董黨鋒
(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030006)
非飽和混凝土是水工混凝土工程中的一種常見工作狀態(tài),具體是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部致密程度很高的混凝土在路面、橋梁結(jié)構(gòu)的浪濺區(qū)使用時(shí),無(wú)法使試件內(nèi)部處于飽和狀態(tài)。這種工作狀態(tài)在水工混凝土中所占比例很大。與飽和混凝土不同,在低溫作用下,此類混凝土僅在表面發(fā)生了冰凍破壞。因此,我們有必要提出一種專門的試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)非飽和混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能,從而為獲得一種成本低、速度快的抗凍性能評(píng)價(jià)方法提供了條件。
國(guó)內(nèi)試驗(yàn)方法中慢凍法借鑒參考東歐以及蘇聯(lián)的方法,在長(zhǎng)期的實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)由于慢凍法采用的是抗壓強(qiáng)度作為評(píng)定指標(biāo),按規(guī)范要求成型較多的試件,導(dǎo)致工作量加大;試驗(yàn)過程基本是人工操作,試驗(yàn)誤差較大,失重率作為評(píng)定指標(biāo),但經(jīng)常出現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加試件重量卻增大的情況[1];一次循環(huán)至少8 h,試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。雖然快凍法在一定程度上克服了慢凍法在以上三方面的不足,但快凍法存在兩個(gè)難以解決的問題:首先是未解決試件養(yǎng)生條件的差異所帶來的影響,對(duì)于密實(shí)程度高、抗?jié)B性能好的現(xiàn)場(chǎng)試件,內(nèi)部處于干燥狀態(tài),不受冰凍影響,表現(xiàn)為強(qiáng)度損失僅在表面發(fā)生,與標(biāo)養(yǎng)的保水試件在動(dòng)彈模的衰減方面存在較大差異[2];其次是對(duì)于非飽和混凝土,在冰凍過程中由于表面不斷破壞,水分逐漸滲入,導(dǎo)致試件的重量損失被滲入的水分所彌補(bǔ),表現(xiàn)并不明顯,結(jié)果導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)率降低,影響評(píng)價(jià)的可靠性和合理性。
混凝土的飽水程度對(duì)其抗凍融破壞有很大的影響。混凝土飽和度低于某個(gè)臨界值,混凝土就具有較高的抗凍融循環(huán)能力,而干燥的混凝土則不受凍融循環(huán)的影響。也就是說若混凝土從未被濕飽和過,也就沒有凍融循環(huán)損壞的危險(xiǎn)。即使是經(jīng)濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件,其內(nèi)部孔隙也不可能完全由水所充滿[3]。大多數(shù)的應(yīng)用中混凝土處于部分干燥狀態(tài),在受潮時(shí)這種混凝土吸收的水分一般比其已失去的水分少。非飽和混凝土的內(nèi)部是處于相對(duì)干燥狀態(tài)的,因此其破壞是從表面向內(nèi)逐層破壞的,而不是像飽和混凝土,冰凍破壞在表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生(表面凍融次數(shù)可能會(huì)多些,破壞會(huì)相對(duì)快些),在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法時(shí),嘗試找到一種方法,能夠模擬產(chǎn)生類似冰凍的破壞,但僅在表面發(fā)生,發(fā)生的范圍局限于水的滲入范圍,在研究了各種無(wú)機(jī)物的結(jié)晶后,認(rèn)為利用硫酸鈉進(jìn)行試驗(yàn)可以較好的達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模?]。使用硫酸鈉試驗(yàn)具有以下特點(diǎn):1)可以加速破壞。硫酸鈉的結(jié)晶破壞,可以在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的膨脹壓力,可以近似模擬冰凍的狀態(tài),但膨脹應(yīng)力要大于冰凍應(yīng)力,可以加速破壞的過程。2)發(fā)生的范圍局限于表面。確切說是在非承壓情況下水能夠滲入的部分,與天然的冰凍破壞過程和范圍非常相近。3)硫酸鈉結(jié)晶溫度低。帶來的好處是在烘干過程中,不會(huì)因高溫影響混凝土的性能,可以使試驗(yàn)結(jié)果更加客觀。
1)烘箱:能使溫度控制在105℃ ±5℃;2)米格尺:以cm為單位,透明有機(jī)玻璃尺,評(píng)價(jià)表面破壞情況;3)容器:搪瓷盆或不銹鋼盆,容積不小于試件尺寸;4)試劑:無(wú)水硫酸鈉和10水結(jié)晶硫酸鈉(工業(yè)用);5)鋼絲刷。
1)硫酸鈉溶液的配制:取一定數(shù)量的蒸餾水,加溫至30℃~50℃,每1 000 mL蒸餾水加入無(wú)水硫酸鈉(Na2SO4)300 g~350 g或10水硫酸鈉(Na2SO4·10H2O),用玻璃棒攪拌,使其溶解并飽和,然后冷卻至20℃~25℃;在此溫度下靜置48 h,其相對(duì)密度應(yīng)保持在 1.151 ~1.174(波美度為 18.9 ~21.4)范圍內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)容器底部應(yīng)無(wú)結(jié)晶存在。
2)試件的制備:按照《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定制備標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件,如需要同時(shí)測(cè)定動(dòng)彈模,試件尺寸應(yīng)為40 cm×10 cm×10 cm,并標(biāo)養(yǎng)28 d。每組應(yīng)制備不少于3個(gè)試件。
1)用鋼絲刷將試件表面脫模劑、油污等刷凈后,將試件放入70℃ ±5℃烘箱中烘干至恒重(一般12 h),將試件取出并冷卻至室溫。2)將試件放入盛有硫酸鈉溶液的容器中,溶液體積不小于試件體積的2倍,溫度應(yīng)保持在20℃ ~25℃,試件底部距容器底部應(yīng)不小于30 mm,試件頂部距離液面應(yīng)不小于30 mm。3)浸泡12 h后,從溶液中提出試件,放在70℃ ±5℃烘箱中烘烤12 h,取出后,將試件冷卻至20℃ ~25℃,用鋼絲刷刷去表面已脫落的混凝土(如有)。4)用米格尺測(cè)量試件的上表面(也可為其他表面,整個(gè)試驗(yàn)過程中應(yīng)不變),評(píng)價(jià)試件表面損壞情況,測(cè)定表面脫落百分率,完成一個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)。5)反復(fù)2)~4)的過程,直至混凝土表面破壞達(dá)到50%,完成一組試件的試驗(yàn)。6)取每組3個(gè)試件的破壞次數(shù)的中值作為該組試件的破壞值。7)確定試驗(yàn)參數(shù)。為找到合適的試驗(yàn)方法,確定試驗(yàn)參數(shù),在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了不同浸泡時(shí)間、不同烘干時(shí)間、不同配合比、不同烘干溫度的試驗(yàn),通過反復(fù)調(diào)整,最終確定了試驗(yàn)參數(shù)如下:烘干溫度:70℃ ±5℃。烘干時(shí)間:12 h。浸泡時(shí)間:12 h。破壞狀態(tài):表面50%發(fā)生破壞。
在調(diào)整穩(wěn)定試驗(yàn)方法后,進(jìn)行了11組配合比的完整試驗(yàn),并對(duì)1組現(xiàn)場(chǎng)切割取回的老混凝土試件進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中,選取了 0.6,0.55,0.5,0.45,0.4,0.35,0.3 共 7 個(gè)水灰比進(jìn)行試驗(yàn)。其中不摻減水劑的有 4 組,水灰比分別為 0.6,0.55,0.5,0.45;摻木鈣類普通減水劑的有 3 組,水灰比分別為 0.45,0.4,0.35;摻萘系高效減水劑的有3組,水灰比分別為0.4,0.35,0.3。通過對(duì)摻加不同外加劑的配合比,用相同的水灰比進(jìn)行試驗(yàn),研究外加劑對(duì)混凝土抗凍性能的影響。試驗(yàn)過程中,為了了解混凝土的整體性能變化情況,同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)彈模試驗(yàn),并測(cè)定了試驗(yàn)前后試件質(zhì)量的變化情況。作為對(duì)比,還進(jìn)行了現(xiàn)有老混凝土、機(jī)制混凝土磚和花崗巖的對(duì)比試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中,摻加萘系高效減水劑,水灰比為0.3的試件,在進(jìn)行43次循環(huán)后,表面僅有15%的破壞,因此終止試驗(yàn)。
表1 混凝土硫酸鈉表面侵蝕試驗(yàn)結(jié)果匯總表
試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土的表面破壞與動(dòng)彈模的變化之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系,因此,用動(dòng)彈模來評(píng)定非飽和混凝土的抗凍性能是不合適的,會(huì)導(dǎo)致混凝土的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際抗凍性能。重量損失同樣與混凝土的表面破壞不存在相關(guān)關(guān)系,破壞迅速的紅磚甚至發(fā)生了烘干后重量大幅度上升的現(xiàn)象。
在對(duì)大量的試驗(yàn)結(jié)果整理分析的基礎(chǔ)上,提出了非飽和混凝土抗凍性能快速檢測(cè)的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法的特點(diǎn)如下:提出的抗凍試驗(yàn)方法,是在現(xiàn)行的集料、巖石和混凝土試驗(yàn)規(guī)程中的成熟方法的基礎(chǔ)上,經(jīng)過整理、分析提出的,并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了認(rèn)真的驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果顯示了良好的規(guī)律性,這些方法都反映出試驗(yàn)方法是穩(wěn)定可靠的,在妥善利用的情況下,可以很好的指導(dǎo)工程試件。方法確定試驗(yàn)溫度為70℃,是綜合考慮了試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)精度等的結(jié)果。這個(gè)溫度可以使硫酸鈉充分結(jié)晶,又避免了對(duì)混凝土強(qiáng)度的損壞,表1中動(dòng)彈模的變化規(guī)律就是很好的證明。更低的溫度將使試驗(yàn)時(shí)間大幅度延長(zhǎng),影響試驗(yàn)效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,可用20次~25次循環(huán)表面損壞不超過50%評(píng)價(jià)非飽和混凝土試件的抗凍能力是否滿足要求。
硫酸鈉表面侵蝕試驗(yàn)是檢驗(yàn)混凝土表面抗凍能力的有效方法,克服了快凍法在試驗(yàn)中的一些不足,適用于非飽和混凝土的抗凍性能試驗(yàn)。建議開展硫酸鈉表面侵蝕法用于評(píng)價(jià)飽和混凝土抗凍性的嘗試,解決現(xiàn)場(chǎng)試件與標(biāo)養(yǎng)試件檢驗(yàn)結(jié)果差距大的問題。
[1]方 璟,武世翔.混凝土在試驗(yàn)室條件下凍融破壞的特點(diǎn)[J].混凝土與水泥制品,2003(4):89-92.
[2]姜雙倫,姬立德,吳會(huì)強(qiáng).混凝土的凍融破壞與外加劑[J].混凝土,2001(2):22-25.
[3]李金玉,曹建國(guó),徐文雨,等.混凝土凍融破壞機(jī)理的研究[J].水利學(xué)報(bào),1999(1):77.
[4]楊紹明,周雙喜.混凝土抗凍性試驗(yàn)方法及其評(píng)價(jià)參數(shù)的探討[J].混凝土,2008(4):118-119.