水工鋼球相變混凝土抗凍融性能試驗研究

周燏城

(吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

0 引 言

由于混凝土制備材料來源豐富、容易加工，因此被廣泛應用于各類建筑中，成為工程建設的主要材料。隨著社會的發(fā)展和進步，混凝土的使用量不斷攀升，同時對混凝土的質量也提出了更高的要求。從混凝土自身的材料屬性來看，由于為多種材料混合而成，因此其內部存在一定的孔隙，表面也不可避免存在一些微裂縫[1]。在北方寒區(qū)，混凝土表面的微裂縫會加速凍融破壞，造成表層脫落。在混凝土的內部，由于孔隙水的存在也會造成凍脹破壞。上述作用的循環(huán)和疊加，會造成混凝土力學性能的不斷降低，最終導致建筑物的結構性損壞，影響建筑物的使用壽命。由于水工建筑的特殊應用環(huán)境，其混凝土結構受凍融作用的影響更為顯著[2]。因此，提高水工混凝土的抗凍融能力成為相關領域專家和學者關注的重點。

相變材料是利用潛熱儲存能量的材料種類，可以在一定的溫度區(qū)間內通過自身形態(tài)變化實現(xiàn)吸熱或放熱，繼而達到調節(jié)溫度的目的[3]。對水工大體積混凝土而言，將相變材料摻入混凝土中，可以大幅降低混凝土施工過程中的水化熱，減少混凝土表面和內部的溫度裂縫，對提高混凝土的耐久性和抗凍融性具有重要價值。目前，在相變混凝土的制作領域，主要采用浸泡法和微膠囊封裝法[4]。其中，浸泡法工藝相對簡單，但是相變材料在相變循環(huán)中會逐漸泄露失效；微膠囊封裝技術加工工藝復雜，施工成本高，若封裝不完善也會造成相變材料滲漏。基于上述原因，有學者提出將相變材料封裝進體積較大的鋼球，制作出鋼球相變混凝土，并取得良好的效果。因此，本文通過室內試驗的方式，探討水工鋼球相變混凝土抗凍融性能，并根據(jù)計算結果，提出相關的工程建議。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水泥為普通P.O42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)測試，其初凝時間為98 min，終凝時間為153 min，28 d抗壓強度為39.3 MPa，抗折強度為6.2 MPa，主要指標滿足相關規(guī)范要求。試驗用粉煤灰為電廠一級粉煤灰，其燒失量為43.0%，含水量為0.56%，需水量為92%。試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，在實驗前進行清洗。試驗用細骨料為普通河砂，其細度模數(shù)為2.58，屬于中砂。試驗用外加劑為山東鼎鑫建筑材料有限公司生產的高效減水劑和引氣劑。試驗用水為普通自來水。

此次試驗使用的相變材料為十四烷，其材料占比為95%以上，該材料的相變溫度為2℃，相變潛熱為191.52 J/g。該相變材料具有良好的化學穩(wěn)定性，熱化學性質在多次相變循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定。同時，該材料還具有容易生產、成本低的優(yōu)勢，可以大規(guī)模推廣使用。試驗用鋼球為直徑25 mm的空心鋼球，開孔直徑為3 mm，內徑23 mm。試驗中，將相變材料注入鋼球內部，注滿之后再利用焊接技術將開孔密封。與其他材料相比，鋼球具有密封效果好、強度高、不易泄露的優(yōu)勢。在鋼球相變混凝土的制作過程中，添加一定比例封裝好相變材料的鋼球，以探討不同摻加比例對混凝土抗凍融性質的影響。

1.2 試驗方案

為了探討相變鋼球摻加比例對混凝土抗凍融性能的影響，研究中設置利用相變鋼球取代粗骨料的比例分別為0%、3%、6%、9%和12%等5種不同的摻加比例，試驗方案設計見表1。

表1 試驗方案設計表

1.3 試件制作和試驗方法

按照上節(jié)設計的試驗方案制作25個試件，每組5個，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，以5個試件試驗結果的均值作為每組方案的最終試驗結果，以提高試驗結果的準確性[5]。在試驗過程中，首先將試件放在清水中浸泡4d，然后取出試件進行凍融試驗；在凍融試驗之前和結束之后，測量其質量損失、相對動彈模量和強度損失測試[6]。其中，凍融試驗采用GT-TH-S-1000凍融試驗機進行100次凍融循環(huán)的凍融試驗；抗壓強度采用萬能試驗機；彈性模量采用DT-20動彈儀。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

混凝土在凍融循環(huán)之后，其表面會產生剝落現(xiàn)象，因此試驗中利用質量損失率來衡量其凍融破壞情況[7]。其計算公式如下：

(1)

其中：ΔW為試件的質量損失率；W0為試件的初始質量，g；Wi為第i次凍融試驗后的試件質量，g。

利用式(1)和試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算出不同試驗方案下試件的質量損失率，并繪制質量損失率隨相變鋼球摻量的變化曲線，見圖1。由圖1可以看出，水工鋼球相變混凝土的質量損失率隨著相變鋼球摻量的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，這說明在水工混凝土中摻加相變鋼球可以有效降低混凝土在凍融循環(huán)下的質量損失，對提高水工混凝土的抗凍性能有利。從具體的變化特征來看，當相變鋼球的摻量小于6%時，水工鋼球相變混凝土的質量損失率隨著相變鋼球摻量的增加而迅速下降；當相變鋼球的摻量大于6%時，水工鋼球相變混凝土的質量損失率隨著相變鋼球摻量的增加下降較為有限。結合試驗結果和工程經(jīng)濟性考慮，建議相變鋼球的摻量以6%為宜。

圖1 質量損失率隨相變鋼球摻量變化曲線

2.2 相對動彈模量

試驗中，水工鋼球相變混凝土的相對動彈模量的計算公式如下：

(2)

其中：Pm為試件的相對動彈模量；fi為第i次凍融循環(huán)之后試件的橫向基頻；Hz；f0為凍融循環(huán)試驗之前試件的橫向基頻初值，Hz。

利用式(2)和試驗中獲取的數(shù)據(jù)，計算出不同試驗方案下水工鋼球相變混凝土的相對動彈模量，并繪制相對動彈模量隨相變鋼球摻量的變化曲線，見圖2。由圖2可以看出，水工鋼球相變混凝土的相對動彈模量隨著相變鋼球摻量的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化特征，這說明在水工混凝土中摻加相變鋼球有利于提升水工混凝土的抗凍性能。從具體的變化特征來看，當相變鋼球的摻量小于6%時，水工鋼球相變混凝土的相對動彈模量隨著相變鋼球摻量的增加而迅速增大；當相變鋼球的摻量大于6%時，水工鋼球相變混凝土的質量損失率隨著相變鋼球摻量的增加而緩慢增加。結合試驗結果和工程經(jīng)濟性考慮，建議相變鋼球的摻量以6%為宜。

圖2 相對動彈模量隨相變鋼球摻量變化曲線

2.3 抗壓強度

混凝土在經(jīng)過一定次數(shù)的凍融循環(huán)之后，其強度均會產生比較明顯的下降，其下降幅度一般通過抗壓強度損失率評價[8]。利用試驗中獲取的數(shù)據(jù)，對不同方案下的試驗抗壓強度損失率進行計算，根據(jù)計算結果繪制抗壓強度損失率隨相變鋼球摻量的變化曲線，見圖3。由圖3可以看出，水工鋼球相變混凝土的抗壓強度損失率隨著相變鋼球摻量的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，這說明在水工混凝土中摻加相變鋼球可以有效減緩水工混凝土在凍融循環(huán)情況下的抗壓強度損失，顯著提升混凝土的抗凍融性能。從具體的變化特征來看，當相變鋼球的摻量小于6%時，水工鋼球相變混凝土的抗壓強度損失率隨著相變鋼球摻量的增加而迅速下降；當相變鋼球的摻量大于6%時，水工鋼球相變混凝土的抗壓損失率隨著相變鋼球摻量的增加下降較為有限。從抗壓強度試驗結果來看，當相變鋼球的摻量大于6%時，再增加相變鋼球的摻量對控制抗壓強度損失的效果較為有限，但會大幅增加工程成本，因此建議相變鋼球的摻量為6%。

圖3 抗壓強度損失率隨相變鋼球摻量變化曲線

3 結 論

本文通過室內試驗的方式，探討了相變鋼球摻量對水工混凝土抗凍融性能的影響，結論如下：

1) 在水工混凝土中摻加相變鋼球，可以降低水工混凝土的質量損失率和抗壓強度損失率，提高混凝土相對動彈模量。

2) 與普通水工混凝土相比，水工相變鋼球混凝土具有良好的抗凍融性能，具有一定的工程應用價值。

3) 結合試驗結果和工程經(jīng)濟性，建議在制作水工鋼球相變混凝土時，摻加6%左右的相變鋼球。