由于我国大部分地区处于北温带, 在冬季寒冷天气下, 混凝土结构容易发生冻融破坏, 而加入一些矿物掺和料能够有效地改善混凝土强度以及抗冻性能。近年来, 偏高岭土取代硅灰掺入到混凝土中成为研究的热点。2003年方永浩等^[1]研究了偏高岭土及其在高性能混凝土中的应用, 发现偏高岭土能够改善混凝土的抗渗性和耐蚀性。2007年刘艳等^[2]研究偏高岭土对混凝土耐久性能的影响, 发现混凝土中掺入偏高岭土微细粉后其在抑制碱-骨料反应及抗冻融循环等方面均优于基准混凝土。2011年郝立波^[3]研究硅灰与偏高岭土对混凝土抗冻融性能的影响, 发现掺入硅灰和偏高岭土都能有效改善混凝土的抗冻融性能。2012年张伟等^[4]进行双掺聚丙烯腈纤维和偏高岭土混凝土抗冻融性能试验, 发现双掺聚丙烯腈纤维和偏高岭土可较大幅度提高混凝土的抗冻性能。2015年刘红彬等^[5]研究低水胶比偏高岭土混凝土的强度和细观结构的分形特征, 发现偏高岭土可以有效提高和改善混凝土的力学性能。从目前国内的研究情况来看, 大部分试验集中在单掺偏高岭土上, 对偏高岭土与其他矿物掺和料复掺的情况研究较少。

因此, 本文研究了单掺偏高岭土对混凝土抗压强度及抗冻性能的影响, 又在此基础上研究了偏高岭土与矿粉双掺以及偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺对混凝土抗压强度及抗冻融性能的影响, 得出了一些结论。由于在低水胶比下, 混凝土的抗压强度一般会变高, 为了制备高强混凝土, 本试验特选取水胶比为0.18。

原材料: (1) 水泥采用山东产P·O52.5普通硅酸盐水泥; (2) 偏高岭土采用湖南产高活性偏高龄土K-1300, 其技术指标如表1所示; (3) 矿粉采用山东产S95级矿粉; (4) 粉煤灰采用济宁产的一级粉煤灰; (5) 细骨料本试验细骨料采用的是细度模数为2.4的天然河砂, 砂的颗粒级配良好, 符合GB/T14684—2001《建筑用砂》要求; (6) 粗骨料粗骨料采用颗粒级配良好的石灰石碎石, 压碎值为10.5%, 5~25mm连续级配; (7) 减水剂采用日照产聚羧酸高性能减水剂HSC; (8) 青岛自来水。

从表3可以看出, 单掺偏高岭土时, 混凝土试件28d抗压强度随偏高岭土掺量增加而增加, 当掺量为15%时, 抗压强度最高;偏高岭土与矿粉双掺且取代水泥的量为25%时, 偏高岭土与矿粉掺量比例为1∶1.5时, 混凝土的抗压强度最高;当偏高岭土、矿粉与粉煤灰三元复掺且取代水泥的量为25%时, 三者掺量比例为1∶1∶0.5时, 抗压强度最高。比较3种不同掺和种类, 三元复掺时混凝土抗压强度较高。

在冻融循环过程中, 每隔100次做1次质量损失记录。将试件取出擦干表面并称取质量, 然后计算质量损失率, 当质量损失率超过5%时, 认为混凝土试件已经破坏。混凝土试件的质量损失率按式 (1) 计算^[6]:

式中:η_n为经n次冻融循环后混凝土试件的质量损失率 (%) ;m_0i为冻融循环试验前第i个混凝土试件的质量 (g) ;m_ni为经n次冻融循环后第i个混凝土试件的质量 (g) 。

从图1a可以看出, 在单掺偏高岭土时, 在冻融循环初期, 混凝土试件基本无质量损失, 随着冻融循环次数的增加, 混凝土的质量损失率逐渐增大, 且增长幅度逐渐变大。在冻融循环1 200次后, 试件的质量损失率均未超过5%, 说明混凝土试件没有冻坏。相较于基准组, 混凝土中单掺偏高岭土后, 试件的质量损失率要小于基准组, 说明单掺偏高岭土能够提高混凝土的抗冻性。这是由于偏高岭土的比表面积很大, 具有微集料填充效应, 能够减少混凝土孔隙, 而且偏高岭土与水泥水化产物Ca (OH) ₂发生二次水化反应, 所得产物改善了混凝土微观结构, 使混凝土结构更加致密, 提高了混凝土的抗冻性。当偏高岭土掺量从5%~15%变化, 混凝土最终的质量损失率逐渐减小, 抗冻性逐渐增加, 当偏高岭土取代水泥的量为15%时, 混凝土的质量损失率最小, 抗冻性最好。

从图1b可以看出, 当偏高岭土与矿粉双掺且取代水泥的量为25%时, 随着冻融循环次数的增加, A4与A6组试件的质量损失率先出现负值, 这是由于在冻融初期, 随着冻融次数增加, 混凝土中微裂缝的数量和体积有所增加, 裂缝吸水或是发生水化反应等原因, 使试件的吸水量大于表面剥落量, 导致质量增加。当冻融循环次数达到1 200次时, 所有混凝土试件的质量损失率均<5%, 说明混凝土试件没有冻坏, 其抗冻等级均在F1200以上, 且偏高岭土与矿粉双掺时的混凝土试件的质量损失率均小于基准组, 说明偏高岭土与矿粉双掺时能够提高混凝土的抗冻性。当偏高岭土与矿粉双掺且取代水泥的量均为25%时, 随着偏高岭土掺量从5%~15%变化, 矿粉掺量从20%~10%变化, 混凝土最终的质量损失率先增加后减小, 在偏高岭土与矿粉掺量比例为1∶1.5时, 混凝土的质量损失率最小, 抗冻性最好。

从图1c可以看出, 当偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺时, 混凝土最终的质量损失率均小于基准组且都<5%, 说明混凝土的抗冻等级均在F1200以上且偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺能够提高混凝土的抗冻性。这主要是由于偏高岭土、矿粉与粉煤灰掺和在一起, 不仅填充了水泥颗粒之间以及水泥石-骨料之间的孔隙, 而且不同粒径的偏高岭土、矿粉与粉煤灰相互填充, 有利于降低混凝土的孔隙率, 形成密实的体系从而增强混凝土的抗冻性。当偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺且取代水泥的量均为25%时, 三者掺量比例为1∶1∶0.5时, 混凝土的质量损失率最小, 抗冻性最好。

比较图1可知, 当矿物掺和料取代水泥的量均为25%时, 偏高岭土与矿粉双掺混凝土的质量损失率要大于偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺的质量损失率, 说明三元复掺的抗冻性要高于二元双掺的抗冻性。

在冻融循环过程中, 每隔100次冻融循环后测量混凝土试件的动弹性模量, 计算相对动弹性模量, 当试件的动弹性模量下降至初始值的60%时, 认为混凝土试件已经破坏。混凝土试件的相对动弹性模量按照式 (2) 计算:

式中:E为经n次冻融循环后1组混凝土试件的平均相对动弹性模量 (%) ;f_ni为经n次冻融循环后第i个混凝土试件的横向基频 (Hz) ;f_0i为冻融循环试验前第i个混凝土试件的横向基频初始值 (Hz) 。

从图2a可以看出, 在单掺偏高岭土时, 随着冻融循环次数的增加, 混凝土的相对动弹性模量逐渐减小, 且下降的速率越来越快, 内部损伤逐渐增大。在冻融循环1 200次后, 混凝土试件的相对动弹性模量均>60%, 说明混凝土并未冻坏。最终掺入偏高岭土混凝土试件的相对动弹性模量均大于基准组, 且偏高岭土掺量越多, 相对动弹性模量越大。当偏高岭土掺量为15%时, 混凝土的相对动弹性模量损失最小, 抗冻性最好。

从图2b可以看出, 当冻融循环1 200次后, 混凝土试件的相对动弹性模量均>60%, 说明混凝土并未冻坏, 且偏高岭土与矿粉双掺的混凝土相对动弹性模量均大于基准组, 说明偏高岭土与矿粉双掺能够提高混凝土的抗冻性。当偏高岭土与矿粉取代水泥的量为25%且偏高岭土与矿粉的掺量比例为1∶1.5时, 混凝土的相对动弹性模量损失的最少, 抗冻性能最好。

从图2c可以看出, 在偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺时, 随冻融循环次数的增加, 混凝土的相对动弹性模量下降较平缓, 在冻融循环1 200次后, 混凝土的相对动弹性模量均大于基准组。当偏高岭土、矿粉与粉煤灰取代水泥的量为25%且偏高岭土、矿粉与粉煤灰的掺量比例为1∶1∶0.5时, 混凝土的相对动弹性模量损失最少, 抗冻性最好。

比较图2b与图2c, 在矿物掺和料取代水泥的量均为25%时, 偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺的相对动弹性模量损失要小于偏高岭土与矿粉双掺, 说明三元复掺混凝土的抗冻性要高于二元双掺的抗冻性。

1) 单掺偏高岭土时, 混凝土抗压强度随掺量增加逐渐增大;偏高岭土与矿粉双掺且两者掺和比例为1∶1.5时, 混凝土的抗压强度最高;偏高岭土、矿粉与粉煤灰三元复掺且三者掺和比例为1∶1∶0.5时, 混凝土的抗压强度最高。比较3种不同掺和种类, 三元复掺时混凝土抗压强度较高。

2) 单掺偏高岭土、偏高岭土与矿粉双掺及偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺在冻融循环1 200次后的质量损失率及相对动弹性模量损失均小于基准组, 说明掺加矿物掺和料有助于提高混凝土的抗冻性能。

3) 在单掺偏高岭土时, 且偏高岭土掺量为15%时, 混凝土的质量损失率及相对动弹性模量损失最少, 抗冻性最好。

4) 在偏高岭土与矿粉双掺且偏高岭土与矿粉取代水泥的量为25%时, 当偏高岭土与矿粉的掺量比例为1∶1.5时, 混凝土的质量损失率及相对动弹性模量损失最少, 抗冻性最好。

5) 在偏高岭土、矿粉与粉煤灰三元复掺且偏高岭土、矿粉与粉煤灰取代水泥的量为25%时, 当偏高岭土、矿粉与粉煤灰的掺量比例为1∶1∶0.5时, 混凝土的质量损失率及相对动弹性模量损失最少, 抗冻性最好。

6) 比较偏高岭土与矿粉双掺以及偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺, 在矿物掺和料取代水泥的量均为25%时, 偏高岭土、矿粉与粉煤灰复掺的质量损失率及相对动弹性模量损失要小于偏高岭土与矿粉双掺, 说明在矿物掺和料取代水泥的量相同时, 三元复掺的抗冻性更好。