水工混凝土抗凍性能影響因素研究

溫寶山，王興庭，周明學(xué)

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司試驗(yàn)中心，湖北 宜昌 443133；2.巴斯夫化學(xué)建材武漢分公司，湖北 武漢 430000）

1 概述

凍融破壞是水工混凝土結(jié)構(gòu)老化病害的主要原因之一，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的使用壽命和安全運(yùn)行，因此抗凍性是評(píng)價(jià)寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)。混凝土遭受凍融侵蝕是一個(gè)較為復(fù)雜的物理劣化過程，包含滲透擴(kuò)散、凍融循環(huán)、開裂破壞等次生過程，影響混凝土抗凍性能的因素也較為復(fù)雜。以下通過一系列室內(nèi)快速凍融試驗(yàn)，研究混凝土在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律，探討混凝土含氣量、粗骨料種類及粒徑、粉煤灰摻量、人工砂石粉含量及水膠比對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

2 凍融試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用中熱水泥，I級(jí)粉煤灰，除“人工砂石粉含量對(duì)抗凍性能影響”部分試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)所采用的人工砂細(xì)度模數(shù)為2.60。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，凍融溫度為-25～20℃，凍融循環(huán)一次歷時(shí)2～4 h，在進(jìn)行規(guī)定次數(shù)凍融循環(huán)后計(jì)算試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失或重量損失。

3 結(jié)果分析

3.1 含氣量的影響

混凝土毛細(xì)孔里的水分結(jié)冰時(shí)，體積會(huì)隨之增大，需要孔隙擴(kuò)展結(jié)冰水體積，或者把多余的水沿試件邊界排出，或者二者同時(shí)發(fā)生，這個(gè)過程形成水壓力，其大小取決于結(jié)冰處至“逸出邊界”的距離、材料的滲透性以及結(jié)冰速率。飽和的水泥漿體試件中，除非漿體里每個(gè)毛細(xì)孔距最近的逸出邊界不超過75～100 m，否則就會(huì)產(chǎn)生破壞壓力，這么小的間距可以通過摻用適當(dāng)?shù)囊龤鈩﹣磉_(dá)到[1]，因此，引氣劑能夠有效地減小混凝土受凍損傷。有試驗(yàn)表明，冰凍至-24℃時(shí)，不引氣的水泥漿體試件伸長約1 600×10-6m，溶解至初始溫度時(shí)，可觀測到500×10-6m的永久伸長；引氣10%的試件在冰凍期間無明顯膨脹，融解循環(huán)結(jié)束時(shí)無殘余膨脹[2]。多數(shù)水工混凝土中摻加引氣劑，以達(dá)到良好的抗凍耐久性，水工混凝土含氣量與相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系見圖1。

由圖1可以看出，含氣量對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響十分顯著，但含氣量達(dá)到6.2%，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低幅度與含氣量為5.1%時(shí)基本相同，抗凍性能不再因含氣量的增加而改善，說明含氣量對(duì)抗凍性能的增強(qiáng)作用存在一個(gè)極限飽和點(diǎn)，在飽和點(diǎn)以下含氣量對(duì)混凝土抗凍性能的貢獻(xiàn)顯著，但含氣量超過了飽和點(diǎn)，抗凍性能不再隨著含氣量的增加而增強(qiáng)。

3.2 水膠比的影響

混凝土含氣量為4.5%時(shí)，水灰比對(duì)混凝土抗凍性能的影響見圖2。

圖2 水灰比對(duì)混凝土抗凍性能的影響

由圖2可以看出，相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失的變化說明，水膠比越大，混凝土的抗凍性能越差，這是因?yàn)橛不炷恋目捉Y(jié)構(gòu)是由水灰比所決定，一般情況下，水化程度一定時(shí)水灰比越大，硬化水泥漿體里的大孔體積越大，可凍水存在于大孔中，使得水灰比較高的水泥漿體中有較多的可凍水，因此抗凍性能較差，在凍融循環(huán)的過程中質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量降低較多。

3.3 粗骨料的影響

水泥漿基體引氣的混凝土仍可能受到凍融的損傷，這種情況是否會(huì)發(fā)生，很大程度上取決于骨料對(duì)冰凍作用的反應(yīng)，骨料飽和漿體結(jié)冰產(chǎn)生內(nèi)部壓力的機(jī)理同樣適用于用巖石生產(chǎn)的骨料，同時(shí)骨料的粒徑也會(huì)對(duì)混凝土的抗凍性能產(chǎn)生重要的影響。骨料種類對(duì)混凝土抗凍性能影響試驗(yàn)采用了白云巖、玄武巖和花崗巖3種骨料，骨料最大粒徑對(duì)抗凍性能的影響試驗(yàn)采用的骨料為花崗巖，骨料粒徑分別選用了水工混凝土常用的一級(jí)配(最大粒徑為20 mm)和二級(jí)配（骨料最大粒徑為40 mm，由于試件條件的限制，需對(duì)拌制好的混凝土進(jìn)行濕篩，濕篩后實(shí)際骨料最大粒徑為30 mm）2種混凝土，在含氣量為4.5%左右條件下進(jìn)行的凍融循環(huán)試驗(yàn)，骨料對(duì)抗凍性能影響見圖3、圖4。

圖3 骨料種類對(duì)混凝土抗凍性能的影響

骨料的這種抗凍性能的差異主要是因?yàn)閹r石本身的結(jié)構(gòu)造成的，玄武巖和花崗巖同屬于巖漿巖，而白云巖屬于沉積巖，從結(jié)構(gòu)上來說，沉積巖不如巖漿巖致密，表觀密度小，孔隙率和吸水率大，強(qiáng)度較低，因此抗凍耐久性也就較差[3]。

圖4 骨料粒徑對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

由圖4可以看出，隨著骨料最大粒徑的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量迅速下降，這是因?yàn)榛炷林泄橇狭接螅跍囟茸兓^程中骨料對(duì)水泥砂漿的變形約束愈大，同時(shí)骨料的增大使得砂漿與骨料間的界面增大，降低了混凝土的抗?jié)B性能，因此大粒徑混凝土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇降低。另外，骨料在混凝土抗凍融過程中存在“臨界骨料粒徑”，即在一定的孔徑分布、滲透性、飽和度與結(jié)冰速率條件下，大顆粒骨料可能會(huì)受凍害，但小顆粒則不會(huì)[4]。例如混凝土試件養(yǎng)護(hù)14 d后受到凍融循環(huán)時(shí)，粒徑為12～25 mm燧石的混凝土彈性模量降低50%時(shí)需要183個(gè)循環(huán)，而5～12 mm燧石、養(yǎng)護(hù)條件相同的混凝土試件則需要448個(gè)循環(huán)。但對(duì)于同一種骨料，臨界尺寸并非單一值，因?yàn)樗€取決于結(jié)冰速率、飽和度和骨料的滲透性。

3.4 粉煤灰的影響

混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)是影響混凝土受凍融破壞的關(guān)鍵因素，摻加摻和料能夠改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。粉煤灰混凝土在含氣量為5%時(shí)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果見圖5。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

由圖5可以看出，摻加20%粉煤灰混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量比不摻粉煤灰的略大，顯示出了好的抗凍性能，這是因?yàn)榉勖夯揖哂谢鹕交一钚裕芘c水泥水化過程中析出的氫氧化鈣進(jìn)行“二次反應(yīng)”，形成緊密的混凝土微觀結(jié)構(gòu)，改善了混凝土的界面，減少了過渡區(qū)，因此能提高混凝土的抗凍性能。在粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量迅速下降，粉煤灰的摻入能夠細(xì)化混凝土內(nèi)部空隙，增加結(jié)構(gòu)總空隙率[5]，同時(shí)降低了混凝土孔隙水的冰點(diǎn)[6]，使凍融破壞方式由靜水壓侵蝕向滲透壓侵蝕轉(zhuǎn)變，總空隙率的增加及滲透壓侵蝕會(huì)加速粉煤灰的凍融破壞，因此，粉煤灰摻量合適能夠提高混凝土的抗凍性能，但摻量過大對(duì)混凝土抗凍性能就會(huì)有一定的負(fù)面影響。

3.5 人工砂石粉含量的影響

人工砂石粉含量對(duì)混凝土抗凍性能的影響試驗(yàn)采用二級(jí)配混凝土，拌合物性能見表1,混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量見圖6。

表1 人工砂石粉含量對(duì)混凝土拌合物的影響

圖6 石粉含量與混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系圖

在含氣量一定時(shí)，人工砂石粉含量對(duì)混凝土的抗凍性能無明顯的影響，石粉含量對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響主要反映在了引氣劑的用量上，如表1所示。石粉含量每增加3%，混凝土要達(dá)到相同的含氣量引氣劑用量需增加1/10 000，因此在拌制高石粉含量的引氣混凝土?xí)r應(yīng)適當(dāng)加大引氣劑摻量，以達(dá)到良好的抗凍耐久性。

［1］ POWER，T.C.，The physical structure and Engingeering Properties of Concrete，Bulletin 90，Portland Cement Association，Skokie，IL，1958.

［2］庫馬.梅塔，保羅J.M.蒙特羅，混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料［M］.覃維祖，王棟民，丁建彤譯.北京：中國電力出版社，2008，9.

［3］彭小芹.土木工程材料［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.

［4］ Bloem，D.L.，Highway Res.，Vol.6，p.48-60，1963.

［5］林震，陳益民.外摻磨細(xì)礦渣與粉煤灰的水泥基材料的亞微觀結(jié)構(gòu)研究［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28(zl):6-10.

［6］袁曉露，李北星，等.粉煤灰混凝土的抗凍性能及機(jī)理分析［J］.混凝土，2008，(12):43-44.