高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務(wù)中心,遼寧 鞍山 114300)

我國(guó)地域遼闊,北方冬天水工建筑物常處于極冷的凍融循環(huán)環(huán)境,這也是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要因素,凍融引起的破壞類型主要有表面崩裂、表層剝落和膨脹劣化三種。調(diào)查顯示,我國(guó)北方地區(qū)普遍存在凍融危害,并以東北地區(qū)最為嚴(yán)重,其中90%的新建混凝土工程都存在大面積或局部的凍融破壞。為維持水利工程的正常運(yùn)行,持續(xù)發(fā)揮其功能作用,每年都要投入巨額的費(fèi)用用于維修[1]。因此,增強(qiáng)抗凍性能是保證水工混凝土耐久性的重要方法之一,實(shí)際工程中主要通過(guò)摻入一定礦物摻合料的方式增強(qiáng)混凝土的抗侵蝕、抗氯離子滲透和抗?jié)B性能[2-5]。

在水工混凝土中使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣和鋼渣微粉有各自的優(yōu)缺點(diǎn),如同時(shí)摻粉煤灰、礦渣和鋼渣微粉,可以實(shí)現(xiàn)不同摻合料之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),比單摻礦渣、鋼渣微粉和優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有更顯著效果[6-7]。鑒于此,文章探討水工混凝土抗凍性能受復(fù)合微粉的影響作用,并深入分析不同凍融循環(huán)條件下動(dòng)彈模量變幅及抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,以期為北方寒冷地區(qū)水工混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用沈陽(yáng)冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥,沈陽(yáng)熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰,鞍山市大石橋鑫宇礦粉廠提供的S95級(jí)?；呔G礦渣粉以及上海寶鋼生產(chǎn)的鋼渣粉。粗集料為連續(xù)級(jí)配碎石,粒徑5～25mm,含水量0.5%,含泥量1.2%,表觀密度2660kg/m3;細(xì)集料用細(xì)度模數(shù)2.8的天然河砂,含水量2.0%,含泥量2.0%,表觀密度2610kg/m3。拌合水用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》初步設(shè)計(jì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種復(fù)合微粉摻量,其中Ⅰ型復(fù)合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1∶1∶2,Ⅱ型復(fù)合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1∶2∶1,Ⅲ型復(fù)合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=2∶1∶1,Ⅳ型復(fù)合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1:3:1,設(shè)計(jì)J為基準(zhǔn)組,利用四種復(fù)摻微粉等量替代0%、5%、10%、20%、30%、40%水泥,配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)試方法

采用“快凍法測(cè)定”凍融循環(huán)作用下標(biāo)養(yǎng)28d各組試件的抗凍性能,凍融循環(huán)程序?yàn)?90min內(nèi)從5℃降低溫度至-20℃,低溫-20℃維持80min,40min內(nèi)從-20℃升高溫度至5℃,高溫5℃維持30min,一個(gè)凍融周期4h,如此循環(huán)往復(fù)。試驗(yàn)儀器選用KDR-9V型快速凍融試驗(yàn)機(jī),參照表1中的配合比成型養(yǎng)護(hù)試件尺寸為100mm×100mm×100mm,每組3個(gè)試件,取3個(gè)數(shù)據(jù)平均值為該組試驗(yàn)結(jié)果,每?jī)鋈谘h(huán)25次測(cè)定一次抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量,共凍融100次。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

摻復(fù)合微粉水工混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖1所示。

(a)Ⅰ型復(fù)合微粉

由圖1(a)可知,未凍融時(shí)基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度高于Ⅰ型復(fù)合微粉組。凍融循環(huán)25次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅰ-10<Ⅰ-40<Ⅰ-5<Ⅰ-20<Ⅰ-30,其中Ⅰ-10組混凝土抗壓強(qiáng)度(19.5MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(15.2MPa)增大28.3%;凍融循環(huán)50次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅰ-5<Ⅰ-10<Ⅰ-30<Ⅰ-40<Ⅰ-20,其中Ⅰ-5組混凝土抗壓強(qiáng)度(12.8MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(8.6MPa)增大48.8%;凍融循環(huán)75次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅰ-5<Ⅰ-10<Ⅰ-30<Ⅰ-20<Ⅰ-40,其中Ⅰ-5組混凝土抗壓強(qiáng)度(7.6MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(4.5MPa)增大68.9%;凍融循環(huán)100次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)棰?20<Ⅰ-10

由圖1(b)可知,未凍融時(shí)基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度高于Ⅱ型復(fù)合微粉組。凍融循環(huán)25次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)棰?10

由圖1(c)可知,未凍融時(shí)基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度高于Ⅲ型復(fù)合微粉組。凍融循環(huán)25次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅲ-10<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-20<Ⅲ-30;凍融循環(huán)50次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-10<Ⅲ-20<Ⅲ-30,抗壓強(qiáng)度隨Ⅲ型復(fù)合微粉摻量的增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì),其中Ⅲ-40組混凝土抗壓強(qiáng)度(11.6MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(8.6MPa)增大34.9%;凍融循環(huán)75次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅲ-10<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-20<Ⅲ-30,其中Ⅲ-10組混凝土抗壓強(qiáng)度(10.8MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(4.5MPa)增大144.4%;凍融循環(huán)100次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)棰?40<Ⅲ-20

由圖1(d)可知,未凍融時(shí)基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度高于Ⅳ型復(fù)合微粉組。凍融循環(huán)25次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅳ-40<Ⅳ-30<Ⅳ-5<Ⅳ-20<Ⅳ-10,抗壓強(qiáng)度隨Ⅳ型復(fù)合微粉摻量的增加呈先上升后下降的變化特征,其中Ⅳ-40組混凝土抗壓強(qiáng)度(30.0MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(15.2MPa)增大97.4%;凍融循環(huán)50次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅳ-40<Ⅳ-5<Ⅳ-20<Ⅳ-30<Ⅳ-10,其中Ⅳ-40組混凝土抗壓強(qiáng)度(21.5MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(8.6MPa)增大150.0%;凍融循環(huán)75次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅳ-10<Ⅳ-40<Ⅳ-30<Ⅳ-20<Ⅳ-5,其中Ⅳ-10組混凝土抗壓強(qiáng)度(18.1MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(4.5MPa)增大304.4%;凍融循環(huán)100次時(shí),從低到高各組試件抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镴-0<Ⅳ-30<Ⅳ-40<Ⅳ-5<Ⅳ-10<Ⅳ-20,其中Ⅳ-30組混凝土抗壓強(qiáng)度(29.4MPa)相較于J-0基準(zhǔn)組(20.4MPa)增大44.1%。綜上分析,在凍融循環(huán)25～100次時(shí)摻Ⅳ型復(fù)合微粉混凝土抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組,這表明水工混凝土摻Ⅳ型復(fù)合微粉能夠顯著增強(qiáng)其抗凍性,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加摻20%Ⅳ型復(fù)合微粉混凝土的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較小,故研究認(rèn)為20%是Ⅳ型復(fù)合微粉最優(yōu)摻量。

總體而言,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后未摻復(fù)合微粉基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度降幅較大,摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復(fù)合微粉組抗壓強(qiáng)度降幅相對(duì)較小。工程實(shí)踐中,應(yīng)考慮混凝土抗凍性能、強(qiáng)度等要求,經(jīng)多次試配調(diào)整合理選擇復(fù)合微粉摻量和配比[8-10]。

2.2 動(dòng)彈模量試驗(yàn)

為評(píng)定復(fù)合微粉最優(yōu)摻量的有效性和適用性,試驗(yàn)探討了水工混凝土摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復(fù)合微粉時(shí)的動(dòng)彈性模量,結(jié)合不同凍融循環(huán)下動(dòng)彈性模量的變化幅度判斷復(fù)合微粉增強(qiáng)抗凍性的作用效應(yīng),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a)Ⅰ型復(fù)合微粉 (b)Ⅱ型復(fù)合微粉

由圖2(a)可知,不同凍融循環(huán)次數(shù)下?lián)舰?5、Ⅰ-10、Ⅰ-20、Ⅰ-30、Ⅰ-40復(fù)合微粉組的最大與最小動(dòng)彈模量之比依次為2.03、1.78、2.52、1.96、1.49,并以Ⅰ-40復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量變化幅度最小,這表明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加摻40%Ⅰ型復(fù)合微粉混凝土動(dòng)彈性模量波動(dòng)較小,具有更優(yōu)的抗凍性能。

由圖2(b)可知,不同凍融循環(huán)次數(shù)下?lián)舰?5、Ⅱ-10、Ⅱ-20、Ⅱ-30、Ⅱ-40復(fù)合微粉組的最大與最小動(dòng)彈模量之比依次為1.51、2.48、10.44、6.69、2.41,并以Ⅱ-5復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量變化幅度最小,這表明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加摻5%Ⅱ型復(fù)合微粉混凝土動(dòng)彈性模量波動(dòng)較小,具有更優(yōu)的抗凍性能。

由圖2(c)可知,不同凍融循環(huán)次數(shù)下?lián)舰?5、Ⅲ-10、Ⅲ-20、Ⅲ-30、Ⅲ-40復(fù)合微粉組的最大與最小動(dòng)彈模量之比依次為1.49、1.19、1.37、1.31、1.51,并以Ⅲ-10復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量變化幅度最小,但通過(guò)對(duì)比分析可知,各凍融循環(huán)次數(shù)下Ⅲ-30復(fù)合微粉組均高于Ⅲ-10組的動(dòng)彈性模量,并且Ⅲ-30復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量變化幅度<Ⅲ-5、Ⅲ-20、Ⅲ-40組,故研究認(rèn)為抗凍性能更好的是Ⅲ-10復(fù)合微粉組試件。

由圖2(d)可知,不同凍融循環(huán)次數(shù)下?lián)舰?5、Ⅳ-10、Ⅳ-20、Ⅳ-30、Ⅳ-40復(fù)合微粉組的最大與最小動(dòng)彈模量之比依次為1.61、1.30、1.33、3.41、1.31,并且Ⅳ-10、Ⅳ-20、Ⅳ-40復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量變化幅度相對(duì)較小,鑒于凍融循環(huán)過(guò)程中Ⅳ-20復(fù)合微粉組的動(dòng)彈性模量較高的情況,研究認(rèn)為抗凍性能相對(duì)較好的是Ⅳ-20復(fù)合微粉組試件。

綜上分析,動(dòng)彈性模量與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所確定的水工混凝土Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復(fù)合微粉最優(yōu)摻量基本相同,最優(yōu)摻量依次為40%、5%、30%和20%。工程使用時(shí)應(yīng)考慮混凝土抗凍性能、強(qiáng)度等要求,經(jīng)多次試配調(diào)整合理選擇復(fù)合微粉摻量和類型。

3 結(jié) 論

1)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后未摻復(fù)合微粉基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度降幅較大,摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復(fù)合微粉組抗壓強(qiáng)度降幅相對(duì)較小,且隨凍融次數(shù)的增加摻復(fù)合微粉混凝土的動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較小,這表明水工混凝土摻復(fù)合微粉能夠有效改善其抗凍性能。

2)動(dòng)彈性模量與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所確定的水工混凝土Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復(fù)合微粉最優(yōu)摻量基本相同,最優(yōu)摻量依次為40%、5%、30%和20%。工程使用時(shí)應(yīng)考慮混凝土抗凍性能、強(qiáng)度等要求,經(jīng)多次試配調(diào)整合理選擇復(fù)合微粉摻量和類型。