張安生

(盤(pán)山縣水利建筑工程處，遼寧 盤(pán)錦 124000)

0 引 言

抗凍性是反映水工混凝土耐久性的重要參數(shù)，《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的降溫終了時(shí)試件中心溫度-18℃通常為國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè)研究水工混凝土抗凍性能的主要依據(jù)，相關(guān)研究大多以材料組分的視角，分析外加劑、礦物摻合料、骨料、水泥等組分對(duì)混凝土抗凍性的影響，在此基礎(chǔ)上提出摻加優(yōu)質(zhì)礦物摻合料、選擇合適的骨料與水泥、控制混凝土水膠比、摻加引氣劑等提高混凝土抗凍性能的諸多方法[1-3]，而對(duì)混凝土抗凍性受凍融制度本身的影響研究還鮮有報(bào)道。

調(diào)查顯示，截至2013年中國(guó)已建水庫(kù)大壩98002座，這些分布于不同氣候區(qū)域的水庫(kù)所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)不盡相同。依據(jù)區(qū)域氣候模式和《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》，中國(guó)的平均氣溫在1920s、1950s、1980s升高了近1.2℃、2.2℃、3.2℃，這將嚴(yán)重影響按凍融程度劃分的區(qū)域水工混凝土結(jié)構(gòu)物。根據(jù)最冷月平均氣溫《水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范》將我國(guó)劃分成溫和區(qū)、寒冷區(qū)、嚴(yán)寒區(qū)，以上各分區(qū)水工建筑物的最高抗凍等級(jí)依次為F50、F100、F300。文章設(shè)計(jì)了F300、F50兩種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)混凝土，并開(kāi)展-40℃、-30℃、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃低溫抗凍試驗(yàn)[4]，系統(tǒng)的探究不同低溫下各等級(jí)混凝土的力學(xué)性能、動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了混凝土微觀(guān)特征受凍融循環(huán)的影響。

1 研究方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P·O42.5通用硅酸鹽水泥，以及符合規(guī)范要求的Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度模數(shù)為2.70的細(xì)骨料(河砂)，粒徑5-20mm、20-40mm的灰?guī)r人工粗骨料，選用的引氣劑型號(hào)為Air-205，減水劑為萘系，外加劑符合有關(guān)規(guī)范要求?；瘜W(xué)成分分析表，見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分分析表 %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用中國(guó)北方氣候嚴(yán)寒區(qū)某水電站F300抗凍等級(jí)的面板混凝土、南方溫和區(qū)常見(jiàn)的F50抗凍等級(jí)的混凝土和C20強(qiáng)度等級(jí)的常態(tài)混凝土配合比，含氣量5%-6%，粉煤灰摻量20%。應(yīng)用絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)兩組配合比，以飽和面干為骨料質(zhì)量，配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試水工混凝土的抗凍性，設(shè)計(jì)試件為400mm×100mm×100mm，采用降溫終了-40℃、-30℃、-18℃的F300抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃的F50抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土，統(tǒng)一使用8℃作為升溫時(shí)中心溫度，執(zhí)行升溫歷時(shí)1h、降溫歷時(shí)2h的抗凍制度。經(jīng)多次凍融循環(huán)，采用感量5g、稱(chēng)量10g的電子天平和100Hz-10kHz頻率的測(cè)定儀，對(duì)以上不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量進(jìn)行測(cè)試。然后依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的有關(guān)要求開(kāi)展力學(xué)性能的測(cè)試。凍融后，可利用FEI-650電子顯微鏡測(cè)試內(nèi)部芯樣的微觀(guān)形貌。

本研究利用自制氣候模擬系統(tǒng)開(kāi)展不同設(shè)計(jì)條件下的凍融試驗(yàn)，該設(shè)備的溫度波動(dòng)幅度±0.5℃、實(shí)時(shí)控制精度0.1℃、溫控區(qū)間-70℃-150℃，通過(guò)程序可設(shè)定溫度恒定時(shí)間、變溫速率等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 F50低抗凍等級(jí)混凝土

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃凍融試件中心低溫凍融作用下F50低抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失變化，不同低溫條件下F50低抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土抗凍性，見(jiàn)圖1。

圖1 不同低溫條件下F50低抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土抗凍性

由圖1可知，從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失自2.5%逐漸上升到7.6%，增長(zhǎng)幅度達(dá)到180%。F50水工混凝土在-25℃低溫條件下，經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后被凍斷無(wú)法測(cè)試動(dòng)彈性模量。結(jié)合150次凍融循環(huán)的測(cè)試結(jié)果，水工混凝土的動(dòng)彈性模量在中心低溫-5℃減少至-25℃過(guò)程中，其保留值自76%不斷減少至38%，具有較大的變化幅度。

2.2 F300高抗凍等級(jí)混凝土

在-40℃、-30℃、-18℃凍融試件中心低溫凍融作用下F300高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失變化，不同低溫條件下F300低抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土抗凍性，見(jiàn)圖2。

圖2 不同低溫條件下F300低抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土抗凍性

由圖2可知，從-18℃不斷減少至-40℃，經(jīng)350次凍融循環(huán)后F300等級(jí)的水工混凝土，其質(zhì)量損失自1.5%逐漸上升到7.6%，增長(zhǎng)幅度達(dá)到370%。結(jié)合350次凍融循環(huán)的測(cè)試結(jié)果，水工混凝土的動(dòng)彈性模量在中心低溫-18℃減少至-40℃過(guò)程中，其保留值自62%不斷減少至40%，變化幅度達(dá)到38%。試驗(yàn)表明，隨著溫度的降低高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土抗凍性具有較大的下降幅度。

2.3 凍融最低溫度影響

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃和-40℃、-30℃、-18℃凍融試件中心低溫凍融作用下，F(xiàn)50水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖3；F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖4。

圖3 F50水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖4 F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖3、圖4可知，從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自40.5%快速上升到84.6%。從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土經(jīng)過(guò)350次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

2.4 最大凍融循環(huán)次數(shù)

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的動(dòng)彈性模量減少到起始值的60%、質(zhì)量損失5%的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在不同中心低溫凍融下F50、F300經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)，F(xiàn)300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖5。

圖5 F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖5可知，在-5℃、-10℃低溫條件下，按-18℃低溫抗凍設(shè)計(jì)達(dá)到F50的水工混凝土經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)200次、150次；在-30℃、-40℃低溫條件下，按-18℃低溫抗凍設(shè)計(jì)達(dá)到F300的水工混凝土經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次、160次。

2.5 微觀(guān)形貌分析

將凍融循環(huán)作用后的水工混凝土內(nèi)部芯樣利用環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行直接觀(guān)測(cè)，能夠有效避免水工混凝土芯樣受表層噴金處理、烘干等工序的影響，可以最大限度的表征混凝土微觀(guān)形貌受凍融作用的影響。

根據(jù)-40℃低溫經(jīng)350次循環(huán)的F300和-18℃低溫經(jīng)200次循環(huán)的F50芯樣的微觀(guān)形貌可知，一定程度的凍融循環(huán)作用可以使水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的裂縫，裂縫寬度總體處于0.5-3.1μm之間，凍融循環(huán)在很大程度上改變了水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，使其變得更加疏松，這些疏松結(jié)構(gòu)以及裂縫的存在為有效滲入凍融介質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，在很大程度上加快了凍脹破壞，對(duì)水工混凝土抗壓強(qiáng)度以及動(dòng)彈性模量的變化造成直接影響。

3 結(jié) 論

1)不同等級(jí)的水工混凝土抗凍性能隨著凍融最低溫度的降低而逐漸下降。從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50混凝土經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失增長(zhǎng)幅度達(dá)到180%，動(dòng)彈性模量在中心低溫-5℃減少至-25℃過(guò)程中，其保留值自76%不斷減少至38%，變化幅度達(dá)到50%以上；從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300混凝土經(jīng)過(guò)350次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損增長(zhǎng)幅度達(dá)到370%，動(dòng)彈性模量在中心低溫-18℃減少至-40℃過(guò)程中，其保留值自62%不斷減少至40%，變化幅度達(dá)到38%。

2)隨著凍融最低溫度的降低水工混凝土的最大凍融循環(huán)次數(shù)和力學(xué)性能不斷減少。從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自40.5%快速上升到84.6%；從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300抗凍設(shè)計(jì)水工混凝土經(jīng)過(guò)350次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

3)一定程度的凍融循環(huán)作用可以使水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的裂縫，裂縫寬度總體處于0.5-3.1μm之間，凍融循環(huán)在很大程度上改變了水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，使其變得更加疏松，并為有效滲入凍融介質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，在很大程度上加速了凍脹破壞。