摻復合微粉水工混凝土抗凍性試驗分析

高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務中心,遼寧 鞍山 114300)

我國地域遼闊,北方冬天水工建筑物常處于極冷的凍融循環環境,這也是導致結構破壞的重要因素,凍融引起的破壞類型主要有表面崩裂、表層剝落和膨脹劣化三種。調查顯示,我國北方地區普遍存在凍融危害,并以東北地區最為嚴重,其中90%的新建混凝土工程都存在大面積或局部的凍融破壞。為維持水利工程的正常運行,持續發揮其功能作用,每年都要投入巨額的費用用于維修[1]。因此,增強抗凍性能是保證水工混凝土耐久性的重要方法之一,實際工程中主要通過摻入一定礦物摻合料的方式增強混凝土的抗侵蝕、抗氯離子滲透和抗滲性能[2-5]。

在水工混凝土中使用優質粉煤灰、礦渣和鋼渣微粉有各自的優缺點,如同時摻粉煤灰、礦渣和鋼渣微粉,可以實現不同摻合料之間的優勢互補,比單摻礦渣、鋼渣微粉和優質粉煤灰具有更顯著效果[6-7]。鑒于此,文章探討水工混凝土抗凍性能受復合微粉的影響作用,并深入分析不同凍融循環條件下動彈模量變幅及抗壓強度變化規律,以期為北方寒冷地區水工混凝土的應用提供技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗采用沈陽冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5級水泥,沈陽熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰,鞍山市大石橋鑫宇礦粉廠提供的S95級粒化高綠礦渣粉以及上海寶鋼生產的鋼渣粉。粗集料為連續級配碎石,粒徑5～25mm,含水量0.5%,含泥量1.2%,表觀密度2660kg/m3;細集料用細度模數2.8的天然河砂,含水量2.0%,含泥量2.0%,表觀密度2610kg/m3。拌合水用實驗室自來水。

1.2 配合比設計

根據《水工混凝土配合比設計規程》初步設計Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種復合微粉摻量,其中Ⅰ型復合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1∶1∶2,Ⅱ型復合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1∶2∶1,Ⅲ型復合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=2∶1∶1,Ⅳ型復合微粉為m粉煤灰:m礦渣:m鋼渣=1:3:1,設計J為基準組,利用四種復摻微粉等量替代0%、5%、10%、20%、30%、40%水泥,配合比設計如表1所示。

表1 配合比設計

1.3 測試方法

采用“快凍法測定”凍融循環作用下標養28d各組試件的抗凍性能,凍融循環程序為:90min內從5℃降低溫度至-20℃,低溫-20℃維持80min,40min內從-20℃升高溫度至5℃,高溫5℃維持30min,一個凍融周期4h,如此循環往復。試驗儀器選用KDR-9V型快速凍融試驗機,參照表1中的配合比成型養護試件尺寸為100mm×100mm×100mm,每組3個試件,取3個數據平均值為該組試驗結果,每凍融循環25次測定一次抗壓強度和動彈性模量,共凍融100次。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

摻復合微粉水工混凝土28d抗壓強度隨凍融循環次數的變化規律如圖1所示。

(a)Ⅰ型復合微粉

由圖1(a)可知,未凍融時基準組混凝土抗壓強度高于Ⅰ型復合微粉組。凍融循環25次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅰ-10<Ⅰ-40<Ⅰ-5<Ⅰ-20<Ⅰ-30,其中Ⅰ-10組混凝土抗壓強度(19.5MPa)相較于J-0基準組(15.2MPa)增大28.3%;凍融循環50次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅰ-5<Ⅰ-10<Ⅰ-30<Ⅰ-40<Ⅰ-20,其中Ⅰ-5組混凝土抗壓強度(12.8MPa)相較于J-0基準組(8.6MPa)增大48.8%;凍融循環75次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅰ-5<Ⅰ-10<Ⅰ-30<Ⅰ-20<Ⅰ-40,其中Ⅰ-5組混凝土抗壓強度(7.6MPa)相較于J-0基準組(4.5MPa)增大68.9%;凍融循環100次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為Ⅰ-20<Ⅰ-10

由圖1(b)可知,未凍融時基準組混凝土抗壓強度高于Ⅱ型復合微粉組。凍融循環25次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為Ⅱ-10

由圖1(c)可知,未凍融時基準組混凝土抗壓強度高于Ⅲ型復合微粉組。凍融循環25次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅲ-10<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-20<Ⅲ-30;凍融循環50次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-10<Ⅲ-20<Ⅲ-30,抗壓強度隨Ⅲ型復合微粉摻量的增加呈先上升后下降的變化趨勢,其中Ⅲ-40組混凝土抗壓強度(11.6MPa)相較于J-0基準組(8.6MPa)增大34.9%;凍融循環75次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅲ-10<Ⅲ-40<Ⅲ-5<Ⅲ-20<Ⅲ-30,其中Ⅲ-10組混凝土抗壓強度(10.8MPa)相較于J-0基準組(4.5MPa)增大144.4%;凍融循環100次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為Ⅲ-40<Ⅲ-20

由圖1(d)可知,未凍融時基準組混凝土抗壓強度高于Ⅳ型復合微粉組。凍融循環25次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅳ-40<Ⅳ-30<Ⅳ-5<Ⅳ-20<Ⅳ-10,抗壓強度隨Ⅳ型復合微粉摻量的增加呈先上升后下降的變化特征,其中Ⅳ-40組混凝土抗壓強度(30.0MPa)相較于J-0基準組(15.2MPa)增大97.4%;凍融循環50次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅳ-40<Ⅳ-5<Ⅳ-20<Ⅳ-30<Ⅳ-10,其中Ⅳ-40組混凝土抗壓強度(21.5MPa)相較于J-0基準組(8.6MPa)增大150.0%;凍融循環75次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅳ-10<Ⅳ-40<Ⅳ-30<Ⅳ-20<Ⅳ-5,其中Ⅳ-10組混凝土抗壓強度(18.1MPa)相較于J-0基準組(4.5MPa)增大304.4%;凍融循環100次時,從低到高各組試件抗壓強度排序為J-0<Ⅳ-30<Ⅳ-40<Ⅳ-5<Ⅳ-10<Ⅳ-20,其中Ⅳ-30組混凝土抗壓強度(29.4MPa)相較于J-0基準組(20.4MPa)增大44.1%。綜上分析,在凍融循環25～100次時摻Ⅳ型復合微粉混凝土抗壓強度均高于基準組,這表明水工混凝土摻Ⅳ型復合微粉能夠顯著增強其抗凍性,隨著凍融循環次數的增加摻20%Ⅳ型復合微粉混凝土的抗壓強度波動較小,故研究認為20%是Ⅳ型復合微粉最優摻量。

總體而言,經過凍融循環后未摻復合微粉基準組的抗壓強度降幅較大,摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復合微粉組抗壓強度降幅相對較小。工程實踐中,應考慮混凝土抗凍性能、強度等要求,經多次試配調整合理選擇復合微粉摻量和配比[8-10]。

2.2 動彈模量試驗

為評定復合微粉最優摻量的有效性和適用性,試驗探討了水工混凝土摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復合微粉時的動彈性模量,結合不同凍融循環下動彈性模量的變化幅度判斷復合微粉增強抗凍性的作用效應,試驗結果如圖2所示。

(a)Ⅰ型復合微粉 (b)Ⅱ型復合微粉

由圖2(a)可知,不同凍融循環次數下摻Ⅰ-5、Ⅰ-10、Ⅰ-20、Ⅰ-30、Ⅰ-40復合微粉組的最大與最小動彈模量之比依次為2.03、1.78、2.52、1.96、1.49,并以Ⅰ-40復合微粉組的動彈性模量變化幅度最小,這表明隨凍融循環次數的增加摻40%Ⅰ型復合微粉混凝土動彈性模量波動較小,具有更優的抗凍性能。

由圖2(b)可知,不同凍融循環次數下摻Ⅱ-5、Ⅱ-10、Ⅱ-20、Ⅱ-30、Ⅱ-40復合微粉組的最大與最小動彈模量之比依次為1.51、2.48、10.44、6.69、2.41,并以Ⅱ-5復合微粉組的動彈性模量變化幅度最小,這表明隨凍融循環次數的增加摻5%Ⅱ型復合微粉混凝土動彈性模量波動較小,具有更優的抗凍性能。

由圖2(c)可知,不同凍融循環次數下摻Ⅲ-5、Ⅲ-10、Ⅲ-20、Ⅲ-30、Ⅲ-40復合微粉組的最大與最小動彈模量之比依次為1.49、1.19、1.37、1.31、1.51,并以Ⅲ-10復合微粉組的動彈性模量變化幅度最小,但通過對比分析可知,各凍融循環次數下Ⅲ-30復合微粉組均高于Ⅲ-10組的動彈性模量,并且Ⅲ-30復合微粉組的動彈性模量變化幅度<Ⅲ-5、Ⅲ-20、Ⅲ-40組,故研究認為抗凍性能更好的是Ⅲ-10復合微粉組試件。

由圖2(d)可知,不同凍融循環次數下摻Ⅳ-5、Ⅳ-10、Ⅳ-20、Ⅳ-30、Ⅳ-40復合微粉組的最大與最小動彈模量之比依次為1.61、1.30、1.33、3.41、1.31,并且Ⅳ-10、Ⅳ-20、Ⅳ-40復合微粉組的動彈性模量變化幅度相對較小,鑒于凍融循環過程中Ⅳ-20復合微粉組的動彈性模量較高的情況,研究認為抗凍性能相對較好的是Ⅳ-20復合微粉組試件。

綜上分析,動彈性模量與抗壓強度試驗所確定的水工混凝土Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復合微粉最優摻量基本相同,最優摻量依次為40%、5%、30%和20%。工程使用時應考慮混凝土抗凍性能、強度等要求,經多次試配調整合理選擇復合微粉摻量和類型。

3 結 論

1)經過凍融循環后未摻復合微粉基準組的抗壓強度降幅較大,摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復合微粉組抗壓強度降幅相對較小,且隨凍融次數的增加摻復合微粉混凝土的動彈模量和抗壓強度波動較小,這表明水工混凝土摻復合微粉能夠有效改善其抗凍性能。

2)動彈性模量與抗壓強度試驗所確定的水工混凝土Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型復合微粉最優摻量基本相同,最優摻量依次為40%、5%、30%和20%。工程使用時應考慮混凝土抗凍性能、強度等要求,經多次試配調整合理選擇復合微粉摻量和類型。