李在允

(河南省路橋建設(shè)集團有限公司，河南 商丘　476000)

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不同水灰比和不同粉煤灰摻量下混凝土抗?jié)B性能分析

李在允

(河南省路橋建設(shè)集團有限公司，河南 商丘476000)

為探究混凝土原材料中水灰比和粉煤灰摻量對混凝土抗?jié)B性能的影響，根據(jù)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進行了不同水灰比(0.30、0.40、0.50)和不同粉煤灰摻率(0%、10%、20%、30%)下的混凝土棱柱體試件快速凍融循環(huán)試驗和交流電滲透電阻試驗，通過整理實驗數(shù)據(jù)得到了凍融循環(huán)后混凝土試件各項抗?jié)B指標(biāo)的變化規(guī)律，進而對各項指標(biāo)的變化規(guī)律進行了分析。分析表明：在凍融循環(huán)作用下，水灰比過大和粉煤灰摻率過小都會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔數(shù)量變多，使得混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能降低。此外，還對混凝土抗?jié)B性能進行了簡要分析，并總結(jié)了實際施工中常采用提高混凝土抗?jié)B性能的措施，為有抗?jié)B要求的混凝土參數(shù)選取、設(shè)計和施工提供參考。

；水灰比；粉煤灰摻率；抗?jié)B性；凍融循環(huán)；滲透電阻

0　引言

混凝土的耐久性可用于衡量混凝土的長期工作性能[1]。混凝土結(jié)構(gòu)中所使用混凝土的耐久性能直接影響著結(jié)構(gòu)的可工作年限。在影響混凝土耐久性能的諸多因素中，混凝土的抗?jié)B性能對其耐久性能的影響程度最大?？?jié)B性能好的混凝土一般較為密實，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中細(xì)小的滲透通道較少，這導(dǎo)致了混凝土四周的各種不良介質(zhì)難以侵入到混凝土內(nèi)部，混凝土的耐久性能也往往較好[2，3]。

由于在我國北部氣候冬季干冷，晝夜溫差常常可達(dá)到20 ℃左右，這就導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)時常發(fā)生凍融破壞，進而使得混凝土的抗?jié)B性能降低。有研究表明[4-6]，水灰比過大和粉煤灰摻率過小都會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔數(shù)量變多，使得混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能降低。因此，適當(dāng)?shù)卣{(diào)低水灰比設(shè)計參數(shù)和增大粉煤灰摻率能改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗?jié)B性能。

通過進行混凝土棱柱體凍融循環(huán)試驗，本文得到了不同水灰比和不同粉煤灰摻量的凍融循環(huán)后混凝土各項抗?jié)B指標(biāo)的變化規(guī)律，討論了混凝土抗?jié)B性能的主要影響因素，總結(jié)了實際施工中常采用提高混凝土抗?jié)B性能的措施，以期為有抗?jié)B要求的混凝土參數(shù)選取、設(shè)計和施工提供參考。

1　試驗

1.1試驗原材料

試驗所使用的原材料及其主要物理性能參數(shù)如表1所示。

1.2試驗配合比

試驗設(shè)計了共12組不同水灰比(0.30、0.40、0.50)和不同粉煤灰摻率(0%、10%、20%、30%)的混凝土配制方案，其詳細(xì)配合比如表2所示。

1.3試驗試件制備與養(yǎng)護

試驗試件為規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體混凝土，根據(jù)表2制備12組試件，每組均制備6個相同試塊，共計72個。首先將表1中的原材料按照表2中的配合比拌合均勻，并注入表面涂有脫模劑的鋼模中振搗密實，再放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中條件下養(yǎng)護24 h后拆模，接著轉(zhuǎn)移至盛有飽和氫氧化鈣的水溶液中養(yǎng)護，以避免空氣中CO2的影響。

表1 試驗原材料的主要物理性能參數(shù)水(普通自來水)水泥(P·O425)細(xì)骨料(中砂:MX=26)密度/(kg·m-3)密度/(kg·m-3)28d強度/MPa表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)1000315061.526501750粗骨料(碎石:5～20mm)粉煤灰(Ⅰ級粉煤灰)減水劑(AL-S高效減水劑)表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)密度/(kg·m-3)密度/(kg·m-3)2800160023501100

表2 不同水灰比和粉煤灰摻率下試驗混凝土配合比試驗組名水灰比水泥/kg粉煤灰/kg水/kg砂/kg石/kg減水劑/%R10.30567.0017046011006.0R20.30510.356.717046011006.0R30.30453.6113.417046011006.0R40.30396.9170.117046011006.0S10.40438.0017554011505.5S20.40394.243.817554011505.5S30.40350.487.617554011505.5S40.40306.6131.417554011505.5T10.50360.0018064012005.0T20.50324.036.018064012005.0T30.50288.072.018064012005.0T40.50252.0108.018064012005.0 注:R組為水灰比等于0.30的混凝土試驗組;S組為水灰比等于0.40的混凝土試驗組;T組為水灰比等于0.50的混凝土試驗組。

1.4試驗方法

快速凍融循環(huán)試驗采用大型冷凍冰柜根據(jù)貼于混凝土表面的溫度傳感器所測得的溫度來進行實時控溫，將溫度控制在(-15±2)℃至(5±2)℃?？焖賰鋈谘h(huán)試驗中粉煤灰混凝土試件共經(jīng)歷200次凍融循環(huán)，每次凍融循環(huán)全過程共計4 h。每隔40次快速凍融循環(huán)，取出試件記錄其各項抗?jié)B指標(biāo)值并分析各指標(biāo)的變化規(guī)律。在凍融試驗完成后對各組粉煤灰混凝土試件采用自動電導(dǎo)率儀記錄其混凝土的滲透電阻值、分析其變化規(guī)律，并對試件抗?jié)B性能進行評價。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1相對彈性模量

根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)，作出不同水灰比下各試驗組的相對彈性模量變化規(guī)律如圖1所示。

圖1　不同水灰比下混凝土試件相對彈性模量變化規(guī)律

從圖1中可以得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從0增大至200時，各試件組的相對彈性模量均降低，這是由于凍融循環(huán)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，空隙通道和微裂縫的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致了其相對彈性模量的降低。

2) 當(dāng)經(jīng)歷相等的凍融循環(huán)次數(shù)下，對于相同的水灰比的R試件組、S試件組、T試件組而言，粉煤灰摻率為30%的R4、S4、T4試件組的相對動彈性模量的下降速率要分別慢于其它粉煤灰摻率為20%、10%、0%的R1～R3、S1～S3、T1～T3試件組。這是由于在混凝土中摻入粉煤灰可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實程度，增大混凝土的抗?jié)B性能[7]。

3) 在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用和相同粉煤灰摻率的情況下，水灰比為0.3的R試件組的相對動彈性模量的下降速率分別慢于其它水灰比為0.4、0.5的S、T試件組。這說明混凝土抗?jié)B性能隨著水灰比的增大而降低。因此，在一定范圍內(nèi)可以適當(dāng)調(diào)低水灰比來改善混凝土的抗?jié)B性能。

2.2質(zhì)量損失率

根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)，作出不同水灰比下各試驗組的質(zhì)量損失率變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　不同水灰比下混凝土試件質(zhì)量損失率變化規(guī)律

從圖2中可以得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)凍融循環(huán)從0次增加至80次時，各試件組的質(zhì)量損失率均為負(fù)值，表示各試件質(zhì)量均有所增加。這是由于當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少(<80)時，粉煤灰混凝土試件中空隙首先凝結(jié)成冰從而導(dǎo)致了混凝土試件質(zhì)量的增大，質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較多(>80)時，混凝土試件由于內(nèi)部水結(jié)冰膨脹作用導(dǎo)致試件表面混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試件質(zhì)量減輕，質(zhì)量損失率逐漸上升為正值。

2) 當(dāng)經(jīng)歷相等的凍融循環(huán)次數(shù)下，對于相同的水灰比的R試件組、S試件組、T試件組而言，粉煤灰摻率為30%的R4、S4、T4試件組的質(zhì)量損失率的要分別小于其它粉煤灰摻率為20%、10%、0%的R1～R3、S1～S3、T1～T3試件組。因此，在一定范圍可以通過適當(dāng)調(diào)高混凝土中粉煤灰摻率來提高凍融循環(huán)作用下混凝土的抗?jié)B性能。

3) 在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用和相同粉煤灰摻率的情況下，水灰比為0.3的R試件組的質(zhì)量損失率分別小于其它水灰比為0.4、0.5的S、T試件組。這說明在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用和相同粉煤灰摻率的情況下，試件組的質(zhì)量損失率隨著水灰比的增大而增大。因此，可通過適當(dāng)調(diào)低混凝土的水灰比來提高凍融循環(huán)作用下混凝土的抗?jié)B性能。

2.3滲透電阻損失率

根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)，作出不同水灰比下各試驗組的滲透電阻損失率變化規(guī)律如圖3所示。

圖3　不同水灰比下混凝土試件滲透電阻損失率變化規(guī)律

從圖3中可以得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從0增大至200時，各試件組的滲透電阻損失率均有所增大，這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土的抗?jié)B性能不斷下降。因此，凍融循環(huán)會導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性能的降低。

2) 當(dāng)經(jīng)歷相等的凍融循環(huán)次數(shù)下，對于相同的水灰比的R試件組、S試件組、T試件組而言，粉煤灰摻率為30%的R4、S4、T4試件組的滲透電阻損失率的要分別小于其它粉煤灰摻率為20%、10%、0%的R1～R3、S1～S3、T1～T3試件組。這說明粉煤灰混凝土試件的滲透電阻損失率隨著粉煤灰摻率的增大而減小。

3) 在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用和相同粉煤灰摻率的情況下，粉煤灰混凝土試件的滲透電阻損失率隨著水灰比的增大而增大。

3　影響因素

從原材料組成來看，影響混凝土抗?jié)B性能主要有以下幾個方面[8]：

1) 水泥種類：采用的水泥種類和水泥性能對抗?jié)B性能有著很大的影響。對抗?jié)B要求較高的混凝土，宜選用干燥、合格的普通硅酸鹽水泥。

2) 粗細(xì)骨料：混凝土所采用粗細(xì)骨料的級配是否良好對其抗?jié)B性亦能有著很大的影響。粗細(xì)骨料級配不良會在混凝土內(nèi)部形成空隙。

3) 水灰比：根據(jù)研究資料，混凝土中水灰比過大會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔數(shù)量過大，凍融循環(huán)下混凝土的抗?jié)B性能越差。因此，對有抗?jié)B要求的混凝土，應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比大小。

4) 粉煤灰摻率：在混凝土中摻入適量的粉煤灰可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗?jié)B性能，但應(yīng)考慮摻入粉煤灰對混凝土強度的影響。

4　建議

1) 應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范要求選擇原材料，不得使用超過使用期的水泥。

2) 在混凝土攪拌方面，應(yīng)采用機械攪拌的方式進行攪拌，且攪拌時間不宜過短。

3) 在混凝土振搗方面，應(yīng)盡量采用規(guī)范中所要求的機械振搗方式進行振搗。對于機械振搗難于操作的部位，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施予以解決。

4) 加強混凝土的養(yǎng)護，及時進行覆蓋抗風(fēng)和灑水保濕，內(nèi)外溫差不宜過大。

5　結(jié)論

基于以上分析，本文可得出以下主要結(jié)論：

1) 凍融循環(huán)次數(shù)過多會使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，空隙通道和微裂縫的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致了其相對彈性模量的降低。

2) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較多(>80)時，混凝土試件由于內(nèi)部水結(jié)冰膨脹作用導(dǎo)致試件表面混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試件質(zhì)量減輕，質(zhì)量損失率為正值。

3) 在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用和相同粉煤灰摻率的情況下，粉煤灰混凝土試件的滲透電阻損失率隨著水灰比的增大而增大。

4) 水灰比過大和粉煤灰摻率過小都會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔數(shù)量變多，使得混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能降低。

5) 在實際施工中可綜合采用多種提高混凝土的抗?jié)B性能的措施。

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2016-03-03

李在允(1963-)，男，高級工程師，研究方向：公路與橋梁。

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