不同骨料品質對水工混凝土抗凍性的影響分析

徐 飛

(葫蘆島市水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125000)

由于具有力學性能好、成本造價低、施工操作簡單、成型多樣等諸多優勢，混凝土逐漸成為工程領域用量最大、使用最廣的建筑材料，隨著現代科技的迅猛發展，我國已成為最大的混凝土消費國和水泥生產國[1-2]。然而，受原材料性能、制備技術和環境條件等因素限制，與發達國家相比我國混凝土服役年限仍有較大差距，究其原因主要與混凝土抗碳化、侵蝕、滲透和凍融能力較低有關[3]。結合實際情況，我國仍有55%的國土位于凍融影響區，尤其是北方寒區大壩凍融破壞問題十分突出，水工混凝土幾乎會都受到凍融破壞作用。因此，對于寒冷地區切實增強水工混凝土抗凍性能具有重要的工程實踐和理論價值。骨料是水工混凝土用量最多的材料，其重量占比一般達到80%，骨料的性能和特征直接決定了水工混凝土的性能[4]。目前，相關研究主要集中于再生骨料和輕骨料等領域，探討混凝土抗凍性與骨料之間相互關系的還鮮有報道。鑒于此，文章利用凍融循環試驗，從相對動彈模量、質量損失率、氣泡間距和含氣量的角度探討了五種不同骨料對水工混凝土抗凍性的影響。

1 試驗方法

1.1 原材料

1)水泥。試驗選用大連天瑞P·O 42.5通用硅酸鹽水泥，經實驗室檢測，水泥樣品的化學成分和物理性能均符合《通用硅酸鹽水泥》有關要求。

2)粉煤灰。試驗選用鞍山成達Ⅰ級粉煤灰，經實驗室檢驗，粉煤灰樣品的各項性能均符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》的相關技術指標要求。

3)外加劑。試驗選用天津雙旭SY-1高效引氣劑和青島華鐵HT-300聚羧酸高效減水劑，這兩種產品質量穩定且應用技術成熟，現已廣泛應用于水利工程領域，經檢測其各項性能均符合《混凝土外加劑規范》要求。

4)粗細集料。考慮試驗目的和規范要求，試驗選用砂板巖、卵石、凝灰巖、石灰巖和花崗巖5種巖性的骨料，骨料為5～10mm、10～20mm、20～30mm三級配；細骨料選用天然河砂，石粉含量4.6%，細度模數2.60，表觀密度2780kg/m3，經檢測各項性能指標均符合《水工混凝土施工規范》(DLT 5144-2018)要求。

1.2 試驗方案

為揭示水工混凝土抗凍性能受不同骨料品質的影響特征，試驗選用砂板巖、卵石、凝灰巖、石灰巖和花崗巖5種不同骨料，并結合工程實踐經驗和施工規范確定水工混凝土配合比，粉煤灰摻量30%，水膠比0.40，具體見表1。為保證混凝土的坍落度和含氣量符合施工設計要求摻入適量的減水劑、引氣劑，然后利用混凝土試件開展凍融循環試驗。

表1 不同骨料的混凝土配合比 kg/m3

本試驗利用機械攪拌的方式配制混凝土試件，控制拌合時間180s，為確保混凝土攪拌均勻性，機械拌合后再人工翻拌幾次。然后向100mm×100mm×400mm試模內裝入拌制好的拌合物，并用振搗臺振實，試件成型后沿模面抹平，放入室內靜置24h后終凝拆模[5]。先標養24d，然后浸泡4d，以保證試件處于飽水狀態，按要求開展凍融循環試驗。

1.3 試驗過程

本試驗利用快凍法進行水工混凝土凍融循環檢測，主要流程如下：①浸水飽和后將試件取出，并擦拭干凈表面水分，測定自振頻率和初始質量作為評價抗凍性的初始值。②在試驗筒內放入試件并注水，注水高度以淹沒試件20mm為準，啟動溫度控制與監測系統，按每凍融循環25次測定一次自振頻率和試件質量，以凍融循環達到200次或質量損失率達到5%以及相對動彈模量減小到初始值的60%作為試驗終止條件，從而完成整個凍融試驗。文章利用下式計算相對動彈模量P(%)，即：

P=fn2/f02×100%

(1)

式中：fn為凍融循環達到n次時；f0為試件的初始自振頻率，Hz。然后沿垂直于澆筑面的方向將試件進行切割，并拋光研磨切面，采用Rapid Ari457分析儀確定表面氣泡及氣孔結構。

2 結果與分析

2.1 抗凍試驗結果

根據以上凍融循環試驗方法，測試水工混凝土摻不同巖性骨料的抗凍性能，結合試驗數據繪制試件的相對動彈模量和質量損失率變化曲線，如圖1所示。

(a)相對動彈模量 (b)質量損失率

從圖1(a)可以看出，試驗過程中各組試件的相對動彈模量表現出變化不大、小幅下降和快速下降的變化趨勢。具體而言，凍融循環達到25次時各組試件的相對動彈模量變化不大，超過25次后開始緩慢減小，凍融循環達到150次時開始快速減小，凍融循環達到200次時的損失率超過60%。因此，使用不同巖性骨料的水工混凝土相對動彈模量具有明顯差異，從小到大各組試件的相對動彈模量排序為：砂板巖組<凝灰巖組<卵石組<灰巖組<花崗巖組。

從圖1(b)可以看出，凍融循環達到25次時各組試件的質量損失率小幅上升，凍融循環達到50次時各組試件的質量損失率仍保持小幅上升趨勢，而凍融循環達到100次時各組試件的質量損失率呈明顯上升趨勢，表明混凝土表面的剝蝕速度不斷加快；此外，保持其它參數不變的條件下，使用不同巖性骨料的水工混凝土抗凍性具有明顯差異，凍融循環次數相同時，從小到大各組試件的質量損失率排序為：花崗巖組<灰巖組<卵石組<凝灰巖組<砂板巖組。

因此，綜合考慮相對動彈模量和質量損失率反映混凝土試件的抗凍性能，從小到大排序依次為：砂板巖組<凝灰巖組<卵石組<灰巖組<花崗巖組。在保持其它條件不變的情況下，使用灰巖和花崗巖的混凝土抗凍性性能相對更優。

2.2 表面氣泡測試結果

根據前文所述試驗方法，采用Rapid Air457分析儀切片觀測不同巖性骨料的試件表面氣孔結構，如表2所示。

表2 表面氣泡測試結果

從表2可以看出，使用花崗巖的混凝土試件含氣量最高為7.21%，而使用砂板巖的混凝土試件含氣量最低為4.80%。考慮到實際測定的氣泡包含混凝土自身空隙的情況，所以拌合物實際含氣量略低于測試值。從平均弦長的角度上，氣泡平均弦長最小的是花崗巖混凝土試件的0.982mm，氣泡平均弦長最大的是灰巖混凝土試件的1.116mm，總體而言各組試件的氣泡平均弦長相差不明顯。從間距系數的角度上，氣泡間距系數越小則混凝土試件的含氣量越高。例如，花崗巖混凝土試件的含氣量最高而其氣泡間距系數最小為0.093mm，砂板巖混凝土試件的含氣量最低而其氣泡間距系數最大為0.176mm。

一般地，大概內容循環時混凝土的剝蝕量會隨著含氣量的增加而減小。所以，從含氣量的角度上，從低到高混凝土抗凍性能排序為砂板巖組<凝灰巖組<卵石組<灰巖組<花崗巖組。此外，氣泡間距系數越小則混凝土的抗凍性能越優，從氣泡間距系數的角度上，從低到高混凝土抗凍性能排序為砂板巖組<凝灰巖組<卵石組<灰巖組<花崗巖組。因此，抗凍性能最優組是使用灰巖和花崗巖骨料的混凝土。從側面上，文章也證明了對于混凝土抗凍性利用氣泡間距系數判定的可行性和有效性，可為混凝土抗凍性的判定提供一種新的途徑。

3 結 論

本試驗以骨料為變量，通過室內試驗探討了水工混凝土抗凍性與骨料品質之間的關系，主要結論如下：

1)采用相對動彈模量和質量損失率來判定時，使用灰巖和花崗巖骨料的混凝土抗凍性性能相對較好。

2)采用氣泡間距和含氣量來判定時，使用灰巖和花崗巖骨料的混凝土具有最佳的抗凍性能。此外，對于混凝土抗凍性利用氣泡間距系數判定具有一定可行性和有效性，可為混凝土抗凍性的判定提供一種新的途徑。

3)對于北方寒冷地區，為保證水工混凝土抗凍性能，在混凝土施工時建議選用灰巖和花崗巖骨料。