韓佳琪

(滄州水利勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河北 滄州 061000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)研究使用的是P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑范圍5～20 mm的連續(xù)級(jí)配人工石灰?guī)r碎石；細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.65；試驗(yàn)用水為普通自來水；減水劑為聚羧酸高效減水劑。

試驗(yàn)用聚乙烯醇纖維為徐州永泰化工科技有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：長度12 mm，直徑15 μm，斷裂伸長率6.9%，抗壓強(qiáng)度1830 MPa，彈性模量40 GPa，密度1.29 g/cm3。

試驗(yàn)用納米二氧化硅為天津新科科技有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：粒徑20 nm，體積密度0.06 g/cm3，比表面積240 m2/g，純度為99.85%。

1.2 試驗(yàn)方案

研究中以水工建設(shè)中常用的C30混凝土為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅的摻量參考相關(guān)單摻試驗(yàn)的研究成果確定[1-5]。此次試驗(yàn)僅以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式探討復(fù)摻方案對(duì)水工混凝土抗凍性的影響，不考慮聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅不同摻量水平配比可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[6]。其中，聚乙烯醇纖維的摻加量以體積分式0.1%確定，納米二氧化硅的摻量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%替代等量水泥材料，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和材料用量如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)方案單方配合比 kg

1.3 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的長方體試件。在混凝土材料制作過程中，首先按照配合比方案設(shè)計(jì)稱量好各種試驗(yàn)材料，并將粗骨料、細(xì)骨料和水泥倒入攪拌機(jī)攪拌1 min。對(duì)于普通混凝土，加入水?dāng)嚢?0 s；對(duì)于單摻聚乙烯醇纖維方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入水?dāng)嚢?0 s；對(duì)于單摻納米二氧化硅方案，則加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s；對(duì)于復(fù)摻方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s。將制作完成的混凝土材料迅速倒入試模成型，在脫模編號(hào)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期備用。

試件的凍融試驗(yàn)采用NELD-BFC 型快速凍融試驗(yàn)機(jī)，并按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的快凍法要求進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和對(duì)比分析，對(duì)不同方案試件的抗凍性進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)試驗(yàn)中測試的試件質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量損失率，結(jié)果如表2所示。為了直觀呈現(xiàn)質(zhì)量損失率的變化規(guī)律，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各方案試件的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先小幅減小后不斷增大的變化特點(diǎn)。在凍融循環(huán)25次時(shí)各方案試件的質(zhì)量均有小幅增加，原因是在凍融循環(huán)初期，試件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些微裂隙并吸水，同時(shí)在微裂隙中產(chǎn)生一些水化物沉積，而混凝土試件表面剝落較為有限，因此試件的質(zhì)量表現(xiàn)為小幅增加。之后，隨著試件表面剝落情況逐漸趨于嚴(yán)重，試件質(zhì)量不斷下降，且下降的速率也不斷加快。從不同試驗(yàn)方案的對(duì)比來看，單摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的質(zhì)量損失率均小于普通混凝土方案，說明兩者均具有提高混凝土抗凍性的作用。相對(duì)而言，摻加聚乙烯醇纖維方案的效果更佳，原因可能是摻加聚乙烯醇纖維方案更有利于控制混凝土表面和內(nèi)部的微裂隙，減少凍融循環(huán)下混凝土試件表面剝落。4種試驗(yàn)方案對(duì)比，復(fù)摻方案的優(yōu)勢最為明顯，100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率最小，原因是復(fù)摻方案可以充分發(fā)揮兩種材料的抗凍作用，因此抗凍性能更佳。

圖1 質(zhì)量損失率變化曲線

表2 各方案質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果 %

2.2 相對(duì)動(dòng)彈模量

根據(jù)試驗(yàn)中測試的試件質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)彈模量，結(jié)果如表3所示。為了直觀呈現(xiàn)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出動(dòng)彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加各方案的相對(duì)動(dòng)彈模量均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的速率不斷加快。從不同試驗(yàn)方案的橫向?qū)Ρ葋砜?，在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，單摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的相對(duì)動(dòng)彈模量均大于普通混凝土方案，說明兩者均具有提高混凝土抗凍性的作用。相對(duì)而言，摻加聚乙烯醇纖維方案的效果更佳。4種試驗(yàn)方案中，相對(duì)動(dòng)彈模量最大的是復(fù)摻方案，說明復(fù)摻方案更有利于提高凍融循環(huán)作用下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線

表3 各方案相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果 %

2.3 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)中測試的試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。為了直觀呈現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究中計(jì)算獲取不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度損失率，其變化曲線如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的初始抗壓強(qiáng)度值最大，其次是單摻聚乙烯醇纖維方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的初始抗壓強(qiáng)度值最小。究其原因，主要是在混凝土摻入聚乙烯醇纖維或納米二氧化硅能夠有效提升混凝土的整體性和密實(shí)度，可以提升混凝土的初始抗壓強(qiáng)度。另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢。相對(duì)而言，復(fù)摻方案的抗壓強(qiáng)度損失率增加最慢，其次是單摻聚乙烯醇方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的抗壓強(qiáng)度損失率增加幅度最大。由此可見，復(fù)摻方案的初始抗壓強(qiáng)度最大，且抗壓強(qiáng)度損失率最小，具有顯著的優(yōu)勢。

圖3 抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

3 結(jié) 語

在寒區(qū)水利工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融性能十分重要，是影響工程質(zhì)量和耐久性的重要因素。此次研究利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了聚乙烯醇纖維-納米二氧化硅水工混凝土抗凍性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在水工混凝土中同時(shí)摻入聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅與單摻二氧化硅或聚乙烯纖維方案相比，可以有效降低凍融循環(huán)條件下的質(zhì)量損失率，提高其相對(duì)動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度，具有良好的抗凍性。研究結(jié)論可以為理論研究和工程實(shí)踐提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，此次研究僅針對(duì)單一摻量水平展開，在今后的研究中應(yīng)該針對(duì)聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅的不同摻量水平組合展開試驗(yàn)，以獲得最佳摻量水平組合，為工程設(shè)計(jì)建設(shè)提供更有利的支持。