复掺掺合料进水塔混凝土抗冻融性机理研究

郑晓东，陈子寒，郭书亮

(1.河北工程大学，河北 邯郸 056000； 2.重庆工贸职业技术学院，重庆 408000)

1 概 述

闪电河水库位于河北省北端的张家口市沽源县境内,最大坝高 12 m, 坝顶长度2 836 m。水库地处高寒地带(海拔高程1 440 m) ,年平均气温为1℃～2℃ , 最冷的时候气温为-37℃。水库进水塔由混凝土组成，温差造成混凝土的冻融循环作用，对进水塔混凝土的耐久性破坏是不可逆的，甚至会严重影响混凝土的使用寿命。

随着混凝土应用领域越来越多，导致混凝土的原材料过度消耗，对环境造成不可逆的影响。而粉煤灰和尾矿砂这两种工业废渣，排放量大，处理方式单一，也对环境造成严重影响。因此，粉煤灰和尾矿砂可以作为水泥和细骨料的替代品掺入混凝土中，既能改善混凝土性能又能对环境进行保护。

Vishal Singhal[1]用粉煤灰替代水泥后发现，混凝土的性能得到提升。Charith Herath[2]和Jinfeng Sun[3]均在论文中提到掺加粉煤灰后，混凝土前期强度低，后期混凝土强度会有所提升，高于普通混凝土。水胶比也会影响粉煤灰对混凝土强度影响，水胶比越高，强度越低[4]。赵丙芳[5]对粉煤灰和硅粉对寒区水工结构混凝土抗冻性能的影响进行了分析，确定了抗冻性能良好的混凝土的粉煤灰和硅粉的最优掺量。李勇[6]研究了不同水胶比和粉煤灰掺量混凝土的耐久性能，发现粉煤灰掺入比控制在0.15、水胶比控制在0.3时，混凝土抗冻融环境性能最强。王晨霞等[7]研究了粉煤灰对再生混凝土抗冻性能研究，结果表明粉煤灰掺量15%时，再生混凝土抗冻性能最好，当冻融次数达到100次以后，粉煤灰对再生混凝土促进作用开始减弱。

王雪等[8]和张肖燕[9]均对尾矿砂混凝土进行了抗冻融试验发现，冻融后的强度会随着尾矿砂的增加而得到相应的改善。李萌等[10]对不同尾矿砂替代率的再生骨料混凝土进行立方体抗压和轴心抗压试验，试验证明不同尾矿砂取代率的混凝土强度均超过普通混凝土的强度。李天[11]对尾矿砂混凝土进行了抗拉强度试验，试验表明相同配合比的情况下，尾矿砂混凝土强度高于普通混凝土。姚雷等[12]发现C30、C40的混凝土强度随着尾矿砂替代率增加而增加，C50的混凝土掺入尾矿砂后强度降低。

综上所述，单掺粉煤灰或尾矿砂对混凝土抗压强度和耐久性都有一定的影响，但是现有学者对两种掺料复掺混凝土的研究较少。所以，将两种材料复掺起来，既可以更高效地利用两种材料，也可以改善混凝土抗冻性。所以，对复掺掺合料混凝土抗冻性机理研究是非常有必要的。本文将以进水塔混凝土为背景，进一步研究粉煤灰和尾矿砂作为掺合料对进水塔混凝土抗冻融性能的影响，对混凝土在今后工程中的应用具有一定的指导意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验原材料

水泥：由河北太行水泥公司生产的 P.O 42.5水泥。粉煤灰：邯郸某热电厂Ⅱ级粉煤灰。尾矿砂：邯郸某尾矿的尾矿砂。粗骨料：选取机制碎石作为粗骨料，20～25 mm 连续级配。细骨料：中粗砂。水。

2.2 配合比

配合比严格按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)进行计算，得到的配合比为水泥∶细骨料∶粗骨料∶水=438∶617∶1152∶193，W/B=0.44。然后根据不同的比例，粉煤灰替代水泥，尾矿砂替代细骨料，得到进水塔混凝土配合比。见表1。

表1 进水塔混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio of inlet tower

2.3 试验方法

2.3.1 抗压强度试验

本次试验试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，尺寸的换算系数0.95。

抗压强度试验采用变形控制，加载速率为0.2 mm/min。

混凝土试件抗压强度测试，即测试加载过程中试样所受最大应力值，计算公式如下：

式中：σc为单轴抗压强度，MPa；P为破坏荷载最大值，N；A为轴向承压面积，mm2。

2.3.2 冻融循环实验

冻融循环试验应用方法是快速冻融法，试验以《普通混凝土长期性能和耐久性试验标准》(GBT-T 50082-2009)为标准试验。试件在(-18±2)℃和(5±2)℃内进行冻融循环试验。试件内外温差不宜超过28℃。共冻融次数为100次。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。每隔25次测量混凝土质量变化和动弹性模量变化。

3 质量结果与分析

3.1 抗压强度分析

3.1.1 粉煤灰混凝土抗压强度试验分析。

将一定量的水泥被粉煤灰替代后，抗压强度结果见表2。

表2 粉煤灰组抗压强度试验结果Tab.2 Test result of compressive strength of fly ash group

由表2可知，7 d抗压强度变化：F1>F2>F3>F4。F1组强度为36.25M Pa，F2组强度为24.57 MPa，F3组和F4组的强度为29.34和24.57 MPa。混凝土28 d强度随着粉煤灰取代率增长而提高，F3组混凝土是4组中最大的抗压强度值，强度值为48.65 MPa。

出现以上情况是因为在水化反应早期粉煤灰不参与反应，粉煤灰替代水泥后，水泥数量减小，水化反应在早期不明显，混凝土内部结构不够紧密，导致前期强度低。到了后期，因为粉煤灰自身活性与水泥中的Ca(OH)2反应，生成C-S-H凝胶，生成更致密的结构，使混凝土后期强度得到增高[12]。28 d的强度先增长后降低，说明混凝土强度增加会随着粉煤灰掺量增加达到一个极限值，在达到极限值以后混凝土强度会随着掺量增加而降低。本试验中F3组强度，就是强度的极限值。

3.1.2 尾矿砂混凝土抗压强度分析

为了更好地分析尾矿砂对不同龄期混凝土强度的性能，用不同比例的尾矿砂来替代细骨料进行抗压试验，试验结果见表3。

表3 尾矿砂组抗压强度试验结果Tab.3 Compressive strength test results of tailings sand group

由表3可知，龄期为7 d时，T1组强度为36.25 MPa，T2组的强度最高为42.86 MPa，T3和T4组的强度稍有下降，但仍高于T1组强度，强度分别为38.73和38.32 MPa。当龄期28 d时，掺有尾矿砂的混凝土强度均高于普通混凝土的强度，T3组强度最高，强度为49.61 MPa。尾矿砂形状多为棱角状，相对于普通砂来讲，可以使砂浆部分更加坚固，所以7 d和28 d的养护龄期的尾矿砂混凝土高于普通混凝土。

3.1.3 复掺进水塔混凝土抗压强度测试

根据表1的配合比制成的混凝土试件，来进行抗压强度试验，结果见表4。

表4 复掺进水塔混凝土抗压强度测试结果Tab.4 Test results of compressive strength of mixed water tower concrete

由表4可知，7 d强度和28 d强度最大的均是FT2组，强度分别为40.77和51.26 MPa，后期强度变化与早期强度变化相同。结合表2和表3得到的结论可以分析出，尾矿砂比天然砂更加坚固，可以提高混凝土试块的强度；粉煤灰早期不参加水化反应，早期强度偏低，掺加25%尾矿砂强度最高，所以可断定龄期7 d时，FT2组混凝土试件强度最高。龄期28 d时，粉煤灰参加反应，生成C-S-H凝胶，保证混凝土强度得到提升。与7 d一样，28 d时强度最大的是FT2组。

将表4和表2的数据对比发现，FT2组试件的7 d强度和28 d强度比F2组的试件分别高出18.48%和12.26%；FT3组试件和F3组试件相比，7 d强度复掺混凝土相对于单掺混凝土强度降低9.16%，当龄期到28 d时，强度增加0.53%；FT4组试件7 d强度相对与F4组试件7 d强度增强7.16%，28 d时FT4组试件强度低于F4组试件强度，强度下降5.82%。

FT2组7 d强度和28 d强度增加是因为尾矿砂多棱角形状使得混凝土变得更加坚固，使FT2组混凝土强度增加；FT3组和FT4组的强度降低是因为尾矿砂吸水性强，导致水化反应不充分，最终导致混凝土的强度降低。

将表4和表3试验数据进行对比，FT2组试件和T2组强度进行对比，7 d强度时FT2组试件强度相比于T2组的强度下降4.87%，28 d强度增加6.06%；FT3组试件相对于T3组试件来说，7 d和28 d的强度均降低了，7 d强度下降的幅度比较大，下降31.19%，28 d下降幅度较小，下降1.41%；FT4组相较于T4组，7 d和28 d强度均下降，分别下降31.29%和26.78%。

通过对比可发现，复掺混凝土的7 d强度下降幅度大，主要因为粉煤灰前期不参加水化反应，导致混凝土强度下降幅度大，后期适当掺加粉煤灰会生成胶凝面增加混凝土的强度，如FT2组28 d的强度是增加的，但当掺量较大时，水泥量减小，影响水化反应，导致其强度降低。

通过上面两组对比可以看出，FT2组复掺混凝土的抗压强度最高，且强度高于同等级单掺的混凝土，当粉煤灰混凝土掺加尾矿砂混凝土中，强度变化小于尾矿砂混凝土掺加粉煤灰，复掺混凝土中FT2组的混凝土强度是最好的。

3.2 冻融循环试验分析

3.2.1 冻融试件情况分析

由冻融试验可知，不同配比的混凝土试件外形表现几乎相同。未进行冻融的试件表面光滑，试样结构紧密，未发现损伤。25次冻融循环后，试件表面逐渐变得不光滑，有空隙出现，表面有砂浆脱落，结构完整无明显变化。试件冻融循环50次以后，表面出现颗粒状砂浆，出现大孔径的空隙，试件表面粗糙程度明显增加，有粗骨料裸露出来。试件在冻融循环75次之后，表面脱落的比较严重，砂浆部分几乎全部脱落，可以明显看到粗骨料裸露出来，部分试件结构开始遭到破坏。循环次数达到100次以后，表面砂浆全部脱落，粗骨料裸露在外，部分试件出现粗骨料脱落现象，还有一部分的试件发生断裂，结构损坏严重。

冻融循环对混凝土造成破坏的主要原因是混凝土内部孔隙中的水在气温0℃的情况下，受冻结冰，在内部会产生应力造成混凝土结构损伤。每次循环使混凝土内部结构损伤不断积累，裂缝扩展延伸直到连接成一条条的通缝，破坏也从混凝土的表面向深层发展，导致材料的内部结构破坏[13]。见图1。

图1 冻融0～100次混凝土试件Fig.1 Freeze-thaw concrete specimens for 0～100 times

3.2.2 质量损失分析

见表5和图2。

表5 混凝土冻融循环质量变化表

图2 冻融循环后质量变化对比图Fig.2 Comparison of quality changes after freeze-thaw cycles

由表5和图2可知，在循环次数达到25次时，FT1组和FT3组的质量分别减小0.11%和0.43%，FT2组和FT4组的质量分别增长0.03%和0.31%；当循环次数达到50次时，除了FT2组以外，质量损失全部增加，二组质量增加0.15%，FT1组、FT3组和FT4组质量损失分别为0.21%、0.48%和0.56%；冻融循环75次之后，FT1组的质量损失0.42%，FT2组的质量损失0.13%，FT3组和FT4组的损失最大，分别是0.81%和0.93%；冻融循环次数为100次时，FT1-FT4组质量分别减小0.58%、0.17%、1.18%和1.18%。

在冻融循环的前、中期，FT2组和FT4组的质量损失率都有增加，主要是因为前期的裂缝逐渐扩大，试件的含水率提高，导致质量增长[14]。到了后期，试件受冻融作用影响，表面的砂浆和粗骨料开始脱落，这是导致质量损失的最主要的原因之一。通过图3可以看出，FT2组的质量损失是最稳定的，因为粉煤灰可以通过加强混凝土的强度，提高混凝土的密实度，来降低冻融作用所带来的影响。但是当过量掺加后会影响水化反应，导致强度降低；尾矿砂可以使试件变得坚硬，抗渗性强，尾矿砂相对于粉煤灰来说对混凝土的水化反应影响较小，进而对混凝土的质量损失影响较小。综合以上结果,质量损失最小配合比的是FT2组试件。

图3 冻融循环后质量损失率变化图Fig.3 Change of mass loss rate after freeze-thaw cycle

3.2.3 动弹性模量分析

动弹性模量是反映混凝土内部致密性和性能变化的重要指标之一，它可以直接反映出混凝土性能的衰减。由表6、图4和图5可知，FT1组未掺加任何掺合料的普通混凝土的动弹性模量随着冻融次数的增加而降低，相对动弹性模量分别为86.9%、84.1%、79.98%和64.43%；FT2组下降的幅度相对于FT1组来说较缓，在75次以后还有短暂上升；FT2组在25～100次的冻融循环中的相对弹性模量分别为88%、88.1%、70.25%和76.47%；FT3组的动弹性模量变化曲线和FT2组的变化曲线大致相似，冻融次数在0～25次时下降的比较明显，之后下降趋势平缓，相对动弹性模量从93.7%下降至64.41%；FT4组在第100次时试件发生断裂，试件发生的断裂的原因是粉煤灰掺量过高，进而影响了水化反应，导致混凝土试件强度降低，FT4组的冻融循环次数25～75次时的动弹性模量为85.39%、76.03%和61.97%。

图4 冻融循环后动弹性模量变化对比图Fig.4 Comparison chart of dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

图5 冻融循环后相对动弹性模量变化对比图Fig.5 Comparison chart of relative dynamic elastic modulus changes after freeze-thaw cycles

通过实验可以发现，水化反应是影响混凝土试件强度的关键因素，水化反应越完全，强度越高，抗冻融的效果越好，当粉煤灰掺量为10%时，少量替代水泥不会影响水化反应，粉煤灰可以生成C-S-H胶凝使混凝土强度增高。当粉煤灰掺量达到20%和30%时，水泥替代率相对较大，影响水化反应，前期粉煤灰不参与反应，试件强度较低，导致动弹性模量下降较快；后期粉煤灰反应生成胶凝，可以使混凝土的强度有所提升，致使动弹性模量下降缓慢。尾矿砂的棱角颗粒可以使混凝土变得坚固，但是吸水能力强，过量掺加也会影响水化反应，进而使混凝土试件强度降低，应变较快，导致动弹性模量下降。FT2组试件在冻融循环后期动弹性模量提高，参照表4可知FT2组的强度在后期因为粉煤灰形成的胶凝而提高，同样到了循环后期，FT2组强度提升导致动弹性模量增高。

4 结论与展望

本文以闪电河水库进水塔混凝土为例，对4组掺有不同比例的粉煤灰和尾矿砂混凝土进行了抗冻融试验和抗压强度试验，分析了复掺掺合料进水塔混凝土抗冻融机理，提出了复掺掺合料的最优掺量，结论如下：

1) 当混凝土只掺加粉煤灰来代替水泥时，在龄期28 d时抗压强度在掺量为20%时最强，在养护早期，掺量越大，强度越低；尾矿砂混凝土强度均高于普通混凝土的强度，强度在掺量50%时强度最高；复掺混凝土粉煤灰掺量为10%、尾矿砂为25%的情况下强度最高。

2) 试件进行冻融循环试验时，FT1和FT3组的试件质量损失一直下降，FT2和FT4组在前期有短暂的上升，FT2组的质量损失小于普通混凝土；动弹性模量方面，FT1组、FT3组和FT4组动弹性模量随着冻融次数增加而降低，FT2组在后期有个提升。

3) 试验结果表明，FT2组试件强度最优。