常艷婷，周 斌

(西安鐵路職業(yè)技術學院,陜西西安710600)

工程建設通常都會面臨各種復雜多變的自然環(huán)境以及地質條件,如高溫、高寒、高海拔等。對于混凝土設施或結構而言,“凍融”通常是影響自身長期穩(wěn)定工作狀態(tài)的重要負面因素之一,混凝土結構在長期處于凍融環(huán)境下,很容易產生抗凍融破壞和壓潰破壞,繼而出現(xiàn)細小裂紋或斷裂并最終影響到整個混凝土結構的骨料與水泥粘結部分。隨著混凝土結構凍融循環(huán)次數(shù)的增加,結構中出現(xiàn)的裂紋或斷裂現(xiàn)象將會越來越嚴重,最終導致整體性能劣化[1]。因此,通過何種方式能夠有效緩解或摒除凍融環(huán)境混凝土結構的這一劣化現(xiàn)象,成為當前材料領域、建筑工程領域的研究重點。

在傳統(tǒng)的混凝土材料研究中,多數(shù)學者將研究重點集中在分析不同的摻合料對混凝土性能的影響方面,如劉波[2]針對陽宗海Ⅱ級灰等的物化性能進行分析,全面對比了幾種不同摻合料對混凝土性能的影響；巫茂寅[3]通過不同摻合料配比實驗,對高性能混凝土中摻合料比例對混凝土性能影響進行了分析,認為摻合料能夠在一定程度上提升高性能混凝土的抗凍和抗鹽性。在本文的分析中,創(chuàng)新性引入了引氣劑這一材料,著重強調凍融環(huán)境下?lián)胶狭虾鸵龤鈩炷列阅?抗壓強度和抗凍融性能)的影響,就兩種材料的種類、顆粒大小、質量配比等指標對混凝土性能的影響進行綜述。

1 凍融環(huán)境對混凝土結構影響

1.1 混凝土結構凍融破壞機理

常用混凝土通常都是一種由水泥砂漿配合碎石、卵石或其他高分子粗骨料形成的毛細孔多孔體。為獲得建筑施工過程所需的和易性,在進行混凝土攪拌時通常都會在混合料中加入多于水泥的水化水。由于混凝土為毛細孔多孔體結構,這一部分多余的水化水便會以游離水的形式滯留其中,形成了凍融環(huán)境下影響混凝土結構的主要內在因素。毛細孔中的游離水在混凝土結構中占有一定的體積,當外界溫度降低至水在自然狀態(tài)下的凝固點時,游離水會因結冰而膨脹,導致原有的體積變大,最終形成引起混凝土內部結構被破壞的隱患。圖1 所示為凍融環(huán)境下混凝土結構受損情況。

圖1 凍融環(huán)境下混凝土結構受損情況Fig.1 Damage of concrete structure under freeze-thaw environment

然而,單純的游離水結冰實際并不足以導致混凝土內部結構被嚴重破壞?；炷猎跀嚢璩尚偷倪^程中除形成一部分毛細孔外,還會因為水泥水化而在結構內部形成一部分膠凝孔等,這些膠凝孔或其他非毛細孔中常常存在一部分空氣,一般游離水結冰體積膨脹時會起到一定的緩沖作用,從而減少內部結構壓力。但在凍融環(huán)境下時,混凝土結構中的游離水會反復處于飽和水狀態(tài),此時一旦毛細孔中的水結冰,膠凝孔以及其他非毛細孔中的水會因過冷導致冰核溫度低于-78℃,因蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細孔中冰的界面滲透[4]。由此帶來了凍融環(huán)境下混凝土內部結構除游離水結冰體積增大而產生的膨脹壓外的另一種滲透壓力。在反復凍融以后,兩種壓力的同時作用往往會導致混凝土結構發(fā)生嚴重開裂,最終裂縫互相貫通混凝土內部結構強度逐漸喪失。

1.2 凍融環(huán)境對混凝土結構的危害

混凝土結構長期處于凍融環(huán)境下,會因內部膨脹壓和滲透壓的作用而開裂,最終導致混凝土抗壓強度、抗拉強度以及彈性模量等性能的逐漸降低,由此帶來的混凝土結構基本力學性能下降將會導致混凝土結構承載能力以及長期使用性能的逐漸喪失。姜志煒等[5]對混凝土凍融循環(huán)破壞機理與改善方法進行分析,認為凍融環(huán)境對混凝土結構性能危害主要集中在質量、彈性模量、抗拉強度、抗折強度以及抗壓強度等方面,指出了影響凍融環(huán)境混凝土結構的因素有:水灰比、引氣劑、單摻混合料、復摻混合料以及天然集料等。本文將集中分析摻合料、引氣劑等對凍融環(huán)境下混凝土的影響。

2 影響凍融環(huán)境下混凝土結構因素分析

2.1 摻合料

以材料是否具活性可將摻合料分為活性摻合料、非活性摻合料；以材料摻合方式可將摻合料分為單摻混合料、復摻混合料(圖2)。

圖2 摻合料成分與劃分Fin.2 Composition and division of admixtures

活性礦物摻合料本身不具備硬化能力或者硬化速度非常緩慢,但在與水泥水或石灰、消石灰等鈣質材料融合攪拌后,能夠生成氫氧化鈣反應或凝結反應,進而生成具有膠凝能力的水化產物或直接硬化等。通常常用的活性礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、磨細礦渣等。非活性摻合料是指在不損壞水泥性能的前提下直接將摻合料加入水泥中,充分摻合填充作用等的材料。非活性摻合料基本不與石灰、消石灰或水泥水等水泥組分發(fā)生反應,常見非活性礦物摻合料有石灰石、磨細石英砂等。

單摻混合料即以單獨某一種材料作為摻合料與混凝土進行組合進而影響混凝土凍融環(huán)境下性能,常見單摻混合料有粉煤灰、礦渣等。單摻混合料摻量質量百分比是影響混凝土凍融環(huán)境性能的主要因素之一,通常單摻混合料質量比在10%～30% 時并不能有效緩解凍融環(huán)境下混凝土內部結構損壞。復摻混合料是將粉煤灰、礦渣、引氣劑等材料進行交互混合所形成的摻合料,通常能夠獲得疊加效應,獲得等于或高于兩不同摻合料質量損失率和相對動彈性模量之和。

2.2 引氣劑

引氣劑即加氣劑,主要包括松香樹脂、石油磺鹽酸等物質,是一種具備憎水性的表面活性劑。引氣劑在溶于水泥水以后經過充分攪拌,能夠在攪拌物內部產生大量均勻分布的微小氣泡,這些氣泡由于具備閉合、穩(wěn)定的物理性狀能夠全面提升混凝土拌合物的和易性、保水性和粘聚性。引氣劑的出現(xiàn),實現(xiàn)了凍融環(huán)境下降低混凝土熱擴散及傳導系數(shù)的目的,提高了凍融環(huán)境下混凝土結構的體積穩(wěn)定性,增強了大壩、港口、高速公路等野外結構的耐候性,延長了高寒地區(qū)混凝土設施的使用壽命。

3 凍融環(huán)境下?lián)胶狭吓c引氣劑對混凝土影響分析

3.1 摻合料影響分析

3.1.1 顆粒大小

周斌等[6]針通過實驗對凍融環(huán)境下大顆粒摻合料及小顆粒摻合料對混凝土的影響進行了對比,結果表明,不論大小顆粒摻合料等的添加均能夠使混凝土的抗壓強度與抗凍融能力獲得提升,但隨著摻合料質量配比的不斷提升,小顆粒摻合料對混凝土能夠充分填充混凝土組分中的空隙,在提升混凝土結構抗壓強度的同時,降低了混凝土結構的抗凍融能力。這是因為摻合料粒徑過小會改變混凝土的氣孔率,進而引發(fā)凍融破壞,因此在實際摻合料添加過程中應充分考慮摻合料粒徑及其質量配比,在充分保證混凝土獲得較高力學性能的同時,提升其抗凍融能力。

3.1.2 種類

張立群等[7]針對硅灰、粉煤灰等摻合料(單摻或復摻)對混凝土抗鹽凍性能的影響進行實驗分析,結果表明:對強度等級達到C30、C40 等級的混凝土而言,在單摻硅灰(質量比5 %)條件下,其抗凍融能力隨摻合料中硅灰的加入而穩(wěn)定提升并于6 次凍融循環(huán)以后達到一穩(wěn)定值；在單摻硅灰(質量比5 %、10 %、15 %)條件下,混凝土抗凍融能力隨硅灰含量提升而提升,在凍融循環(huán)達到14 次時15 % 硅灰混凝土抗凍融能力最高；在單摻粉煤灰(質量比15 %)條件下,混凝土抗凍融能力受摻合料影響而略有提高,但影響不大；復摻條件下,摻合料對混凝土抗凍融能力的影響并不顯著,這是由于混合料的摻入一定程度上降低了混凝土中水泥的用量,而摻合料為混凝土結構帶來的力學性能的提升并不能完全抵消水泥較少所帶來的副作用。因此,張立群的研究也表明不論單摻、復摻,摻合料的質量配比都需要嚴格把控,保證摻合料對混凝土抗凍融能力的提升達到最佳[8]。

3.2 引氣劑影響分析

侯曉晶等[9]就水灰比、摻合料摻合方式以及是否加入引氣劑等條件為約束,對凍融環(huán)境下引氣劑對混凝土抗凍能力、力學性能影響進行分析,結果表明:當混凝土中水灰比、摻合料等條件不變時,引氣劑的加入能夠顯著提升混凝土抗凍性能,即便在100 次凍融循環(huán)實驗之后,加入引氣劑的混凝土仍然能夠保證幾乎不損失動彈性模量,在完成300 次凍融循環(huán)以后,混凝土的動彈性模量才開始有所下降,但自身的抗凍能力依然較為可觀。郭琦等[10]針對橡膠混凝土在凍融循環(huán)下的損傷規(guī)律進行分析,橡膠粉在混凝土結構中能夠起到一定的固體引氣劑作用,緩解凍融環(huán)境下混凝土結構的危害,認為在摻量(質量百分比)為10～30 %、摻加橡膠粉粒徑為80～20 目條件下,橡膠混凝土能夠獲得最佳的抗凍融能力。整體而言,引氣劑對提升混凝土抗凍融能力影響較為顯著。

4 結語

隨著我國基礎工程建設事業(yè)的飛速發(fā)展,高海拔、高緯度等地區(qū)的基建作業(yè)越來越頻繁,面臨的低溫作業(yè)及工程結構長期低溫環(huán)境考驗越來越多。本文針對摻合料粒徑大小、種類以及引氣劑等對混凝土抗凍融能力影響進行綜合分析,旨在總結相關領域研究結論,為材料領域、基礎建設領域發(fā)展提供理論支持。