不同養(yǎng)護制度下道路高性能混凝土的耐久性研究

摘 要：為了研究花養(yǎng)護制度對道路高性能混凝土耐久性的影響，本文以花崗巖石粉替代超高性能混凝土中的水泥，在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護制度下，研究了混凝土的力學性能和耐久性。結果表明，加熱養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護的超高性能混凝土力學性能更好，蒸汽養(yǎng)護時，混凝土的耐久性最佳。隨著花崗巖石粉替代率增加，超高性能混凝土的力學性能呈先提高、后降低的趨勢，替代率為25%時力學效果最佳。超高性能混凝土的耐久性隨著花崗巖石粉替代率增加而提高，當替代率增至25%后，混凝土的耐久性增強速率逐漸平緩。

關鍵詞：超高性能混凝土；力學性能；膨脹率；質(zhì)量損失；吸水率

中圖分類號：TU 755" " " 文獻標志碼：A

隨著土木工程領域迅速發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁拔地而起，對混凝土的抗壓強度提出了更高要求，超高性能混凝土是一種無粗骨料并含有鋼纖維的混凝土，抗壓強度為120MPa～180MPa[1]。超高性能混凝土具有超高的強度和較高抗剪能力，使混凝土構件的自重變小，顯著降低結構的恒載，減少結構的慣性荷載，提高結構的抗震性能[2]。超高性能混凝土與傳統(tǒng)的混凝土非常相似。經(jīng)過蒸汽或加熱處理后會影響力學性能和耐久性[3]。超高性能混凝土在制備的過程中水泥使用量較高，為普通混凝土用量的2～3倍，不僅會增加超高性能混凝土的成本，還會加劇溫室效應。花崗巖石粉是很常見且價格低廉的工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分為SiO2，可以作為混凝土的膠凝材料替代水泥。本文研究了花崗巖石粉的質(zhì)量替代率分別為0%、15%、20%、25%和30%，在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護制度下，探討了超高性能混凝土的力學性能和耐久性。

1 材料和方法

1.1 超高性能混凝土的組成成分

用于制備超高性能混凝土混合料的成分不同于傳統(tǒng)的混凝土混合物。普通硅酸鹽水泥、花崗巖石粉、硅灰、石英砂、石英粉、高效增塑劑、鋼纖維和水是制備超高性能混凝土的主要材料。

1.1.1 水泥

本文使用了普通硅酸鹽水泥。水泥型號為P.O42.5，密度為3122kg/m3。水泥的粒徑分布如圖1所示，水泥的化學成分和燒失量見表1。

1.1.2 花崗巖石粉

花崗巖石粉是當?shù)厥募庸S在加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，利用球磨機再次對花崗巖石粉進行研磨，可獲得粒徑更小的花崗巖石粉。花崗巖石粉粒的密度為2786kg/m3，花崗巖石粉粒徑分布如圖1所示，花崗巖石粉的化學成分和燒失量見表2。

1.1.3 硅灰

硅灰是硅鐵合金的副產(chǎn)品，具有極高的細度，二氧化硅含量為95%～97%。硅灰的粒徑為0.1μm左右，非常細。

1.1.4 石英砂

采用石英砂替代傳統(tǒng)混凝土中的粗骨料。為黃白色高純硅砂。石英砂的粒徑在0.3mm～0.8mm。

1.1.5 石英粉

試驗使用的石英粉為白色粉狀石英粉。石英粉的粒徑范圍為1μm～3μm。

1.1.6 外加劑

本文采用聚羧酸高效減水劑。

1.1.7 纖維

本文使用的纖維是鋼纖維，其長度為0.6mm，直徑為0.1mm。

1.2 混凝土配合比

試驗配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》為依據(jù)，共制備了5組混凝土。花崗巖石粉的質(zhì)量替代率分別為0%、15%、20%、25%和30%。其中花崗巖石粉替代率為0%的混凝土為對照組。本文中每組混凝土混合成分的水膠比恒定為0.17。各組混凝土的配合比見表3。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度測試

混凝土的抗壓強度是混凝土最重要的性能之一。根據(jù)GB/T50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，根據(jù)上述配合比制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，用于抗壓強度試驗。澆筑24h后脫模，用3種不同的養(yǎng)護制度進行28d齡期的養(yǎng)護。對于每個養(yǎng)護制度，均制備一式三份的試塊。試塊在萬能試驗機上進行測試，記錄試塊失效的極限荷載。

1.3.2 抗酸侵蝕試驗

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，置于25℃的溫度中24h后脫模，在3種不同的養(yǎng)護制度下對混凝土試塊進行28d齡期的養(yǎng)護。養(yǎng)護結束后將試塊取出，放入烘箱進行烘干。測量立方體試塊的質(zhì)量。使用5%的稀硫酸（H2SO4），pH值約為2，將立方體試塊浸泡在稀硫酸中，分別在5d、7d、14d和28d測量試塊的質(zhì)量，計算質(zhì)量損失。

1.3.3 抗硫酸鹽侵蝕試驗

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，以上述方法進行養(yǎng)護，制備含5%硫酸鈉（Na2SO4）和5%硫酸鎂（MgSO4）的水溶液，將立方體試塊浸泡在硫酸鹽溶液中。通過定期更換溶液來保持整個侵蝕過程，觀察并測量第28d混凝土試塊的體積變化量。

1.3.4 吸水試驗

為了研究混凝土的吸水性能，制備尺寸為直徑100mm×高50mm的混凝土圓柱體試樣，用于吸水率測試。在3種不同的養(yǎng)護制度下對混凝土試件進行28d齡期的養(yǎng)護，然后在110℃的烘箱中烘干24h，測量試樣的質(zhì)量（W1）。將干燥的試樣在室溫下完全浸入清水24h。將試樣從浸泡狀態(tài)下取出后，擦去表面的水，記錄試樣的質(zhì)量（W2）并計算吸水率。吸水率的計算如公式（1）所示。

（1）

2 結果和討論

2.1 超高性能混凝土的抗壓強度

不同養(yǎng)護制度下超高性能混凝土在28d齡期的抗壓強度如圖2所示。可以看出，不同的養(yǎng)護制度會影響超高性能混凝土的抗壓強度。正常養(yǎng)護時，各種試驗摻合料的抗壓強度最高可達155MPa，蒸汽養(yǎng)護時最高可達161MPa，加熱養(yǎng)護時最高可達181MPa。熱養(yǎng)護的溫度為200℃，蒸汽養(yǎng)護的溫度為90℃。因此，從圖2可以看出，超高性能混凝土的抗壓性能隨養(yǎng)護制度類型的不同而不同。花崗巖石粉的替代率為0%、15%、20%、25%和30%時，熱養(yǎng)護制度下混凝土的抗壓強度均為最大，蒸汽養(yǎng)護制度下混凝土的抗壓強度次之，正常養(yǎng)護制度下混凝土抗壓強度均為最小。

從圖2可以看出，隨著花崗巖石粉的替代率增加，混凝土的抗壓強度呈先增大、后變小的趨勢。當花崗巖石粉的替代率達25%時，混凝土的抗壓強度不再提高。

2.2 超高性能混凝土的抗酸侵蝕能力

酸侵蝕是超高性能混凝土的一個重要的耐久性能。圖3～圖5為不同的養(yǎng)護制度下超高性能混凝土在不同齡期的質(zhì)量損失率。從圖3～圖5可以看出，正常養(yǎng)護制度下，混凝土質(zhì)量損失率最高，蒸汽養(yǎng)護制度下，混凝土質(zhì)量損失率最低。

3種養(yǎng)護制度下，當花崗巖石粉的替代率增加時，混凝土的質(zhì)量損失率呈先增大、后變小的變化規(guī)律；當花崗巖石粉的替代率較高時（25%和30%），超高性能混凝土的抗酸侵蝕能力有顯著提高。原因是超高性能混凝土的微觀結構得到了改善，混凝土更密實，延緩了酸溶液對微孔的滲透。

對不同養(yǎng)護制度下超高性能混凝土酸侵蝕后的殘余抗壓強度進行測試。結果顯示，超高性能混凝土的殘余抗壓強度在抗酸侵蝕方面具有優(yōu)異性能。在酸溶液中連續(xù)浸泡28d后，花崗巖石粉替代率為25%時混凝土抗壓強度最高。加熱養(yǎng)護時，抗壓強度最高可達162MPa，蒸汽養(yǎng)護時抗壓強度最高可達153MPa，正常養(yǎng)護時抗壓強度最高可達145MPa。

2.3 超高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力

本文在3種不同的養(yǎng)護制度下測試了硫酸鹽溶液對各組超高性能混凝土試塊的影響，觀察并測量混凝土的體積增加量。在3種養(yǎng)護制度中，蒸汽養(yǎng)護時混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力最強，正常養(yǎng)護時混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力最弱。無論哪種養(yǎng)護制度，混凝土的體積增加量均大于對照組混凝土。使用花崗巖石粉替代水泥會使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力減弱，花崗巖石粉替代率變化對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響并不明顯。

2.4 超高性能混凝土的吸水能力

在不同養(yǎng)護制度下對各組超高性能混凝土進行吸水試驗。將圓柱體試件烘干，測量質(zhì)量。然后將試件在水中浸泡48h，48h后計算混凝土試件的吸水率。結果表明，隨著花崗巖石粉替代率增加，混凝土的吸水率逐漸增加。在3種不同養(yǎng)護制度下，蒸汽養(yǎng)護的試件吸水率最低，具有較好的抗吸水能力。與正常養(yǎng)護相比，在加熱和蒸汽養(yǎng)護中，混凝土的吸水率更低。原因是養(yǎng)護過程加快，使混凝土內(nèi)部更致密。

3 結論

本文以花崗巖石粉替代超高性能混凝土中的水泥，研究了其在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護制度下的力學性能。所得結論如下。1）與正常養(yǎng)護制度相比，加熱養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護制度均表現(xiàn)出較好的力學性能和耐久性。加熱養(yǎng)護時，混凝土的力學性能最佳。蒸汽養(yǎng)護時，混凝土的耐久性最佳。2）隨著花崗巖石粉替代率增加，超高性能混凝土的力學性能呈先提高、后降低的趨勢，替代率為25%時力學效果最佳。花崗巖石粉替代水泥能夠提升混凝土的抗酸侵蝕能力，降低混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，提升混凝土的吸水能力。

參考文獻

[1]閻肖宇.內(nèi)摻花崗巖石粉摻量對水工混凝土性能規(guī)律影響研究[J].四川水利，2023（1）：11-14.

[2]耿春東，丁慶軍，劉勇強，等.壓蒸條件下花崗巖石粉對UHPC性能的影響[J].硅酸鹽通報.2022，37（2）：533-540.

[3]徐延，劉行，李超.石粉對預制沉管機制砂混凝土性能的影響研究[J].混凝土與水泥制品，2021（8）：41-44.