大體積水工混凝土抗壓強度及耐久性能影響研究

孫墅隆

(河南省豫北水利勘測設計院有限公司遼寧分公司,遼寧 大連 116000 )

隨著經濟的不斷發展,大體積混凝土在港工、橋梁、大壩等重大工程中的應用日益廣泛,然而由于其結構尺寸厚大,水化散熱速率較慢,導致早期硬化溫度較高,一般達到40～75℃,遠高于標養測定的試驗溫度[1-2]。不同溫度條件下,礦物摻合料和水泥的水化速率不同,從而對基體的微觀結構和性能發展產生差異。有研究表明,高溫養護對早期強度的發展有積極作用,但不利于后期強度的提升[3]。為了控制溫升并減少裂縫的形成,往往會摻入一定比例的礦渣粉和粉煤灰,或者較大比例的粉煤灰。然而,目前混凝土強度檢驗評定通常是在同樣條件下進行養護,沒有考慮強度受內部溫度歷程影響的因素,因此摻入粉煤灰的試件在標養條件下會出現強度尤其是早期強度下降的情況,并且研究還發現,粉煤灰摻量越高,早期強度下降越明顯[4-8]。這種觀點對于在大體積混凝土中應用礦渣粉和粉煤灰復合摻合料或大比例粉煤灰的影響很大,導致設計的配合比較保守,不利于溫度控制、防止裂縫的形成以及提高實體結構的耐久性[9]。為了評估和分析混凝土實際強度增長過程,溫度匹配養護的概念被提出,它是指在與實體結構溫度變化過程相同的條件下,對相同配合比混凝土試件進行養護,這種養護方式可以用于評估實際強度的增長情況[10-11]。對于大體積混凝土耐久性能及其受礦物摻合料的影響研究,有必要考慮養護方式的影響作用,而現有研究大多數側重于恒定高溫或標準養護條件。鑒于此,本研究通過模擬碾壓混凝土重力壩的內部溫變過程,探討水工混凝土抗壓強度受溫度匹配養護的影響,并進一步對比分析了標養條件下的試件性能。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗選用沈陽冀東P·O 42.5級水泥,標稠用水量26.8%,比表面積335m2/kg;黑龍江火電廠提供的Ⅱ級粉煤灰,需水量比99%,細度25.7%;大連金橋超細粉廠生產的S95級礦渣粉,流動度比97%,燒失量0.82%,活性指數102%;大連莊沙砂石場提供的砂和碎石,砂細度模數2.8,碎石級配5～20mm;外加劑選用西卡聚羧酸高效減水劑(液態),減水率28.0%,拌和水用自來水。

1.2 試驗配合比

控制拌合物坍落度為(180±20)mm,通過調整減水劑用量使其具有良好的工作性,固定水膠比0.35和膠凝材料用量460kg/m3,固定膠材總用量不變,以5%、10%、25%、30%的粉煤灰和礦渣粉等量替代水泥,試驗配合比如表1所示。

表1 試驗配合比 kg/m3

1.3 測試方法

本研究以太子河干流某碾壓混凝土重力壩的內部溫度監測數據為依托,通過模擬其溫度環境設計溫度匹配養護方式(0～2d溫升較快,2～4d相對較慢,4d達到最高溫度值65℃,4d后溫度逐漸下降),如表2所示。溫度匹配養護(TMC):試件成型后先室內靜置2～4h脫模,然后利用塑料薄膜覆蓋試件表面,移入濕熱交變養護箱內養護至規定齡期;標準養護(SC):試件成型24h后脫模,移入標養室養護至設計齡期。

表2 溫度匹配養護方式

2 結果與分析

2.1 力學性能

溫度匹配和標養條件下的強度測試值如圖1所示。

圖1 抗壓強度試驗值

由圖1可知各標養下的強度變化特征基本一致。溫度匹配(TMC)相較于標準養護(SC)下的S1組試件28d抗壓強度有所增大,但90d齡期強度呈現小幅下降趨勢。溫度匹配養護下的S2～S5組試件強度相比于標準養護均有所提升,并以S4組試塊強度增幅最高達到4.40%,其90d齡期時達到標準養護同齡期試塊強度的103.3%。因此,水工混凝土未摻礦渣粉和粉煤灰情況下,雖然溫度匹配養護有利于增大28d強度,但不利于后期強度的發展;水工混凝土摻礦渣粉和粉煤灰情況下,溫度匹配養護有利于促進后期強度的提升。

試驗測定溫度匹配和標準養護下S1、S2、S4組試件的化學結合水測試值如表3所示,結果顯示溫度匹配相比于標養能夠更加明顯地提升結合水量,這說明溫度越高越有利于促進二次水化,減少水泥基體內的硅鈣比,提高混凝土水化產物數量及整體抗壓強度[12]。

表3 漿體化學結合水含量

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

硫酸鹽侵蝕干濕循環100次和125次時,溫度匹配和標準養護下的試件強度損失率如圖2。

圖2 強度損失率變化特征

從圖2可以看出,對于S1組試件,硫酸鹽侵蝕干濕循環100次和125次時,溫度匹配下均高于標養時的強度損失率,說明溫度匹配養護下對硫酸鹽侵蝕產生了明顯的負面影響。對于S2～S5組試件,干濕循環次數相同時溫度匹配均低于標養時試件的強度損失率,說明溫度匹配可以改善摻礦粉或粉煤灰試件的抗侵蝕性,其中S4組試件的抗侵蝕性表現最好,干濕循環125次的損失率僅為11.7%。

溫度匹配會激發摻合料的活性,通過消耗Ca(OH)2大大減少鈣礬石生成量,從而提升其對微觀孔隙的優化作用,改善內部結構的致密性和骨料界面特性,對有害離子向混凝土內部侵蝕起到有效的阻礙作用,從而增強其抗侵蝕能力[13]。

2.3 抗氯離子侵蝕性能

試驗測定溫度匹配和標準養護下各組試件的電通量如圖3所示,從圖3可以看出標準養護下S1組試件的電通量最高,說明該組的抗氯離子侵蝕性最低;此外,28d、90d齡期時S2～S5組試件的電通量均有所下降,這表明S2～S5組試件的抗氯離子侵蝕性較好,并以S2組最優,其28d、90d齡期電通量分別為1306C和882C。溫度匹配養護下S1組試件的電通量有所增加,說明該養護條件下加劇了氯離子滲透;此外,28d、90d齡期時S2～S5組試件的電通量有所減少,這表明溫度匹配養護有利于改善摻礦渣粉與粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕性,并以S4組試件的抗侵蝕性最優,該組試件的28d、90d電通量最小分別為922C和500C。

圖3 混凝土電通量

對于溫度匹配養護未摻礦渣粉與粉煤灰的水工混凝土,由于28d齡期內部水化產物的不均勻分布使其內部很容易形成大孔,不利于抗氯離子侵蝕性的提升。研究認為,溫度匹配養護具有激發礦渣粉、粉煤灰活性的作用,能夠有效降低基體的電通量[14]。因此,對于摻礦渣粉與粉煤灰的水工混凝土,溫度匹配養護能夠在一定程度上增強其抗氯離子侵蝕性。

3 結 論

溫度匹配養護有利于提升大體積水工混凝土的早期水化速率和程度,增強礦物摻合料優化基體微觀孔隙的作用,改善內部結構的致密性和骨料界面特性,對有害離子的侵蝕產生有效阻礙作用,并且對后期水化和強度發展不會造成不利影響。溫度匹配相較于標準養護有利于改善內部界面特性,在很大程度上提升混凝土的致密性和耐久性能。