西北寒冷地区,年平均冰冻期长,昼夜温差大, 为保证水电工程质量,所用水工混凝土必须具备良好的抗冻性能。1985 年原水电部组织的全国性水工混凝土病害调查结果[ 1 ] 显示,水利工程混凝土冻融破坏是我国北方地区水利工程建设的突出问题之一,而西北地区的混凝土冻融破坏问题尤其严重。
　　青海省某装机容量为3 ×500 kW 的水电站[2 ] 地处高原大陆气候区,多年平均气温在零度以下,最低温度- 31. 1 ℃。因为工程原设计和施工对混凝土抗冻指标考虑不足,致使电站建成后运行不到2 年,就因多部位混凝土发生严重冻融破坏而致使整个工程陷入瘫痪,给当地造成巨大经济损失和社会负面影响。因此,在西北地区提高混凝土的抗冻性,对保证水电工程运行安全尤为重要。
　　目前,对高抗冻混凝土的研究大多是以高强混凝土(强度等级在C50 或C60 以上) 为基础,通过对其进行改性来达到提高抗冻性能的目的。一般来讲,这种混凝土多采用较小水灰比(一般不大于0. 30) ,混凝土中不仅要掺入高效引气剂和减水剂,还需加入超细硅粉或其他优质矿物质掺料,而且对所用粉煤灰的质量要求较高, 必须达到Ⅰ级标准[324 ] 。
　　也有人用低热、高强度且孔隙率低的第二三系列水泥,如铁铝水泥或贝利特低热硅酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥配制高抗冻混凝土[1 ] ,但由于这种高抗冻混凝土造价较高,大多还处于试验阶段,导致其实际推广应用受到限制。另外,西北地区经济落后,且待建的水电工程大多属中、小型水电工程,这类工程对混凝土强度等级的要求相对较低,但却对混凝土的抗冻等级要求很高,因此急需配制成本较低、抗冻耐久性较好的混凝土来满足工程建设要求。为此,本研究配制不同水灰比、外加剂(引气剂,减水剂) 和粉煤灰掺量的混凝土进行抗压、抗拉强度和抗冻试验,分析各种因素对混凝土抗冻性能的影响,并对水灰比和外加剂、粉煤灰掺量进行了优化选择,以期为高抗冻混凝土的配制及相关工程的建设和安全运行提供参考和技术支持。
1 　材料与方法
1. 1 　材　料
　　1. 1. 1 　水　泥　水泥为拉萨牌42. 5R 普通硅酸盐水泥,所检的各项指标满足GB175 - 1999 要求
        1. 1. 2 　骨　料　粗骨料采用粒径5～20 mm 和20～40 mm 2 种河卵石,比重2. 68 g/ cm3 ,试验确定2 种粗骨料最佳掺配比例1 ∶1 (质量比) ,最大堆积密度为1 680 kg/ m3 ,混合后粗骨料颗粒组成符合5～40 mm 连续级配标准要求;细骨料为河砂,细度模数为2. 56 , 比重为2. 63 g/ cm3 , 含泥量为1. 2g/ kg。骨料各项指标满足DL/ T 514422001[5 ] 要求。
　　1. 1. 3 　外加剂和掺合料　引气剂选用咸阳安峡外加剂厂的CRS 复合引气剂,其推荐掺量为0. 1～0. 3g/ kg ;减水剂选用咸阳宏达外加剂厂的FDN 高效减水剂,推荐掺量为5～10 g/ kg ;粉煤灰采用渭河热电厂的Ⅱ级粉煤灰。
1. 1. 4 　水　水为清洁自来水。
1. 2 　试验方法
　　由于混凝土的抗冻性与水灰比、含气量以及强度有关[6 ] ,因此本试验主要通过在不同水灰比及掺加不同比例的引气剂、减水剂和粉煤灰情况下,分析混凝土的抗冻性和强度差异,从而筛选出高抗冻混凝土的最佳水灰比和外加剂掺量,混凝土的抗冻和强度等试验依据现行相关规范进行。
　　1. 2. 1 　水灰比的确定　有资料表明,高抗冻要求的混凝土含气量应为4 %～6 %[ 728 ] 。因此,本研究首先从提高混凝土的含气量入手,引气剂掺量取其推荐量的上限0. 3 g/ kg ,控制坍落度在50～70 mm ,拌制水灰比分别为0. 40 ,0. 45 ,0. 50 ,0. 55 的混凝土,研究不同水灰比对混凝土抗冻性和强度影响,筛选最佳水灰比。试验中混凝土配合比见表2。
　　1. 2. 2 　引气剂掺量的确定　引气剂过多不但会引起混凝土强度降低,而且会导致混凝土抗冻性减弱[9 ] 。因此在确定水灰比的基础上,本研究对引气剂的掺量进行了筛选,在引气剂掺量分别为0. 10 ,0. 15 ,0. 20 ,0. 25 ,0. 30 g/ kg 情况下拌制混凝土,研究不同引气剂掺量对混凝土抗冻性能和强度的影响,选出最佳引气剂掺量。
　　1. 2. 3 　减水剂掺量的确定　在上述试验的基础上,拌制减水剂掺量分别为2. 5 ,5. 0 ,7. 5 ,10. 0 g/ kg 的混凝土,研究减水剂掺量对混凝土抗冻性能和强度的影响。

1. 2. 4 　粉煤灰掺量的确定　通过对引气剂和减水剂掺量的研究,得到满足高抗冻要求的混凝土配合比,但由于该配比水泥用量和强度偏大,导致工程的投资增加,带来不必要的浪费;另外水工混凝土为大体积浇筑,水泥用量太大,过量的水泥水化热会引起混凝土温控裂缝,给工程质量带来负面影响。为避免以上问题,本研究进一步分析了加入100 , 200 ,300 g/ kg粉煤灰对高抗冻混凝土性能影响,筛选满足C30F300 混凝土要求的最佳粉煤灰掺量。
2 　结果与分析
2. 1 　水灰比对混凝土抗冻性能的影响
　　混凝土的抗冻性不仅与混凝土强度有关,且受到混凝土含气量的直接影响[10 ] ,因此对于有抗冻要求的混凝土其含气量要求较高。由3 可知,掺加0. 30 g/ kg 引气剂,混凝土的含气量普遍较高;混凝土的强度(抗压强度和抗拉强度) 随着水灰比的增大而逐渐降低; 水灰比为0. 40 的混凝土含气量为4. 7 %,最大抗冻次数仅为225 次;水灰比为0. 50 和0. 55 的混凝土最大抗冻次数不足225 次;而水灰比为0. 45的混凝土抗冻次数超过225 次(此时失重率仅为3. 4 % ,相对动弹模量为87. 1 %) 。由以上结果可知,高抗冻混凝土的最优水灰比为0. 45 。
2. 2 　引气剂掺量对混凝土抗冻性能的影响
　　由表4 可知,混凝土的含气量随着引气剂掺量的增加而增大;当引气剂掺量由0. 10 g/ kg 增加到0. 20 g/ kg ,混凝土抗冻次数随着引气剂掺量的增加而增多,由200 次增大到了250 次; 引气剂掺量由0. 20 g/ kg 增加到0. 30 g/ kg ,混凝土抗冻次数随着引气剂掺量的增加而减少,由250 次降低到200 次。
　　这是因为随着引气剂掺量的增加,混凝土内部不规则气泡随之增多,这些气泡对混凝土的强度尤其抗拉强度产生了负面影响,进而引起混凝土抗冻性下降。因此在不加其他外加剂情况下,水灰比为0. 45的混凝土抗冻性能最佳的引气剂掺量为0. 20 g/ kg。
2. 3 　减水剂掺量对混凝土抗冻性能的影响
　　混凝土的抗冻性不仅与含气量有关,而且与混凝土的强度和水灰比也有直接的关系[11 ] ,同类混凝土水灰比越小,强度越高,混凝土的抗冻性越好。有研究表明,混凝土达到28 d 龄期时,水泥水化用水量仅为水泥量的20 %[12 ] ,而多余水分大多以游离状态存在于混凝土的孔隙中,给混凝土的抗冻性构成威胁。因此,降低水灰比、减少用水量可以减少混凝土空隙中游离态的水分,提高混凝土的抗冻性能。
　　据2. 2 节的研究结果可知, 水灰比为0. 45 , 掺入0. 20 g/ kg 的引气剂后,如果要达到抗冻等级F300目标,可以采用降低水灰比的方法。降低水灰比有保持用水量不变加大水泥用量,或水泥用量不变减少用水量2 种办法。前者因为水泥需水比一定,水泥用量增加,用水量也会随之增加,因此很难达到降低水灰比的目的,且会加大建设成本,一般不宜采用,后者为提高混凝土的抗冻性能的可行方法。加入减水剂是减少混凝土用水量最简单有效的措施,其能在水泥量不变情况下减少用水量,从而达到降低水灰比的目的,起到提高混凝土抗冻性能的作用。　　
　　由表5 可知,在水泥用量保持不变时,加入减水剂可减少用水量,混凝土实际水灰比降低;在引气剂掺量一定时,减水剂掺量对混凝土含气量的影响不大,但混凝土的强度随着减水剂掺量的增加逐渐增大。当减水剂掺量由0 g/ kg 增加到5. 0 g/ kg 时,混凝土的抗压强度由38. 5 MPa 增大到41. 0 MPa ,抗冻次数由250 次提高到300 次;之后随着减水剂掺量的增大,混凝土的强度虽然也在缓慢增大,但混凝土的最大抗冻次数却没有增加。这是因为加入减水剂后,用水量减少,混凝土的密实性增加,内部游离态的水分含量降低,从而提高了混凝土的强度和抗冻性,但因为减水剂的减水程度有限,当其掺量达到一定量时,水量减少就很困难,所以抗冻次数不再增加。由此选定减水剂的最佳掺量为5. 0 g/ kg ,此时混凝土强度达41. 0 MPa ,已远超过设计C30 要求。
2. 4 　粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响
　　有抗冻要求的混凝土可以掺加质量符合GBJ 146 - 90 标准的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰,且其掺量一般不超过胶凝材料总质量的30 %[13 ] 。粉煤灰的适量掺入可以改善混凝土的和易性,降低水泥水化热,保证工程质量,并可以减少工程建设投资。
在保持总的胶凝材料用量不变情况下,粉煤灰替代部分水泥加入混凝土后,因为其需水量比小于水泥需水量比,所以混凝土坍落度有所增加;且因水泥用量减少,水胶比不变,实际水灰比增大。由表6可知,混凝土的含气量和强度均随着粉煤灰掺量的增大而降低,这是因为粉煤灰中未燃尽的部分活性炭颗粒可吸附一定量的外加剂,从而减弱了外加剂的作用效果,但在一定的范围内粉煤灰对混凝土的抗冻性能影响不大。结果表明,当粉煤灰的掺量增加到200 g/ kg 时,水胶比保持0. 45 ,水灰比增大到0. 47 ,混凝土的抗压强度达到33. 8 MPa ,最大抗冻融次数300 次,能够满足高抗冻混凝土要求。由此可知,高抗冻混凝土粉煤灰的掺量宜为200 g/ kg。
3 　工程应用
　　利用所选水灰比和优化后的外加剂及粉煤灰掺量,配制高抗冻混凝土用于青海某水电站工程[2 ] 的重建,在浇筑过程中,多次测量新拌混凝土的含气量和坍落度,结果显示含气量平均为4. 5 % ,坍落度平均65 mm ,经500 m 运输,含气量和坍落度几乎没有损失。采用现场取样法(取样方式1) 和混凝土钻芯取样法(取样方式2) [12 ] 对该混凝土抗压强度及抗冻耐久性能进行检测,结果见表7 。表7 表明,在保证正常施工技术的条件下,混凝土的强度及抗冻性符合该地区工程耐久性设计的要求。
4 　结　论
　　1) 在不掺入其他矿物质掺料条件下,掺入适量的高效减水剂和引气剂,也能配制出高抗冻混凝土。
　　2) 引气剂和减水剂皆能改善和提高混凝土抗冻性能,但仅掺入一种外加剂并不能达到目的,只有对2 种外加剂的掺量优化选择后,通过2 种外加剂的复合作用,才能够提高混凝土的抗冻性。
　　3) C30F300 高抗冻混凝土配合比为: 水胶比0. 45 (水灰比0. 47) ,引气剂掺量0. 2 g/ kg ,减水剂掺量5. 0 g/ kg ,粉煤灰掺量200 g/ kg 。此混凝土既能保证抗冻耐久性要求,又经济实惠,易于推广。