劉 娜

(凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200 )

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土水渠的抗凍性能研究主要集中于對(duì)混凝土性能的改進(jìn)，研究方法包括室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析等[1-9],聚酰胺類樹脂是一種新型混凝土材料，其工程性能大大優(yōu)于普通混凝土材料。采用聚酰胺類樹脂材料，通過(guò)凍融試驗(yàn)探究了聚酰胺類樹脂混凝土在循環(huán)凍融情況下的抗凍性能，并探討了混凝土質(zhì)量以及抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

1 材料及試驗(yàn)

1.1 原材料

本文采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求，通過(guò)XRD光譜分析測(cè)得其主要的化學(xué)成分為SiO2、Al2O3，CaO。聚酰胺類樹脂材料表觀密度27.7 kg/m3。表1為硅灰各組分含量百分比。

表1 硅灰各組分含量 %

1.2 配合比

根據(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，此次試驗(yàn)配料中，聚酰胺類樹脂的配比為220 kg/m3，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3，普通混凝土的配比為砂540 kg/m3，石子960 kg/m3，硅灰102 kg/m3。建筑混凝土抗凍等級(jí)均為F50, 防滲要求的混凝土抗?jié)B等級(jí)為W6, 因此在進(jìn)行試驗(yàn)之前所有試驗(yàn)均要滿足工程要求。試驗(yàn)前先將水泥和聚酰胺類樹脂倒入攪拌機(jī)中攪拌3 min，使其拌和均勻后加入水，再均勻攪拌4 min，同時(shí)制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm× 400 mm的成型箱中振動(dòng)成型，待觀察無(wú)任何凝結(jié)跡象，抗壓強(qiáng)度無(wú)任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)中的快凍法開展凍融循環(huán)試驗(yàn)。除制作凍融試驗(yàn)的試件外，制作同樣形狀、尺寸，且中心埋有溫度傳感器的測(cè)溫試件，測(cè)溫試件應(yīng)采用防凍液作為凍融介質(zhì)。制作完成的混凝土試塊編號(hào)后放入套筒中，隨后將凍融試件放在(20±2) ℃水中浸泡，浸泡時(shí)水面高出試件頂面25 mm，水中浸泡時(shí)間為4 d，試件在28 d齡期時(shí)開始進(jìn)行凍融試驗(yàn)。設(shè)定凍融冰箱試件的最低溫度為-20°，融化溫度為5 ℃。一個(gè)凍融循環(huán)為4 h，其中融化環(huán)節(jié)耗時(shí)不能低于1 h。此外，連續(xù)凍融20次檢查一次混凝土試塊外表面，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行記錄。累計(jì)凍融50次后，檢查混凝土外表面的頻次由之前的20次凍融變成10次凍融， 累計(jì)凍融300次后試驗(yàn)結(jié)束，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析凍融變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土抗凍性能

依照標(biāo)準(zhǔn), 混凝土的抗凍等級(jí)F為相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù), 圖1給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍性能變化情況。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但加入聚酰胺類樹脂材料的混凝土相對(duì)彈性降低速度明顯比普通混凝土緩慢，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，普通混凝土幾乎已經(jīng)達(dá)到了抗凍等級(jí)F，而聚酰胺類樹脂材料混凝土此時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量為72%，抗凍等級(jí)遠(yuǎn)高于普通混凝土。這是由于普通混凝土中水遇冷結(jié)冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低，當(dāng)溫度降低到0 ℃ 以下時(shí)，促使水變成為冰，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損傷混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。而加聚酰胺類樹脂后，混凝土抗凍性能增加是由于其減少了由混凝土內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫，特別是混凝土在塑性階段干燥脫水所產(chǎn)生的裂縫。此外，聚酰胺類樹脂的加入有一定的引氣作用，有效地減少了在成型時(shí)包裹氣泡的逃逸，且降低了參與抵抗凍融時(shí)的膨脹壓力與滲透壓力，減少裂縫的擴(kuò)展，從而提高了混凝土的抗凍融能力。

圖1 抗凍性能變化情況

2.2 混凝土質(zhì)量損失率

圖2給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的質(zhì)量變化情況。由圖可知，在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)之前，普通混凝土的質(zhì)量為9.56 kg，聚酰胺類樹脂混凝土的質(zhì)量為8.98 kg；凍融150次后，普通混凝土質(zhì)量損失2.3%，聚酰胺類樹脂混凝土僅損失1.7%；凍融300次后。

圖2 質(zhì)量變化情況

普通混凝土質(zhì)量損失降低至9.23 kg，聚酰胺類樹脂混凝土降低至8.76 kg，質(zhì)量損失分別為3.5%和2.5%。由此可以看出，聚酰胺類樹脂的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質(zhì)量損失，這是由于摻加聚酰胺類樹脂減緩了水對(duì)試件入侵，降低基體內(nèi)部?jī)雒浟?，還具有良好的黏結(jié)作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。此外，凍融對(duì)混凝土剝蝕破壞作用的大小取決于混凝土的抗凍性能、飽水程度、凍融循環(huán)次數(shù)等種種因素，因此在入冬后的北方，更要對(duì)這些因素加以重視。圖3為普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的質(zhì)量損失百分比。

圖3 質(zhì)量損失百分比

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的抗壓強(qiáng)度變化情況。由圖可知，當(dāng)兩種混凝土未進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí)，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于改良后的混凝土強(qiáng)度，但二者在凍融次數(shù)為100次時(shí)，聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，此時(shí)強(qiáng)度高于普通混凝土。當(dāng)凍融次數(shù)為300次時(shí)，普通混凝土強(qiáng)度減低至4.2 MPa，而聚酰胺類樹脂混凝土的強(qiáng)度達(dá)到4.5 MPa。在混凝土的制備過(guò)程中內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，加入聚酰胺類樹脂后，聚酰胺類樹脂與基體間黏結(jié)緊密，形成的復(fù)合混凝土?xí)p小缺陷的程度，對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)，因此在多次凍融循環(huán)后其強(qiáng)度高于普通混凝土。

圖4 抗壓強(qiáng)度變化

3 結(jié) 論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但加入聚酰胺類樹脂材料的混凝土相對(duì)彈性降低速度明顯緩慢與普通混凝土。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，聚酰胺類樹脂材料混凝土此時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量為72%，抗凍等級(jí)遠(yuǎn)高于普通混凝土。

(2)聚酰胺類樹脂的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質(zhì)量損失。凍融300次后，普通混凝土質(zhì)量損失降低至9.23 kg，聚酰胺類樹脂混凝土降低至8.76 kg，質(zhì)量損失分別為3.5%和2.5%。

(3)未進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí)，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度是高于改良后的混凝土強(qiáng)度的，但二者在凍融次數(shù)為100次時(shí)，聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，此時(shí)強(qiáng)度高于普通混凝土。當(dāng)凍融次數(shù)為300次時(shí)，普通混凝土強(qiáng)度減低至4.2 MPa，而聚酰胺類樹脂混凝土的強(qiáng)度達(dá)到4.5 MPa。