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        水工混凝土抗凍性能影響因素研究

        2010-08-10 01:38:52溫寶山王興庭周明學(xué)
        東北水利水電 2010年1期
        關(guān)鍵詞:抗凍凍融循環(huán)氣量

        溫寶山,王興庭,周明學(xué)

        (1.中國長江三峽集團(tuán)公司試驗(yàn)中心,湖北 宜昌 443133;2.巴斯夫化學(xué)建材武漢分公司,湖北 武漢 430000)

        1 概述

        凍融破壞是水工混凝土結(jié)構(gòu)老化病害的主要原因之一,嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的使用壽命和安全運(yùn)行,因此抗凍性是評(píng)價(jià)寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)?;炷猎馐軆鋈谇治g是一個(gè)較為復(fù)雜的物理劣化過程,包含滲透擴(kuò)散、凍融循環(huán)、開裂破壞等次生過程,影響混凝土抗凍性能的因素也較為復(fù)雜。以下通過一系列室內(nèi)快速凍融試驗(yàn),研究混凝土在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律,探討混凝土含氣量、粗骨料種類及粒徑、粉煤灰摻量、人工砂石粉含量及水膠比對混凝土抗凍性能的影響。

        2 凍融試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)采用中熱水泥,I級(jí)粉煤灰,除“人工砂石粉含量對抗凍性能影響”部分試驗(yàn)外,其他試驗(yàn)所采用的人工砂細(xì)度模數(shù)為2.60。

        2.2 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體,凍融溫度為-25~20℃,凍融循環(huán)一次歷時(shí)2~4 h,在進(jìn)行規(guī)定次數(shù)凍融循環(huán)后計(jì)算試件的相對動(dòng)彈性模量損失或重量損失。

        3 結(jié)果分析

        3.1 含氣量的影響

        混凝土毛細(xì)孔里的水分結(jié)冰時(shí),體積會(huì)隨之增大,需要孔隙擴(kuò)展結(jié)冰水體積,或者把多余的水沿試件邊界排出,或者二者同時(shí)發(fā)生,這個(gè)過程形成水壓力,其大小取決于結(jié)冰處至“逸出邊界”的距離、材料的滲透性以及結(jié)冰速率。飽和的水泥漿體試件中,除非漿體里每個(gè)毛細(xì)孔距最近的逸出邊界不超過75~100 m,否則就會(huì)產(chǎn)生破壞壓力,這么小的間距可以通過摻用適當(dāng)?shù)囊龤鈩﹣磉_(dá)到[1],因此,引氣劑能夠有效地減小混凝土受凍損傷。有試驗(yàn)表明,冰凍至-24℃時(shí),不引氣的水泥漿體試件伸長約1 600×10-6m,溶解至初始溫度時(shí),可觀測到500×10-6m的永久伸長;引氣10%的試件在冰凍期間無明顯膨脹,融解循環(huán)結(jié)束時(shí)無殘余膨脹[2]。多數(shù)水工混凝土中摻加引氣劑,以達(dá)到良好的抗凍耐久性,水工混凝土含氣量與相對動(dòng)彈性模量的關(guān)系見圖1。

        由圖1可以看出,含氣量對混凝土抗凍耐久性的影響十分顯著,但含氣量達(dá)到6.2%,混凝土相對動(dòng)彈性模量的降低幅度與含氣量為5.1%時(shí)基本相同,抗凍性能不再因含氣量的增加而改善,說明含氣量對抗凍性能的增強(qiáng)作用存在一個(gè)極限飽和點(diǎn),在飽和點(diǎn)以下含氣量對混凝土抗凍性能的貢獻(xiàn)顯著,但含氣量超過了飽和點(diǎn),抗凍性能不再隨著含氣量的增加而增強(qiáng)。

        3.2 水膠比的影響

        混凝土含氣量為4.5%時(shí),水灰比對混凝土抗凍性能的影響見圖2。

        圖2 水灰比對混凝土抗凍性能的影響

        由圖2可以看出,相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失的變化說明,水膠比越大,混凝土的抗凍性能越差,這是因?yàn)橛不炷恋目捉Y(jié)構(gòu)是由水灰比所決定,一般情況下,水化程度一定時(shí)水灰比越大,硬化水泥漿體里的大孔體積越大,可凍水存在于大孔中,使得水灰比較高的水泥漿體中有較多的可凍水,因此抗凍性能較差,在凍融循環(huán)的過程中質(zhì)量損失和相對動(dòng)彈性模量降低較多。

        3.3 粗骨料的影響

        水泥漿基體引氣的混凝土仍可能受到凍融的損傷,這種情況是否會(huì)發(fā)生,很大程度上取決于骨料對冰凍作用的反應(yīng),骨料飽和漿體結(jié)冰產(chǎn)生內(nèi)部壓力的機(jī)理同樣適用于用巖石生產(chǎn)的骨料,同時(shí)骨料的粒徑也會(huì)對混凝土的抗凍性能產(chǎn)生重要的影響。骨料種類對混凝土抗凍性能影響試驗(yàn)采用了白云巖、玄武巖和花崗巖3種骨料,骨料最大粒徑對抗凍性能的影響試驗(yàn)采用的骨料為花崗巖,骨料粒徑分別選用了水工混凝土常用的一級(jí)配(最大粒徑為20 mm)和二級(jí)配(骨料最大粒徑為40 mm,由于試件條件的限制,需對拌制好的混凝土進(jìn)行濕篩,濕篩后實(shí)際骨料最大粒徑為30 mm)2種混凝土,在含氣量為4.5%左右條件下進(jìn)行的凍融循環(huán)試驗(yàn),骨料對抗凍性能影響見圖3、圖4。

        圖3 骨料種類對混凝土抗凍性能的影響

        骨料的這種抗凍性能的差異主要是因?yàn)閹r石本身的結(jié)構(gòu)造成的,玄武巖和花崗巖同屬于巖漿巖,而白云巖屬于沉積巖,從結(jié)構(gòu)上來說,沉積巖不如巖漿巖致密,表觀密度小,孔隙率和吸水率大,強(qiáng)度較低,因此抗凍耐久性也就較差[3]。

        圖4 骨料粒徑對相對動(dòng)彈性模量的影響

        由圖4可以看出,隨著骨料最大粒徑的增加,混凝土的相對動(dòng)彈性模量迅速下降,這是因?yàn)榛炷林泄橇狭接?,在溫度變化過程中骨料對水泥砂漿的變形約束愈大,同時(shí)骨料的增大使得砂漿與骨料間的界面增大,降低了混凝土的抗?jié)B性能,因此大粒徑混凝土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,相對動(dòng)彈性模量急劇降低。另外,骨料在混凝土抗凍融過程中存在“臨界骨料粒徑”,即在一定的孔徑分布、滲透性、飽和度與結(jié)冰速率條件下,大顆粒骨料可能會(huì)受凍害,但小顆粒則不會(huì)[4]。例如混凝土試件養(yǎng)護(hù)14 d后受到凍融循環(huán)時(shí),粒徑為12~25 mm燧石的混凝土彈性模量降低50%時(shí)需要183個(gè)循環(huán),而5~12 mm燧石、養(yǎng)護(hù)條件相同的混凝土試件則需要448個(gè)循環(huán)。但對于同一種骨料,臨界尺寸并非單一值,因?yàn)樗€取決于結(jié)冰速率、飽和度和骨料的滲透性。

        3.4 粉煤灰的影響

        混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)是影響混凝土受凍融破壞的關(guān)鍵因素,摻加摻和料能夠改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。粉煤灰混凝土在含氣量為5%時(shí)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),相對動(dòng)彈性模量結(jié)果見圖5。

        圖5 粉煤灰摻量對相對動(dòng)彈性模量的影響

        由圖5可以看出,摻加20%粉煤灰混凝土試件的相對動(dòng)彈性模量比不摻粉煤灰的略大,顯示出了好的抗凍性能,這是因?yàn)榉勖夯揖哂谢鹕交一钚?,能與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣進(jìn)行“二次反應(yīng)”,形成緊密的混凝土微觀結(jié)構(gòu),改善了混凝土的界面,減少了過渡區(qū),因此能提高混凝土的抗凍性能。在粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí),混凝土的相對動(dòng)彈性模量迅速下降,粉煤灰的摻入能夠細(xì)化混凝土內(nèi)部空隙,增加結(jié)構(gòu)總空隙率[5],同時(shí)降低了混凝土孔隙水的冰點(diǎn)[6],使凍融破壞方式由靜水壓侵蝕向滲透壓侵蝕轉(zhuǎn)變,總空隙率的增加及滲透壓侵蝕會(huì)加速粉煤灰的凍融破壞,因此,粉煤灰摻量合適能夠提高混凝土的抗凍性能,但摻量過大對混凝土抗凍性能就會(huì)有一定的負(fù)面影響。

        3.5 人工砂石粉含量的影響

        人工砂石粉含量對混凝土抗凍性能的影響試驗(yàn)采用二級(jí)配混凝土,拌合物性能見表1,混凝土凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量見圖6。

        表1 人工砂石粉含量對混凝土拌合物的影響

        圖6 石粉含量與混凝土相對動(dòng)彈性模量關(guān)系圖

        在含氣量一定時(shí),人工砂石粉含量對混凝土的抗凍性能無明顯的影響,石粉含量對混凝土抗凍耐久性的影響主要反映在了引氣劑的用量上,如表1所示。石粉含量每增加3%,混凝土要達(dá)到相同的含氣量引氣劑用量需增加1/10 000,因此在拌制高石粉含量的引氣混凝土?xí)r應(yīng)適當(dāng)加大引氣劑摻量,以達(dá)到良好的抗凍耐久性。

        [1] POWER,T.C.,The physical structure and Engingeering Properties of Concrete,Bulletin 90,Portland Cement Association,Skokie,IL,1958.

        [2]庫馬.梅塔,保羅J.M.蒙特羅,混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料[M].覃維祖,王棟民,丁建彤譯.北京:中國電力出版社,2008,9.

        [3]彭小芹.土木工程材料[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2002.

        [4] Bloem,D.L.,Highway Res.,Vol.6,p.48-60,1963.

        [5]林震,陳益民.外摻磨細(xì)礦渣與粉煤灰的水泥基材料的亞微觀結(jié)構(gòu)研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2000,28(zl):6-10.

        [6]袁曉露,李北星,等.粉煤灰混凝土的抗凍性能及機(jī)理分析[J].混凝土,2008,(12):43-44.

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