摻輕質顆粒的水工混凝土低塑性砂漿抗凍性影響研究

馮寶君

(葫蘆島市綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 葫蘆島 125200)

由于受到凍融破壞作用北方寒區水工構筑物難以維持長效運行，研究混凝土抗凍耐久性及其凍融破壞機理，并提出行之有效的混凝土性能改善措施顯得非常重要。目前，學術界對混凝土凍融破壞普遍認可的是滲透壓和靜水壓兩種理論，但實踐表明混凝土漿體與凍融作用密切相關[1-3]。在混凝土中摻入輕質顆粒或內部多孔隙的固體摻加劑，能夠有效緩解凍融破壞時混凝土的凍脹應力，將輕質顆粒摻入干硬性混凝土能夠發揮緩解凍脹應力的作用，這也是一種改善低塑性混凝土抗凍性的重要途徑。

為改善北方寒區水工混凝土抗凍性，文章選用橡膠粉、EPS顆粒(可發性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質材料，其中橡膠粉和EPS顆粒屬彈性固體材料，陶砂屬輕質骨料，深入探討了不同輕質顆粒及其摻量對砂漿抗凍性的影響，旨在為北方寒區水工混凝土方案設計提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

試驗所用材料有水、水泥、粉煤灰、橡膠粉、普通中砂、陶砂、EPS顆粒，其中水泥為P·O 42.5“海螺牌”硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級；普通中砂的細度模數2.4，普通中砂顆粒級配，見表1。試驗所用陶砂1h吸水率6.5%，表觀密度1780kg/m3，細度模數1.6，級數為700，陶砂級配，見表2。EPS顆粒吸水率1.5%，表觀密度20.5kg/m3。

表1 普通中砂顆粒級配

表2 陶砂級配

1.2 方案設計

在低塑性砂漿中摻入不同類型的輕質顆粒，并利用快速凍融法測試砂漿抗凍性，其中EPS顆粒和陶砂設計摻量為2%、4%、6%，橡膠粉設計摻量為1%、2%。低塑性砂漿試件質量按每凍融循環5次測試一次，以質量損失達到5%作為凍融循環終止條件。凍融循環后取出試件，依次測試抗壓強度，探討不同凍融循環下低塑性砂漿的抗壓強度和質量損失狀況。

1.3 試驗方法

試驗設計低塑性砂漿試件尺寸70mm×70mm×70mm，砂漿含氣量利用水泥砂漿含氣筒測試，成型后利用承壓板和壓重塊碾壓，按表面壓強4.8kPa設計試件成型總質量，將粗骨料剔除測試凝膠砂礫石低塑性砂漿抗凍性[4]。試驗過程中標準養護各組試件，為保證試件處于飽水狀態，待養護至規定齡期的前3d取水浸入水中，利用CDR-5快速凍融試驗機測試試件的抗凍性，完成凍融試驗后再測試各組試件的抗壓強度[5]。

2 摻輕質顆粒的低塑性砂漿抗凍性

2.1 不同陶砂摻量

隨著凍融循環次數的增加，不同陶砂摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質量損失情況，凍融作用下摻陶砂砂漿試件性能變化，見圖1。由圖1(a)可知，凍融循環≤10次時不同陶砂摻量的砂漿試件質量損失均在1%以內，凍融循環達到15次后各組試件出現明顯的質量損失，當凍融循環達到20次時試件質量損失>5%，即發生嚴重的破壞。由圖1(b)可知，凍融循環達到20次情況下，低塑性砂漿強度損失隨陶砂摻量的增加而減小，基準砂漿和摻2%、4%、6%陶砂砂漿的抗壓強度損失分別為51.8%、45.2%、38.4%、25.1%。總體而言，將陶砂摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性能，并且抗凍性隨陶砂摻量的增加而增強。

(a)質量損失 (b)強度損失圖1 凍融作用下摻陶砂砂漿試件性能變化

2.2 不同EPS顆粒摻量

隨著凍融循環次數的增加，不同EPS顆粒摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質量損失情況，凍融作用下摻EPS顆粒砂漿試件性能變化，見圖2。由圖2(a)可知，摻EPS顆粒的砂漿凍融破壞與摻陶砂相似，凍融循環≤10次時不同EPS顆粒摻量的砂漿試件質量損失均在1%以內，凍融循環達到15次后各試件出現明顯的質量損失，當凍融循環達到20次時試件質量損失>5%，即發生嚴重的破壞。在凍融次數相同的條件下，摻6%EPS顆粒的砂漿試件質量損失略高于基準組。由圖2(b)可知，凍融循環達到20次情況下，摻EPS顆粒的低塑性砂漿強度損失略低于基準組，并且低塑性砂漿摻不同EPS摻量時其強度損失相差不大，但低塑性砂漿摻6%EPS顆粒的強度損失高于摻4%的強度損失。總體而言，將適量EPS顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性能[6]，并且EPS顆粒摻量一般≤4%。

(a)質量損失 (b)強度損失圖2 凍融作用下摻EPS顆粒砂漿試件性能變化

2.3 不同橡膠粉摻量

本試驗以40、60、80、100目4種粒徑的橡膠粉作為輕質材料，按1%、2%摻量將個粒徑材料加入低塑性砂漿試件中，測試不同凍融循環下各組砂漿試件的抗壓強度及質量損失，凍融作用下摻橡膠粉砂漿試件性能變化，見圖3。由圖3(a)可知，摻橡膠粉的砂漿凍融破壞與摻陶砂、EPS顆粒相似，凍融循環≤10次時不同橡膠粉摻量的砂漿試件質量損失均在1%以內，凍融循環達到15次后各試件出現明顯的質量損失，當凍融循環達到20次時試件質量損失>5%，即發生嚴重的破壞。由圖3(b)可知，凍融循環達到20次情況下，摻橡膠粉的低塑性砂漿強度損失明顯低于基準組，并且摻量越高試件的強度損失越小；在相同摻量條件下，各組試件的砂漿強度損失程度相差不大，并且橡膠粉粒徑越大則砂漿強度損失也越大。總體而言，將適量橡膠粉摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性，橡膠粉摻量越大、粒徑越小其改善砂漿抗凍性的效果就越好[7]。

(c)質量損失 (b)強度損失圖3 凍融作用下摻橡膠粉砂漿試件性能變化

2.4 輕質顆粒改善砂漿抗凍性機理

在低塑性砂漿中摻入橡膠粉、EPS顆粒和陶砂，由于內部大孔隙較多直接用DSX軟件分析會引起誤差的增大，因此孔隙分析時選用普通砂漿。對摻不同輕質顆粒的普通砂漿利用DSX軟件分析其孔隙率，結果顯示摻橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的砂漿內孔隙率依次為9.12%、9.57%、7.34%，這與基準組的8.81%相差并不明顯，研究表明將輕質顆粒摻入普通砂漿中其改善砂漿孔隙結構的作用不大[8-9]。

未摻輕質顆粒的低塑性砂漿膠砂比為1:4.6，橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的摻入明顯提高了低塑性砂漿的含氣量，并且摻量越高含氣量越高[10]。將輕質顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性，具體而言：在砂漿攪拌過程中陶砂內部的大量小孔能夠吸收水分，在水化過程中孔隙內的水分可遷移至水泥石中，從而發揮一定的養護作用，且內部孔隙處于不飽和狀態，砂漿受凍時陶砂中的孔隙能夠在很大程度上緩解砂漿的凍脹破壞；EPS顆粒具有吸水率小、表面光滑、內部多孔隙等特征[11]，水分無法通過孔隙滲入內部，受凍時能夠抵消砂漿的凍融應力；橡膠粉具有一定的彈塑性且內部密實，受凍融破壞時橡膠粉能夠抵抗砂漿受到的凍脹應力[12-18]。

3 結 論

文章探討了橡膠粉、EPS顆粒(可發性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質材料改善低塑性砂漿的抗凍性能，并在此基礎上探討了其作用機理，主要結論為：

1)由于膠砂比較低低塑性砂漿的抗壓強度明顯低于普通砂漿，將輕質顆粒摻入低塑性混凝土中，在一定程度上降低了砂漿抗壓強度，并且砂漿抗壓強度損失隨輕質顆粒摻量的增加而增大，其中砂漿強度受陶砂的影響最低。

2)采用輕質顆粒改善普通砂漿和低塑性砂漿的抗凍性時，EPS顆粒摻量一般≤4%，其中橡膠粉對砂漿抗凍性的改善效果由于EPS顆粒和陶砂，并且橡膠粉摻量越高、粒徑越小則抗凍性改善效果越明顯。