摘 要：
目的 为了推广矿物掺合料在冬期施工中的应用，研究了不同掺量矿物掺合料的混凝土在低温条件下的强度发展情况，及其对抗冻临界强度的影响。
方法 采用恒低温一次冻结法和自然变低温多次冻结法，测试各种掺量的混凝土在不同龄期的强度值、抗冻临界强度值及在低温条件下达到该值的时间。
结果 复掺复合外加剂和适宜掺量矿物掺合料的混凝土，在低温条件下能够防止早期受冻，强度发展满足冬期施工要求。 粉煤灰掺量不宜超过15 % ，硅灰掺量不宜超过5 % ，双掺粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥时，效果更显著。
结论 结合复合外加剂，单掺粉煤灰10 %～15 %和硅灰5 % ，低温7 d 强度可达到设计强度的50 % ，低温7 d 转正温7 d 强度达到设计强度；双掺粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥，低温7 d 强度达到设计强度的60 % ，低温7d 转正温7 d 强度超过设计强度。恒低温条件下28 h 达到抗冻临界强度3。5 MPa ，变低温条件下34 h 达到抗冻临界强度4。1 MPa ，均满足规范要求。
关键词：复合外加剂；矿物掺合料；抗冻临界强度；低温；强度
粉煤灰和硅灰同属具有活性的混凝土矿物掺合料，掺入混凝土中可以取代部分水泥，并以细颗粒充当细骨料或细骨料的填料，改善新拌混凝土流动性，增强黏聚性，减少泌水和骨料分离，从而增强混凝土的密实性，改善内部结构，提高强度，由于其后期的二次水化反应，能显著提高后期
强度及增加抗腐蚀能力等耐久性。
粉煤灰和硅灰在常温混凝土中已得到广泛研究和应用，其力学性能及耐久性的研究较为系统、深入，而对低温条件下混凝土中的研究和应用则很少，主要原因是考虑其早期水化慢，强度低，不能抵抗早期受冻，不主张在低温条件下的混凝土中使用这些矿物掺合料，这大大限制了粉煤灰和硅灰在低温条件下混凝土中的推广和应用。 笔者通过调整粉煤灰和硅灰的掺量和掺加方式，并复掺复合外加剂，以自然变负温和恒负温为养护条件，测试掺加粉煤灰和硅灰的混凝土在低温条件下强度发展情况，及其对抗冻临界强度的影响，确定在保证混凝土早期不产生冻害，强度能够持续发展时的合理掺量。
1 试验材料及方法
1.1 试验原材料
（1） 水泥：采用沈阳冀东水泥有限公司生产的盾石牌水泥42.5R。
（2） 水：采用普通自来水。
（3） 集料：粗集料采用石灰岩碎石5～20 mm ，最大粒径为20 mm。 连续颗粒级配，压碎指标为2.10 % ，含泥量低于0.1 %。 表观密度约为2 800kg/m3 。 细集料选用河砂， 属中砂， 细度模数为2.8 ，级配良好，属Ⅱ区。 坚固性为4.10 % ，含泥量低于2.1 %。
（4） 矿物掺合料：粉煤灰：选用辽阳I 级粉煤灰，密度2.40 g/cm3 ，需水量比92 % ，45μm 方孔筛筛余9. 5 %。
硅灰：硅灰由青海华电铁合金股份有限公司生产，灰白色粉末，粒径为1μm 以下，平均粒径为0.1μm 左右。
（5） 低温早强剂：选用以早强、减水和引气为主要组分的复合外加剂。
1.2 试验方法
调整取代水泥的粉煤灰和硅灰的掺量配制不同组分的混凝土，采用恒低温和自然变低温为养护条件，测试各种混凝土的强度发展情况，抗冻临界强度值及在低温条件下达到该值的时间。
（1） 混凝土组成情况
固定外加剂掺量，调整粉煤灰和硅灰的掺量进行配制。
（2） 养护条件
混凝土试件成型后表面覆盖塑料薄膜，在标养室预养4 h 后，分别以冰箱内恒低温- 10 ℃和室外自然变低温5～ - 15 ℃为龄期7 d 前低温阶段的养护条件，7 d 后转标准养护7 d 和28 d。
（3） 强度测定
分别于低温养护龄期为1 d、3 d、7 d 和低温转正温- 7 d + 7 d ， - 7 d + 28 d 时各取一组试压，测出混凝土强度发展情况。
（4） 抗冻临界强度测定
成型试件分别于12 h 、24 h 、36 h 、48 h 等每隔4 h 分别试压（根据强度发展相应调整） ，结合转正温后强度及强度损失（ < 5 %） ，测试抗冻临界强度值，及达到该值的时间。
2 试验结果及分析
2.1 恒低温养护条件下矿物掺合料对混凝土强度发展的影响
掺入不同掺量矿物掺合料的混凝土试件成型后在标养室预养4 h ，然后放入恒- 10 ℃冰箱养护，并在混凝土表面覆盖塑料薄膜，防止水分过分蒸发。 在恒低温条件下掺矿物外加剂混凝土强度发展情况见图1。
从图1 中可以看出，在恒低温养护条件下，随着粉煤灰掺量的增加，各龄期强度均呈降低趋势，当掺量超过15 %时，降低明显，早期强度发展极其缓慢，后期强度增长也未体现出来。 粉煤灰掺量为10 %和15 %的混凝土，虽然早期强度发展较不掺任何矿物掺合料的混凝土慢，但并不是很明显，强度发展能够满足冬期施工要求，7 d 强度可达到设计强度的50 % ，低温7 d 转正温7 d 强度达到设计强度，且后期强度逐渐赶上未掺矿物掺合料的混凝土。 掺入硅灰的混凝土在低温条件下强度发展较快，后期强度高，但掺量不宜超过5 %。 同时掺入10 %粉煤灰和4 %硅灰的混凝土强度无论在早期还是后期，在低温条件下强度增长都为最好。7 d 强度达到设计强度的60 % ，低温7 d 转正温7d 强度超过设计强度。
试验结果表明，单掺粉煤灰由于早期水化缓慢，会影响混凝土强度增长，但掺量较低时影响并不大，而由于其形态、微集料效应，低掺量时使混凝土孔隙细化，孔径分布均匀，形成合理的内部孔结构，密实度得以提高，从而降低混凝土中可冻水的冰点，并能缓冲冻胀时产生的冰胀压力，增强混凝土在低温条件下的抗冻能力，使早期强度能够持续发展。 但掺量不宜过高，试验结果表明10 %～15 %为适宜掺量。 单掺硅灰超过5 %时，由于硅灰需水量大，拌合物变得黏稠，影响工作性及内部结构。 双掺粉煤灰和硅灰，两者相互补充，能够更有效发挥两者的填充效应和微集料效应，结构更加致密，减少孔的数量和缩小了孔缝尺寸，尤其是降低了有害孔的数量，从而增强了抗冻能力。
2.2 自然变低温养护条件下矿物掺合料对混凝土强度发展的影响
不同组成情况的混凝土在5～ - 15 ℃变低温自然养护条件下混凝土强度发展情况如图2。
从图2 中可以看出，自然变低温条件下养护的混凝土强度发展与恒低温养护条件下混凝土强度发展具有相同的趋势。 但相同组分的混凝土在相同龄期时，自然变低温条件下养护的混凝土强度较恒低温养护条件下混凝土强度低。 这是由于自然变低温条件下，自然温度的变化使混凝土经历了冻融循环，对混凝土刚刚形成的内部结构造成损伤和强度损失。
矿物掺合料的掺量不宜过高，粉煤灰掺量应小于15 % ，硅灰掺量应小于5 %。 此掺量时在早期会由于其复合填充效应，增加混凝土的密实性，隔断毛细管通道，减少不利孔的数量，增加有利孔，从而增加早期抗冻能力。 在后期，由于其二次水化反应，对后期强度及耐久性非常有利。
2.3 低温养护条件下矿物掺合料对混凝土抗冻临界强度的影响
混凝土的抗冻临界强度是混凝土抵抗早期受冻的重要技术指标，因此测试了掺入不同掺量矿物掺合料混凝土的抗冻临界强度及在两种低温养护条件下达到该强度的抗冻临界时间。 不同掺量矿物掺合料混凝土在低温条件下抗冻临界强度情况如表2。
从表2 可以看出，不论在恒低温还是自然变低温养护条件下，掺入10 %粉煤灰和掺入5 %硅灰的混凝土与未掺矿物掺合料的混凝土相比较，抗冻临界强度值和抗冻临界龄期变化不大，复掺粉煤灰（超量取代水泥10 %） 硅灰（等量取代水泥4 %） 时，混凝土在低温条件下抗冻临界强度值与抗冻临界龄期有所降低。 随着矿物掺合料掺量的增加，抗冻临界强度值变化并不是很大，但抗冻临界时间延长，当粉煤灰掺量超过15 %尤为明显。而在自然变低温条件下养护的混凝土较在恒低温下需要更高的抗冻临界强度，才能保证不受冻害。这是由于粉煤灰掺量过高，因为水化慢会影响早期强度增长。 而硅灰掺量高，会增加需水量，对早期抗冻性不利。 而当掺量适宜时，由于其密实填充效应，改善混凝土内部孔结构，隔断大孔通道，细化孔径，减少可冻水量，使混凝土强度在低温下持续发展，尽早达到抗冻临界强度，缩短抗冻临界龄期。
3 结 论
（1） 掺矿物掺合料并复以复合外加剂的混凝土，掺量适宜时，在低温条件下强度能持续发展。粉煤灰掺量不宜超过15 % ，硅灰掺量不宜超过5 % ，双掺粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥时，效果更好。
（2） 在低温条件下，单掺粉煤灰10 %～15 %和硅灰5 % ，7 d 强度可达到设计强度的50 % ，低温7 d 转正温7 d 强度达到设计强度；双掺粉煤灰10 %和硅灰4 %取代水泥，7 d 强度达到设计强度的60 % ，低温7 d 转正温7 d 强度超过设计强度。
（3） 掺适宜矿物掺合料的混凝土，恒低温条件下28 h 达到抗冻临界强度3.5 MPa ，变低温条件下34 h 达到抗冻临界强度4.1 MPa ，均满足规范要求。
