混凝土耐久性試驗研究與應(yīng)用

1 概述

混凝土耐久性是困擾當今世界混凝土行業(yè)的普遍問題，我國是世界上最大的水泥生產(chǎn)國，混凝土工程量也居世界之首，近年來對于混凝土技術(shù)研究雖然發(fā)展較快，但經(jīng)調(diào)查，混凝土耐久性的研究卻存在下降的趨勢。

我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，致使不少水工建筑物出現(xiàn)了凍融破壞現(xiàn)象，根據(jù)全國水工建筑物耐久性調(diào)查資料，在32座大型混凝土壩工程，40座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題，因此，混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一，嚴重影響了建筑物的長期使用和安全運行，為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用和效益，各部門每年都耗資巨額的維修費用，而這些維修費用為建設(shè)費用的1倍～3倍。

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)和建筑規(guī)模迅速擴大，地處歐亞大陸中心，遠離海洋的伊犁也在發(fā)生著日新月異的變化，水利水電等建筑工程也日益增多，對工程質(zhì)量要求也越來越高，因此，混凝土抗凍的試驗與研究是本地區(qū)亟待解決的問題，該項試驗將提高水利水電等建筑工程的質(zhì)量，從而提高使用壽命，以解決混凝土抗凍在伊犁地區(qū)存在的問題和缺點，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，為伊犁工程建設(shè)作出貢獻。

2 試驗研究

2．1 原材料

1)水泥:新疆南崗黃鴨42．5普通硅酸鹽水泥，實測28 d抗壓強度48．6 MPa，其他各項指標均滿足GB 175-1999規(guī)范要求。

2)水洗砂:察縣蘇阿蘇砂場，細度模數(shù)2．7，屬Ⅱ區(qū)中砂級配，含泥量2．1%，泥塊含量0．0%，飽和面干視密度為2．67 g/cm3，飽和面干吸水率0．82%，其堿活性屬B類。

3)卵石(5 mm ～20 mm):含泥量 0．3%，泥塊含量 0．0%，針片狀顆粒含量0．1%，壓碎指標0．3%，其堿活性屬B類。

4)卵石(20 mm ～40 mm):含泥量0．2%，泥塊含量0．0%，針片狀顆粒含量0．1%，石子平均飽和面干視密度為2．68 g/cm3，飽和面干吸水率0．80%。

5)外加劑。該工程新采用的外加劑為JC-1引氣減水劑，由新疆玉鑫蕊科技開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其各項性能指標均達到GB 8076-1997技術(shù)要求。

2．2 混凝土配合比設(shè)計與試驗

2．2．1 配合比設(shè)計

混凝土配合比設(shè)計采用絕對體積法計算單位體積混凝土各項材料用量，粗、細骨料均以飽和面干狀態(tài)為準，在進行混凝土配合比設(shè)計時充分體現(xiàn)了安全可靠、經(jīng)濟合理的原則，即在滿足抗壓強度、抗凍、抗?jié)B三大指標的前提下，還要考慮混凝土的工作性，以方便施工。

2．2．2 混凝土配合比試驗

1)試驗方案。本試驗采用JC-1引氣型減水劑，分別配制水膠比為0．35，0．40，0．45 的二級配混凝土，混凝土的配合比如表 1 所示，在試驗中混凝土的坍落度控制在3．5 cm～5 cm，引氣減水劑摻量根據(jù)要求的含氣量進行調(diào)整，出機含氣量控制在4．5%～5．5%，在拌合完成后測試混凝土的初始含氣量和容重，然后將混凝土裝入器皿中，在混凝土振動臺上對混凝土進行振動。振動完畢后，測試含氣量和容重，成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體進行凍融試驗，混凝土凍融試驗采用SL 352-2006中規(guī)定的快速凍融法進行，φ175 mm×180 mm×150 mm的圓柱體進行抗?jié)B試驗，150 mm×150 mm×150 mm立方體進行抗壓試驗。

2)混凝土抗壓強度試驗。混凝土主要有C20二級配(F200 W6)，為提高混凝土性能，在混凝土中均摻入了較高的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以改善混凝土的和易性，增強混凝土密實性，提高混凝土的抗凍、抗?jié)B性能，通過大量試驗初選后和易性好，抗壓強度滿足配制混凝土強度要求的配合比見表1。

表1 混凝土初選配合比與抗壓強度試驗結(jié)果

3)混凝土抗凍試驗。混凝土抗凍性能的好壞，是判定混凝土耐久性的重要指標之一，要使混凝土滿足抗凍要求，在混凝土中必須摻加引氣劑或引氣減水劑，SL/T 191-96水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范4．4．7“抗凍混凝土必須摻加引氣劑”，SL 22-98水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范4．14“抗凍混凝土必須使用有引氣作用的外加劑”，此混凝土配合比摻入適量的引氣減水劑，以保證混凝土的抗凍要求，混凝土抗凍試驗采用快凍法進行。

4)抗?jié)B試驗。抗?jié)B試驗采用逐級加壓進行，經(jīng)0．8 MPa壓力，6個試件均無滲水現(xiàn)象，說明抗?jié)B性良好，試驗結(jié)果見表2。

表2 混凝土抗凍、抗?jié)B試驗結(jié)果

2．3 試驗結(jié)果分析

高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，目前國際上已廣泛認識到高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性能和高強度等特性，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)能大幅度地增加混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，同時具有顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)外專家對高性能混凝土與高強混凝土的認識尚不統(tǒng)一，但對高性能混凝土突出耐久性的認識是一致的。大量工程實踐表明，因混凝土強度設(shè)計不足導(dǎo)致工程破壞的實例甚為少見，而因混凝土處于嚴酷環(huán)境中由于耐久性不足致使混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞的實例頗為多見。因此，混凝土耐久性日益倍受關(guān)注。將來有可能不再是以強度而是以耐久性作為設(shè)計的控制性指標。

2．3．1 水膠比對混凝土的影響

水膠比是決定混凝土組織結(jié)構(gòu)致密性與孔結(jié)構(gòu)特征的基本因素，隨著水膠比的減小，膠凝材料用量增加，單位膠凝材料所附著的引氣劑數(shù)量減少，混凝土粉度隨之增大，也造成包裹空氣的能力相應(yīng)減小。因此，混凝土隨著水灰比的減小而提高，對C20非泵送混凝土為0．35～0．45三個水灰比進行對比試驗，并對混凝土拌合物性能與抗壓強度等試驗資料進行綜合分析，最后優(yōu)選出合理的水膠比。

2．3．2 水泥對混凝土抗凍性能的影響

試驗所采用的南崗生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥42．5符合GB 175-1999的技術(shù)要求，且熟料中的C3A較低，＜1%，早期強度較高，與外加劑的適應(yīng)性較好，對水泥適應(yīng)性好的外加劑，能顯著改善混凝土的毛細孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實度，這對混凝土的抗凍和抗?jié)B非常有利。

2．3．3 引氣劑對混凝土抗凍性能的影響

長期的工程實踐與室內(nèi)研究資料表明，提高混凝土抗凍耐久性的一個十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑，引氣劑是具有憎水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡，這些氣泡切斷了部分毛細管路，能使混凝土結(jié)冰時產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細管與外界的通路，使外界水分不易浸入，減少了混凝土的滲透性，從而可提高混凝土的力學(xué)強度和抗?jié)B等耐久性。

試驗中所摻入引氣減水劑，試驗結(jié)果說明所推薦的混凝土配合比其力學(xué)性能及抗凍、抗?jié)B等耐久性均滿足設(shè)計要求。

2．3．4 粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響

優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用，能夠在一定程度上降低氯離子擴散系數(shù)，提高混凝土的電阻率，摻入一定量的粉煤灰能有效改善混凝土的工作及混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑得以細化和均化，提高混凝土的密實度，從而提高混凝土的抗?jié)B與抗凍性能。

2．3．5 骨料對混凝土抗凍性的影響

骨料內(nèi)部孔隙過多過大，吸水率偏大，堅固性差，凍融時骨料內(nèi)存在的脹壓力就大，對骨料自身的破壞性也越大。破壞時，骨料與水化硅酸之間出現(xiàn)裂縫，嚴重時骨料自身破裂，表面砂漿嚴重剝離，因而，吸水率較大的骨料對混凝土抗凍性能的影響同樣不可忽視。

綜上試驗研究，影響混凝土強度及耐久性的因素很多，選擇優(yōu)質(zhì)的引氣劑及其他原材料，在合理水膠比、砂率、粉煤灰摻量的前提下，按照嚴格的生產(chǎn)工序，結(jié)合施工現(xiàn)場工作條件，我們才能生產(chǎn)出符合設(shè)計要求的抗凍混凝土。

3 工程應(yīng)用

1)工程概況。察縣綽霍爾鄉(xiāng)安全飲水工程，位于察縣綽霍爾鄉(xiāng)，主要著眼于農(nóng)村生產(chǎn)生活用水工程，包括新建防滲渠道、維修灌溉系統(tǒng)、高效節(jié)水工程、改造中低產(chǎn)田等項目，逐步解決農(nóng)業(yè)用水體系。

2)實際所用原材料與試驗研究用的原材料一致，如前所述。

3)設(shè)計配合比。

通過試驗，得出試驗室配合比見表1。

4)試配結(jié)果。試驗結(jié)果說明所推薦的混凝土配合比其分別生成其抗凍、抗?jié)B等設(shè)計要求。

4 結(jié)語

混凝土凍融破壞是水工混凝土建筑物在運行過程中產(chǎn)生的主要病害之一，而提高混凝土抗凍性的重要途徑是增加混凝土的密實性，阻斷混凝土中的開口連通孔隙。因此，該項目的研究，只要適當減小水灰比，摻入適量的引氣減水劑和選擇吸水率較小的堅固骨料，就能滿足混凝土的抗凍要求。

［1］李麗慧，李肇新．普通混凝土配合比設(shè)計淺議［J］．山西建筑，2009，35(14):147-148．