 to n i 。 选用 S K D W 型 引气 剂 ， 属 于 苯磺酸 钠 ， 含气 量 4 2 0 ， 符合 G B 8 0 7 6 -1 9 9 7 ( 混凝土外加剂 一等品要求。 砂选用产 自呼和 浩特市八拜的优质河砂 ， 细读模数为 2 5 6 ， 属于普通 中砂 ， 表观 密度 2 6 4 5 k g m3 , 含泥量 0 5 7 。 粗骨料选用呼和浩特产 的普通花 岗岩碎石 ， 碎石 的连续级配 5 3 1 5 mm， D X3 1 5 mm， 表观密 度 2 6 1 3 k g m ， 压碎指标 9 3 ， 针 片状含量 4 2 。 砂石 颗粒级 配表见表 2 ， 符合连续级配要求。 表 1冀东 P O 4 2 5级水泥性能指标 1 2混凝 土配合 比设 计 根据寒区渠道衬砌混凝土一般使用的强度等级， 选择了C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0三种等级的混凝土进行设计。 混凝土抗冻影响因素较 多， 采用了正交试验设计方法。 在混凝土配合 比设计中采用四因 素三水平正交试验， 考虑的四种影响因素分别为： 水灰t L w c； 粉煤灰取代水泥量， ； 纤维掺量， k g ； 引气剂量， 。 根据 文献 2 】 所介绍的设计方法， 得到正交设计中各因素的水平参数 如表 3所示， 计算后得出混凝土的配合比， 列于表 4 。 收稿 日期：2 0 1 0 1 2 - 2 6 基金项 目：内蒙古 自治区 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 9 MS 0 7 0 5 ) ； 内蒙古 自治 区高等学校科学研究项 目( N J 0 9 0 4 6 ) 1 0 2 表 2砂石筛分结果图 砂筛分试验结果 粗骨料筛分试验结果 筛孔直径 mm 累计筛余百分率 P o筛孔直径 mm 累计筛余百分率 一 因素 1 一一 水胶 比 粉煤 灰 纤维 ( k g m ) 引气剂 ( k g m ) 1 3 混凝 土各 项指标及 测试 为研究混凝土的冻害机理及探明混凝土冻害规律 ， 本研究 对纤维 粉煤灰混凝 土进行 冻融循环 试验 。 本试 验 的试 件尺寸 1 0 0 m m 1 0 0 mm 1 0 0 m m 的立方体试件 ， 在标准养护箱内进行 标养 2 8 d 。混凝土的冻融循环试验按 照 GB J 8 2 8 5 普通混凝 土长期性能和耐久性能试验 中的“ 快冻法 ” 进行 ， 试验之前混 凝土试件需浸泡 4 d ， 直至 内部达到饱水状态 后开始进行冻融 循环。 每次冻融设计在4 h内完成 融化时间控制在整个冻融时 间的 】 3内， 试件冻结 和融化完成时 ， 试件 中心温度分别控制在 ( 一 1 7 -+ 2 ) 和 ( 8 2 ) ， 冻融次数结束后 ， 取 出试件称重 ， 利用 动弹模量测定仪对试件进行动弹模量的测定， 并作抗压强度测 定， 计算质量、 强度损失率。 2 试验结果及分析 试验时拌和 的混凝 土部满足坍落度要求 ， 保水性 、 流动性 和黏结力较好， 满足混凝土和易性要求。 本研究进行的冻融试验 共有 3个测试指标 ： 立方体抗 压强度损失 、 动弹性模量和试件 质量损失。 2 1 试验 结果 纤维粉煤灰混凝土立方体抗压强度损失 、 相对动弹性模 量 及质量损失试验结 果 ， 见表 5 8及图 1 、 2 。 根据 文献 1 】 ， 出 现下列任何一种情况 ， 则停止冻融循环试验 ： 相对动弹模 损 失达到 6 0 ； 质量损 失达到 5 。 表中给 出的是 混凝 土的 相对动弹性模量及质量损失百分比， 而没有直接计算出其损 失率 、 表 5纤维粉煤灰混凝土动弹性模量试验结果 试验编 号 C 5 0 I C 5 0 I I C 5 0 I I I C4 0 1 C 4 0 I I C 4 0 I I I C 3 0 I C 3 0 I I C 3 0 I I I 弹性模量 3 4 5 7 3 3 5 2 3 2 9 4 3 2 1 3 3 2 O 2 3 2 6 O 3 O 2 8 3 1 7 8 3 1 4 4 试验 编号 冻前 强度 冻后强度 强度损失率 2 2 纤维粉煤灰混凝土抗冻性及其影响因素分析 试验结果表明 ， 纤维粉煤灰混凝土立方体抗压强度损失 、 相 对动弹性模量损失和质量损 失都 随冻融次数的增加而增大 ， 且 混凝土强度越高， 其抗压强度、 动弹性模量和质量损失随冻融 次数的增加降幅越小； 纤维 、 粉煤灰及引气剂的掺人明显提高 了混凝土抵抗冻融循环的能力 ； 从 图 1 、 2可知 ， 对于 C 3 0混凝 土 ， 当超 过 1 o 0 次冻融循环时 ， 其损失程度明显高于 C 4 0和C 5 0 混凝 土。 根据文献 2 1 的方法对表中的冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混 凝土强度损失 、 质量损失以及动弹性模量损 失进行了极差分析。 计算结果见表 9 。 极差分析结果表明， 对冻融2 0 0次的纤维粉煤 灰混凝土来说 ， 影 响其抗 冻性 的因素排序 一致 ， 而且具有相 似 的规律。 影响最强的是水胶比， 其次是引气剂掺量， 影响最弱的 是纤维掺量。 1 03 冻融次数 ， 次 ( a ) 一爨175 -&-C301I 一 。 。+ m c 幽 、 冻 融次数 ， 次 ( b ) 图 1 纤维粉煤灰混凝土冻融试件相对动弹性模量损失 冻融次数 坎 ( a ) 冻融次数 ， 次 ( b ) 图 2 纤维粉煤灰混凝土冻融试件质量损失 冻融次 数 ， 次 f c ) 表 9 纤维粉煤灰混凝土质量损失、 强度损 失以及弹性模量损其极差分析表 冻 融次 数 ， 次 ( c ) l 04 下转第 1 1 6页 、 水骚 教 需莨 rL rL ，rrL 0 舳 加 ：合 、 删 篱 臀莨罂 0 5 O 5 0 5 O 5 3 2 2 l 0 O 9 6 水鞲咖 一 5 O 5 0 5 0 5 0 5 3 3 2 2 1 1 O O 、 辎捌蜂 一 表 7 不同缓凝剂掺量对干混砂浆性能的影响 性能， 但会对砂浆强度造成一定损失。 因此， 在稠度和保水性达 到要求的情况下， 应该尽量减少增稠保水剂的掺量。 ( 2 ) 膨胀剂的加入大幅度的提高了砂浆的抗渗能力。 但由 于掺量相对较大 ， 对砂浆 的强度有不利影响。 ( 3 ) 自制的有机复配缓凝剂在用量很小的情况下就可以大 幅度延长砂浆的凝结时间， 给施工带来方便。 参考文献 ： 【 1 杨东杰， 邱学青， 庞煜霞 木质素磺酸盐外加剂对水泥砂浆性能的影 响I J I 华南理工大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 2 6 3 1 f 2 1 YAHI A A， TANI MURA M， S HI MOYAMA Y Rh e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h l y flo wa b l e mo r t a r c o n t a i n i n g l i me s t o n e fil l e r e fl e c t o f p o wd e r c o n t e n t a n d W C r a t i o J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 5， 3 5 ( 3 ) ： 5 3 2 5 3 9 上接第 1 0 4页 ( 1 ) 水 胶比越小 ， 混凝 土密实度越大 ， 混凝土 内部 的孔 隙越 小， 结构越细微， 这样不利于混凝土内部水分流动和冻结 ， 抗冻 性越好 ； 水胶 比越大， 冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土相对动 弹性模量降低就越严重， 高水胶的混凝土含有较多的多余水分， 使得混凝土内部孔隙增多， 且能够增大混凝土孔隙直径。 在寒冷 的季节里混凝土内部一旦含有水分， 极易结成冰， 发生微膨胀， 产生的膨胀应力致使混凝土微观结构破 坏 ， 从而使得混凝 土发 生冻害。 混凝土属于一种脆性材料， 在发生损伤后不具备 自身恢 复能力 ， 所以混凝土的冻害是永久性 的， 一旦冻伤 ， 在低温 条件 下， 必然发生加速冻坏的现象。 ( 2 ) 弓 l 气剂含量越高， 冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土相对 动弹性模量和质量损失降低越小。 在混凝土中参加引气剂能够有 效抑制混凝土的冻害， 这是因为引气剂在混凝土内部产生的气泡 直径者 艮 细小， 且自成封闭状态。 由于引气剂产生的气泡使得混凝 土内部能够有效阻隔水分的运移， 所以混凝土抗冻性增强。 ( 3 ) 纤维对冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土抗冻性 的影响 并不明显。 按照常理 ， 混凝土加入纤维能够降低混凝土的质量损 失， 因为纤维有较好的延伸率和抗拉性能， 能够拉结混凝土的 各个组成部 分 ， 但是试 验结果显示 ， 纤维对 混凝土抗冻性 的影 响远在其三种因素之后。 纤维掺量对冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰 混凝土相对动弹性模量影响微弱， 它的级差值仅为 1 7 7 ， 故纤 维掺量对 冻融 2 0 0次的纤维粉煤 灰混凝土相对 动弹性模 量影 响可 以忽略 。 这可能是 因为在混凝土冻胀时 ， 混凝土处于水 中 ， 有表及里冻结， 首先在混凝土表面产生裂缝， 冻结峰面在裂缝 中得到充足的水分补充， 使得裂缝张裂东张力超过了纤维的承 受能力， 使得纤维拉断， 纤维失去了作用所致。 ( 4 ) 粉煤灰掺量是影响冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土强 度损失率因素， 其极差值为 3 4 O ， 不能忽略 ； 其中， 粉煤灰取代 水泥量为 1 5 时为最佳 ， 过多时强度有所降低 ， 但粉煤灰掺量 的增加能够降低冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土动弹性模量 和质量损失 。 这可能是 因为粉煤灰一方面改变混凝土 内部水泥 石的微结构， 使得水泥石中孔隙变小， 密实度增加 ， 增强了混凝 土抗渗 、 抗冻的效果 ， 但为过多的粉煤灰同时又降低了水泥石 1 1 6 3 】 许琳， 金祥雨 人工砂代替天然砂在混凝土中的应用研究【 J I_ 辽宁建 材 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 3 6 3 7 【 4 】C UL T R ON E G， S E B AS T I A N E， HU E RT A S MF o r c e d a n d n a t u r a l c a r - b o n a t i o n o f l i me - b a s e d mo r t a r s wi t h a n d wi t h o u t a dd i t i v e s ： mi n e r a l o g i - c a a n d t e x t u r a l c h a n g e s f J 1 C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 5， 3 5 ( 1 2 )： 2 2 7 8 2 2 8 9 5 李艳玲， 张义顺， 焦中良， 等 干拌黏结砂浆复合外加剂的试验研究们 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 5 7 5 9 6 严吴南， 计丽珠 建筑材料性能学 M 重庆 ： 重庆大学出版社， 1 9 9 6 ： 3 4 0 3 41 作者简介 ： 联 系地 址 联系电话 ： 张新 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 助教 。 山东省滨州市黄河五路 3 9 l 号 滨州学院化学与化工系 ( 2 5 6 6 0 3 ) l 5l 6 6 0 9 3 3 6 8 中胶凝材料 的黏结力而导致的。 3结束 语 ( 1 ) 影响冻融 2 0 0次的纤维粉煤灰混凝土相对动弹性模量 损失 、 质量损 失和强度损 失率的 主要 因素是水胶 比 、 引气 剂和 粉煤灰掺量。 由极差分析知， 综合考虑强度和抗冻性的混凝土最 优配合 比为 A1 B 3 C 3 D3 。 ( 2 ) 从极差分析表中可以得出纤维掺量对冻融 2 0 0次的纤维 粉煤灰混凝土相对动弹性模量损 、 质量损失和强度损失率影响极 小。 纤维的纠结作用， 使得混凝土各个组成部分聚合到一起， 不易 散落， 但是试件冻融中的结冰过程使得纤维抵抗不住冰冻膨胀位 移， 而发生断裂， 所以纤维对混凝土2 0 0次冻融抗冻性影响不大。 ( 3 ) 粉煤灰掺量对纤维粉煤灰混凝土相对动弹性模量损失、 质量损失和强度损失率影响较大 ， 而且影响极差大小都相差不 多 ， 这是因为粉煤灰自身的特殊性质改变了混凝土中水泥石的 结构， 而这种改变是相对稳定的， 所以对抗冻性的三项指标影 响都相差不远， 影响作用相对稳定。 ( 4 ) 水胶 比和引气剂直接影响了混凝土孑 L 隙。 水胶 比大则孑 L 隙大而多， 引气剂则能改善混凝土中孑 L 隙的结构， 是孔隙闭合且 孔径减小 。 混凝土冻坏的外 因是低温和水 ， 内因是混凝土中孑 L 隙。 混凝 土孔径 一般处 于一个特定 的范 围 ， 而这时混凝土会表现 出 严重的冻害， 当混凝土孔径减小， 其冻害就会降低。 所以水胶比 和引气剂是混凝 土抗 冻性 的主要影 响因素。 故高寒地 区水工混 凝 土水胶 比越低越好 。 参考文献 ： 1 】 s D 1 0 5 8 2 ， 水工混凝土试验规程【 s 】 E 京： 水利电力出版社， 1 9 8 3 2 郁飞 试验设计与数据处理【 M】 北京： 中国标准出版社， 1 9 9 9 作者简介 ： 解 国梁 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 讲师 ， 硕士研究生 ， 主要从 事土木工程 专业教学与研究。 联 系地址 ： 大庆市 萨尔图 区开发 区 黑龙 江八一农 垦大学 工程学 院 ( 1 6 3 3 1 9 ) 联系电话 ： 1 3 6 3 4 6 6 4 5 5 3