中铁六局集团广州工程有限公司广东广州511400
摘要：通过对不同水胶比的混凝土中掺加不同掺量的粉煤灰来探析影响混凝土抗冻性能的因素，对高寒地区混凝土配合比的选择和施工起到指导作用。
关键词：高寒地区；混凝土；抗冻性能
1工程概况
花石峡至大武公路位于青海省果洛藏族自治州境内，由于地处青藏高原腹地，海拔4000左右，属于高寒地区，一年之中无绝对无霜期，年平均气温为零下4℃，最低气温可达零下40℃左右。这种极端气候对混凝土的抗冻性能有着极高的要求，本文通过对不同水胶比的混凝土中掺加不同掺量的粉煤灰来探索影响混凝土抗冻性能的因素，对于高寒地区混凝土的施工有着现实的指导意义。
2试验设计
2.1原材料
水泥：青海省祁连山水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥；
粉煤灰：青海华电大通发电有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰；
粗集料：粗集料由项目部自建碎石加工场生产，采用三级连续级配：5-10mm碎石占10%，10-20mm碎石占60%，16-31.5mm碎石占30%，掺配成5-31.5mm连续级配碎石；
细集料：细集料由项目部自建砂场加工场生产，细度模数为2.8.且满足Ⅱ区级配要求；
外加剂：采用黄河新型化工有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂（防冻型），掺量为胶材的1.1%；
水：当地的季节性河水，经过试验检测符合混凝土拌合用水的要求。
2.2配合比的设计
试验分别采用水胶比为0.48、0.43和0.38三个水胶比的配合比，采用等量取代法设计，其粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%和25%。首先进行配合比的初步设计，调整配合比的状态，使混凝土的坍落度在（140-180）mm之间，且混凝土和易性满足泵送施工工艺要求。所有混凝土均在在满足和易性的前提下成型混凝土抗冻性试件（100*100*400），具体配合比见表1。
表1混凝土配合比表
配合比
编号水胶比砂率
（%）粉煤灰掺量（%）每方混凝土种原材料的用量（Kg/m3）
水泥粉煤灰水砂碎石外加剂
1-00.48440342016483310613.76
1-10.4844103083416483310613.76
1-20.4844152915116483310613.76
1-30.4844202746816483310613.76
1-40.4844252568616483310613.76
2-00.43430381016479810574.19
2-10.4343103433816479810574.19
2-20.4343153245716479810574.19
2-30.4343203057616479810574.19
2-40.4343252869516479810574.19
3-00.38420432016475810464.75
3-10.3842103894316475810464.75
3-20.3842153676516475810464.75
3-30.3842203468616475810464.75
3-40.38422532410816475810464.75
2.3试验方法
抗冻试验采用JTGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》规范要求，对标准试件养护28天后进行快速冻融循坏试验，试块尺寸为100*100*400，每组3块。循环次数为300次，每个循环3小时，每隔50次循环测试一次试件的质量损失和相对动弹模量。
相对动弹性模量可以反映材料内部结构中的损伤状况，质量损失是自由水侵入试件和试件结构脱落的综合效应。
2.4试验结果
按照上述试验方法，分别对表1中所列各配合比拌合的混凝土进行快冻，试验数据如下（表2和表3）。
表2冻融条件下混凝土的质量损失率表
配合比编号未冻融试件质量损失率（%）50次冻融循环质量损失率（%）100次冻融循环质量损失率（%）150次冻融循环质量损失率（%）200次冻融循环质量损失率（%）250次冻融循环质量损失率（%）300次冻融循环质量损失率（%）
1-000.210.651.082.243.564.62
1-100.190.520.841.772.783.81
1-200.150.410.681.512.363.26
1-300.170.450.761.622.543.62
1-400.140.490.961.932.994.17
2-000.230.460.911.883.023.91
2-100.190.370.711.342.333.29
2-200.120.290.550.981.872.72
2-300.170.340.671.212.173.01
2-400.210.410.791.472.523.41
3-000.10.370.781.622.513.44
3-100.070.280.581.121.842.64
3-200.040.190.430.811.522.33
3-300.040.230.510.981.672.49
3-400.080.310.651.262.012.76
表3冻融条件下混凝土的相对动弹性模量
配合比编号未冻融试件相对动弹模量（%）50次冻融循环相对动弹模量（%）100次冻融循环相对动弹模量（%）150次冻融循环相对动弹模量（%）200次冻融循环相对动弹模量（%）250次冻融循环相对动弹模量（%）300次冻融循环相对动弹模量（%）
1-010092.2589.7887.2882.4577.4472.31
1-110094.3692.6590.9287.4583.9980.52
1-210096.5795.2593.7290.6287.4684.21
1-310095.6793.9692.2489.1386.0182.84
1-410093.1991.4689.6986.2883.0279.58
2-010093.5691.0588.5183.6478.6673.62
2-110095.7894.0792.3489.1986.0782.91
2-210097.8496.3694.8691.7588.6385.51
2-310097.0195.3793.6890.5487.3784.21
2-410094.4892.8491.1787.7684.5981.39
3-010095.5293.0390.4885.5480.6575.73
3-110097.8196.1394.4791.3188.1985.07
3-210099.0297.5996.1593.2690.0687.29
3-310098.4396.8895.3192.3289.1785.98
3-410096.5994.9593.2790.1987.1284.03
3结果分析
3.1质量损失
3.1.1水胶比对混凝土试件质量损失率的影响
在冻融次数相同的条件下，混凝土质量损失率随着水胶比的变化如下图1∽图5所示：
图1
图2
图3
图4
图5
根据水胶比-质量损失率曲线图1∽5可以看出，在冻融次数较少时（50次），混凝土的质量损失与水胶比没有明显的规律遵循，随着冻融循环的增加，混凝土中粉煤灰的掺量由0%至25%，混凝土试件的质量损失率随着水胶比的增大而迅速增大。这是由于混凝土本身含有微细的气孔或者间隙，混凝土试件在快速冻融循环过程中，冻结时试件表面局部区域产生拉应力，当应力足够大时会导致内部局部结构的改变，从而产生微裂纹，随着冻融次数的增加，微裂纹逐渐扩展并对混凝土产生破坏，逐渐便有部分砂浆从最薄弱处剥离。因此，一定冻融循环后，试件表面首先产生零散的脱落，随着冻融循环的不断加深整个表面均开始脱落；冻融次数达到一定程度后，试件表面的砂浆便会全部剥落，甚至可看到裸露的粗骨料，极少部分粗骨料也开始脱落，有的试件还会出现掉角现象。
图6
图7
图8
3.1.2冻融循环次数对混凝土质量损失率的影响
在水胶比相同的条件下，混凝土质量损失率随着水胶比的变化如图6∽图8所示。
由图6∽图8可以看出，在水胶比相同的情况下，混凝土中不掺粉煤灰或者粉煤灰掺量在10%至25%之间，混凝土质量损失均率随着冻融循环次数的增加而增加。以图6为例，在相同粉煤灰掺量的情况下，水胶比为0.43、粉煤灰掺量为15%的混凝土中，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件的损伤越来越大，表面剥落也越严重，导致混凝土试件的质量损失率逐渐增加，不掺加粉煤灰的混凝土、以及掺量为10%、20%和25%的混凝土也可得出相同规律，同样由图7和图8也可得出此结论。这是由于无论掺加粉煤灰与否，在混凝土中均存在一定的细小空隙，在冻融循环作用下，混凝土内部空隙中的自由水分由于结冰发生膨胀而产生应力，当这种内拉应力超过混凝土本身抗拉强度时，孔壁受到挤压破坏而产生微细裂缝，随着冻融循环次数的增加，微细裂缝不断的扩展，混凝土内部损伤逐渐增大，混凝土表面的薄弱环节便会产生剥落，混凝土试件质量开始下降。
在未掺加粉煤灰的混凝土中，由图6∽8中红色曲线可以看出，质量损失率变化大致分为三个阶段：（1）微量变化区间（0～50次），质量损失率很小，而混凝土在冻融循环初期表面的损伤程度较轻甚至没有损失，混凝土剥落极少所致的；（2）缓慢上升期（50～150次），随着冻融次数的增加，混凝土内部的孔隙及微裂缝不断在增大、扩展直至互相连通，水泥砂浆剥落量不断增大，因此质量损失率增大；（3）加速上升期（150～300次），随着冻融循环的继续增加，混凝土内的裂缝数量越来越多，内部结构破坏越来越严重，破坏结构薄弱面的增加进一步促进促进了冻融破坏的发展，混凝土表面开始出现大面积剥蚀，个别小石子掉落的现象，因此质量损失速率加快。掺入粉煤灰的试件质量损失率随冻融次数变化的规律与未掺粉煤灰的试件相比，质量损失率变化分为两个阶段：（1）微量变化期（0～150次），微量变化期主要是因为优质粉煤灰具有微集料效应，在水泥浆体中有良好的分散状态并且能够长时间以固体微粒形态存在，可起到填充其内部孔隙、减少毛细孔数量，提高混凝土整体密实度的作用，因此在混凝土冻融次数较少的情况下，对混凝土内部损伤很小，表面剥离微小所以混凝土的质量损失率轻微；（2）匀速上升期（150～300次），粉煤灰发挥其潜在的活性效应，其主要活性成分SiO2、Al2O3与水泥水化产物中的Ca（OH）2发生二次水化反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体，成为胶凝材料的一部分，起到增强作用，减少了冻胀破坏的影响，所以质量损失速率相较于未掺加粉煤灰的混凝土明显要低很多。
3.1.3粉煤灰掺量对混凝土质量损失率的影响
图9
图10
图11
从图9∽11可见，相同水胶比、冻融循环次数相同的的条件下，混凝土的质量损失率与粉煤灰的掺量存在先降后升趋势，当冻融循环次数在200次以及200次以后这种趋势更明显，说明存在一个最佳粉煤灰掺量，在此掺量下混凝土的质量损失率最小。这是因为在混凝土中掺入适量的粉煤灰时，粉煤灰产生微集料效应以及火山灰效应，改变了混凝土的微观结构，提高了混凝土的密实度，有效的减少因冻融循环产生的冻胀破坏，因此混凝土的质量损失率在一定阶段内随着混凝土中粉煤灰掺量的增大而减小，当粉煤灰掺量过大时，在胶材相同的情况下水泥用量过少而不能在低温下提供足够的活性组分，导致混凝土强度降低，从而使混凝土在冻融条件下的质量损失率显著增加。图9中当冻融循环次数为300时，可清晰的看出当粉煤灰掺量为15%时，混凝土的质量损失率最小，图9中其他冻融次数条件下均可得出相同规律，图10和图11也同样可以得出相同规律。
3.2相对动弹模量
3.2.1水胶比对混凝土相对动弹模量的影响
粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%时，在冻融次数相同的条件下，混凝土想对动弹模量随着水胶比的变化如下图（图12∽图16）所示：
图12
由图可以看出，在冻融次数一定的情况下，随着水胶比的增大，不论掺加粉煤灰与否，混凝土的相对动弹模量均减小。相对动弹模量主要反映混凝土的损伤情况，所以我们可以看出，水胶比越大，混凝土越容易受到冻融损伤。
图13
图14
图15
图16
3.2.2冻融次数对混凝土相对动弹模量的影响
粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%时，在水胶比相同的条件下，混凝土相对动弹模量随着水胶比的变化如图17∽图19所示。
图17
图18
图19
由图17、图18以及图19均可以看出，
在粉煤灰掺量为0%情况下，相对动弹模量变化主要分为两个阶段：
（1）缓慢下降期（0～150次），在此区间，曲线图的走势相对缓和，也就是说相对动弹模量下降趋势相对较为缓慢。由于混凝土本身存在细微间隙裂缝，随着冻融次数的增加，微裂纹逐渐扩展并对混凝土产生破坏。随着微裂纹的增多加宽，砂浆剥落量逐渐增大，表面开始呈现出麻面，使得混凝土密实度降低。与此同时，掺入外加剂形成的独立封闭的微小气泡逐步开裂，与其他孔隙相互连通，失去了原有的缓冲作用，更多的自由水分进入混凝土内部，进一步增加了冻融循环对混凝土的破坏作用。在该阶段，混凝土的破坏主要表现为表面的砂浆剥落，对于内部的裂缝产生较少，因此相对动弹模量下降较为缓慢；
（2）加速下降期（150～300次），曲线图的走势明显陡峭，相对动弹模量损失速率明显增加。在该阶段冻融影响愈加明显，破坏程度不断积累致使混凝土产生内部损伤，随着冻融次数的增大，混凝土内部破坏愈来愈严重，密实度急剧下降，因此相对动弹模量下降速度急剧加快。
与未掺入粉煤灰相比，掺入粉煤灰后，试件的相对动弹模量在第一阶段变化较为缓和，以相对缓慢的速率逐渐下降，第二阶段相对动弹模量下降趋势相较于未掺粉煤灰混凝土缓和得多。从图中可以看出，掺入粉煤灰以后，混凝土的相对动弹模量有所提高，这是因为掺入粉煤灰延缓了水化速率，进入中后期，粉煤灰活性逐步激发，与水泥的水化物反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而降低孔隙率，提高混凝土密实度，所以相对动弹性模量下降相对平缓。
3.2.3粉煤灰对混凝土相对动弹模量的影响
粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%时，在水胶比相同的条件下，混凝土相对动弹性模量随着水胶比的变化如图20∽图22所示。
图20
图21
图22
以水胶比0.43为例，由图21可以看出，粉煤灰掺量为10%时，混凝土的相对动弹性模量比未掺粉煤灰的混凝土的相对动弹性模量稍高，粉煤灰掺量为15%时，混凝土的相对动弹性模量达到最大值，而粉煤灰掺为20%时，其相对动弹性模量开始略微下降，粉煤灰掺量为25%时，相对动弹性模量下降趋势已经很明显了，所以可以判定粉煤灰的最佳掺量为15%。由图也可得出此规律。由此可以判定，在冻融循环过程中，当水胶比一定时，在冻融循环次数相同的条件下，混凝土试件的动弹性模量随着粉煤灰掺加量显现出先增加后减少的趋势，这种趋势在冻融循环次数较少的条件下不是很明显，当冻融循环次数达到或者超过150次时，相对动弹模量这种先增加后减少的趋势尤为明显。这是由于相对动弹模量损失主要反映了混凝土内部损伤，粉煤灰颗粒多数为尺寸仅几微米至几十微米的玻璃微珠，混凝土中掺入粉煤灰后玻璃微珠产生微集料效应，能填充空隙和毛细孔，改善混凝土微观结构，提高了混凝土的密实度，有效降低水分冻融对混凝土造成的损伤，随着粉煤灰掺量的逐步提高，这种微集料效应愈发明显，但当粉煤灰的掺量过高时，在胶材总量一定的情况下，水泥量明显降低，生成的Ca（OH）2不能提供足够的活性胶材，混凝土基体内的C-S-H凝胶体数量偏低，导致混凝土强度降低，从而抵抗水分冻融破坏的能力下降。
由图21可知，水胶比为0.43、冻融300次后，粉煤灰掺量0%、10%、15%、20%以及25%的试件相对动弹模量均值分别为73.62%、82.91%、85.51%、84.21%、81.39，其对应的动弹性模量分别损失了26.38%、17.09%、14.49%、15.79%、18.61%，相同条件下其质量损失分别为3.91%、3.29%、2.72%、3.01%、3.41%，由此可见，粉煤灰掺量对动弹性模量的影响要远大于对质量损失的影响。由图20和图22也可得出此规律。
由图20∽22可知，经过300次冻融循环后，粉煤灰掺量为10%、15%、20%、25%的混凝土，其相对动弹性模量基本都在80%以上，远远大于公路规范要求的60%，说明混凝土仍然具有很好的抗冻性能，且其相对动弹性模量下降趋势缓和，相较未掺加粉煤灰的混凝土其抗冻性能要好得多，且可减少水泥用量，减低成本。
4结论
通过以上的试验以及数据分析可以得出以下结论：
（1）在冻融条件下，混凝土的质量损失随着水胶比的增大而增大，相对动弹性模量随着水胶比的增大而减小。
（2）混凝土的质量损失随着冻融程度的加深而增大，混凝土的相对动弹性模量随着冻融程度的加深而减小。掺入粉煤灰后，混凝土的质量损失以及相对动弹性模量均有所改善。
（3）在冻融条件下，混凝土的质量损失随着粉煤灰的掺量的增加呈现出先减少后增加的规律，混凝土的相对动弹性模量随着粉煤灰掺量增加呈现出先增加后减少的趋势。本标段所采用的原材，当粉煤灰的掺量为15%时，在冻融条件下，混凝土的质量损失最少，混凝土的相对动弹模量最大，也是就是说在本组试验中粉煤灰掺量为15%时混凝土的抗冻性能最好。
在高原极端气候条件下，通过适当降低水胶比、掺加粉煤灰等措施可有效的改善混凝土的抗冻性能。同时由于冻融循环次数对混凝土的性能有着显著的影响，随着冻融循环的增加，混凝土的性能逐渐降低，这就使得在混凝土结构物在使用过程中要密切监视其性能，确保混凝土结构物的安全使用。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程〔S〕.北京：中国标准出版社.
[2]交通部公路科学研究院JTGE30-2005，《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》〔S〕.北京：人民交通出版社.