外摻晶須對混凝土力學強度及耐久性影響試驗研究

王馨雪

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽 110000)

0 前 言

隨著我國城鎮化建設進程的不斷加快，對于基礎設施建設重要的混凝土原料亟需提高其強度和耐久性，因此，針對上述需求改性混凝土已經成為土木材料領域的重要研究方向。改性混凝土由于其相較于普通混凝土具有較高的耐久性，因此取得廣泛的應用，為了得到改性混凝土最優配比及降低生產成本，需要對外摻材料以及摻加量的影響開展研究[1-3]。硫酸鈣晶須以纖維狀晶體存在，其比表面積高及具有較高抵抗環境腐蝕的能力，同時，具有較低的生產成本和對環境的污染，呈現優異的材料性能，在材料制造領域具有廣泛的應用，對于外摻晶須對混凝土性能的影響，王修山等以外摻硫酸鈣晶須改性混凝土的路用特性為研究對象，得到外摻晶須能夠提高材料的水穩性及抗疲勞等性能；張冬梅等研究外摻晶須對混凝土材料的耐久性影響，主要從耐水性、抗裂性以及防滲性等方面開展研究；汪開放等研究不同晶須摻量條件下再生混凝土力學特性，不同晶須摻量影響材料的凝結時間及坍落度等特性；段世榮等利用泡沫膠混凝土外摻晶須，得到最優晶須摻量為3%，外摻晶須降低了材料的表面張力，汪小慶等利用室內試驗研究外摻硫酸鈣晶須對混凝土相對抗壓強度及變形模量的影響，并從細觀結構演化角度對外摻晶須的作用機理開展研究[4-10]。

文章以硫酸鈣晶須混凝土力學強度與耐久性為研究對象，研究改性混凝土相對抗壓強度、抗折強度及彈性模量等強度參數的演化規律，同時，考慮改性混凝土的耐久性能，從凍融相對抗壓強度及相對動彈性模量力學特性變化，研究硫酸鈣晶須混凝土耐久性。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗中選用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗細骨料分別為河砂、再生粗骨料及碎石，河砂為級配良好的天然中砂，天然粗骨料顆粒粒徑處于5-20 mm的天然碎石，再生粗骨料為試驗室或建筑廢棄破碎混凝土，原始強度為C30。

硫酸鈣晶須為長徑比100-150、莫氏硬度為3-4以及密度為2.69g/cm3的無水晶須，其基本性能指標如表1所示。

表1 硫酸鈣晶須基本性能指標

1.2 試驗方案

試驗重點研究不同硫酸鈣晶須摻量條件下混凝土力學強度以及抗凍性能，混凝土試件中晶須摻量分別為(0、1、2、3、6、7、9、10)kg·m-3，試驗中試件為棱柱體，尺寸為100×100×300mm，養護時間為28d，分別進行混凝土壓縮試驗及抗折試驗，分別研究不同硫酸鈣晶須摻量條件下混凝土抗壓強度、彈性模量等。同時，為研究外摻硫酸鈣晶須混凝土的耐久性，開展凍融循環作用下硫酸鈣晶須混凝土壓縮試驗，研究硫酸鈣晶須混凝土凍融相對抗壓強度及相對動彈性模量變化規律。

2 混凝土力學強度變化

根據混凝土壓縮試驗，可以得到硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強度、彈性模量，隨著施加于混凝土試件上外部荷載的逐漸增大，試件中裂縫不斷生成與擴展，并伴隨有試件邊緣的剝落，區別于無摻加硫酸鈣晶須普通混凝土，硫酸鈣晶須混凝土無論是在加載過程中還是最終破壞狀態下，試件觀察到的裂縫尺寸小于普通混凝土。不同硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強度、彈性模量以及抗折強度的隨硫酸鈣晶須摻量的演化規律，如圖1所示。

(a)抗壓強度 (b)彈性模量

圖1 不同硫酸鈣晶須混凝土力學強度參數

從圖1可以得到，外摻硫酸鈣晶須能夠提高混凝土的強度，隨著硫酸鈣晶須摻量的增加，混凝土強度逐漸提高，但是，從圖中也可以看出，摻加硫酸鈣晶須對于混凝土的強度的影響存在一定的極限，當超過一定限度后，混凝土試件力學強度的幾乎不再增加。根據硫酸鈣晶須混凝土試驗結果，最優硫酸鈣晶須摻量約為6kg·m-3，相較于普通混凝土相對抗壓強度、彈性模量，增幅分別49.43%、37.29%。在最優硫酸鈣晶須摻量范圍內，通過對試驗數據的擬合，可以得到相對抗壓強度、彈性模量以及抗折強度隨晶須摻量的定量演化關系，擬合關系如圖(1)中所示。

3 混凝土抗凍性能變化

由于混凝土在基礎設施建設中的廣泛應用，環境條件對混凝土的耐久性提出新的考驗，溫度的變化導致混凝土內部結構的變化，造成實際性能的降低，通過研究對不通凍融循環次數下混凝土強度變化，對比分析普通混凝土與硫酸鈣晶須混凝土的抗凍性能。以最優硫酸鈣晶須摻量約為6kg·m-3條件下混凝土試件為研究對象，凍融循環次數分別為20、50、80、100、200次，混凝土凍融相對抗壓強度及相對動彈性模量的變化規律，如圖2所示。

采用相對抗壓強度及相對動彈性模量，與損傷力學中損傷變量的定義一致，可以用來表征材料強度的弱化特征，由圖2可以得到，凍融循環對普通混凝土和硫酸鈣晶須混凝土強度均產生弱化作用，并且隨著凍融循環次數的增加，材料強度逐漸降低，根據循環次數與強度的擬合關系，可以得到相對強度參數與循環次數呈現指數降低，關系式如公式(1)所示，擬合參數如表2所示。

(a)相對抗壓強度 (b)相對動彈性模量

圖2 混凝土凍融相對抗壓強度及相對動彈性模量

(1)

表2 擬合參數

對比分析兩種混凝土的強度變化規律，外摻硫酸鈣晶須混凝土抗凍性明顯提高，在凍融循環次數為200的條件下，普通混凝土相對抗壓強度為56%，硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強度為64%，提高約為8%，普通混凝土相對動彈性模量為63%，硫酸鈣晶須混凝土相對動彈性模量為72%，提高約為9%，試驗結果表明，外摻硫酸鈣晶須能夠有效的提高混凝土的抗凍性能。

混凝土外摻硫酸鈣晶須對于試件強度的增強作用主要體現在兩個方面，一方面，硫酸鈣晶須的摻加能夠提高混凝土骨架強度，在混凝土生產過程中水泥水化產物能夠與硫酸鈣晶須相結合，增強混凝土的空間骨骼架構的強度，避免混凝土產生大的裂縫與軟弱結構面，另一方面，硫酸鈣晶須長度短且強度高，能夠不斷填充混凝土生產過程中出現的孔隙與微裂隙等缺陷，提高混凝土的密實程度，從而增強材料的強度與耐久性。

4 結 論

文章研究外摻硫酸鈣晶須混凝土力學性質及耐久性能，分析不同晶須摻量條件下混凝土強度參數與抗凍性能的變化特征，研究外摻晶須對混凝土性能的影響，主要研究結論如下：

1)根據硫酸鈣晶須混凝土試驗結果可以得到，外摻硫酸鈣晶須能夠有效提高混凝土的強度及耐久性，并且存在最優晶須摻量約為6kg·m-3，在最優晶須摻量范圍內混凝土強度參數值逐漸增大，耐久性逐漸提高：

2)在最優晶須摻量范圍內，混凝土強度參數隨晶須摻量線性增加，抗壓強度、抗折強度及彈性模量增幅分比為%、%、%：外摻硫酸鈣晶須能夠有效的提高混凝土的抗凍性能外摻在凍融循環次數為200的條件下，混凝土相對抗壓強度提高約為8%，相對動彈性模量提高約為9%。