開封特細(xì)砂混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究

趙書鋒

（開封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，河南開封475004）

砂是混凝土骨架的重要組成部分，一般集料占混凝土總量的70%～80%，而砂占集料體積總量的17%～48%。砂主要起填充粗集料空隙，提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土拌合物工作性能的作用，砂的品質(zhì)對(duì)混凝土的耐久性能有較大影響。開封砂模數(shù)在0.7～1.5之間，屬于特細(xì)砂的范疇，從技術(shù)角度看，雖然特細(xì)砂性能決定其不是生產(chǎn)混凝土的優(yōu)先材料，但是開封砂價(jià)格便宜，存儲(chǔ)量大，隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，中砂越來越供不應(yīng)求，因地制宜采取部分特細(xì)砂代替部分天然中砂，不但可以緩解天然中粗砂緊缺的現(xiàn)狀，對(duì)混凝土行業(yè)以及商品混凝土站也都具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)學(xué)者對(duì)特細(xì)砂混凝土的研究取得了系列成果，但大多是針對(duì)特細(xì)砂混凝土施工性能和強(qiáng)度的研究，而針對(duì)特細(xì)砂混凝土耐久性研究的還較少，本文主要針對(duì)特細(xì)砂混凝土耐久性的抗凍性能開展系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 水泥

本實(shí)驗(yàn)采用新鄉(xiāng)平原同力水泥有限公司生產(chǎn)的平原牌42.5強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥，其基本性質(zhì)如表1。

表1 水泥基本物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 粗骨料

粗骨料選取5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，主要性能指標(biāo)均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ52-2006規(guī)定。

1.3 細(xì)骨料

本次試驗(yàn)用開封特細(xì)砂和人工砂，人工砂來源于開封市某商品混凝土攪拌站，開封特細(xì)砂來源于開封黃河灘采砂場，主要性能指標(biāo)見表2。

1.4 其他材料

水：拌制混凝土采用飲用自然水，試劑配制采用蒸餾水。

減水劑：山東建材有限公司生產(chǎn)的高吸能聚羧酸減水劑。

粉煤灰：開封電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，表觀密度2040 kg/m3，0.045 mm篩余量11.3%。

表2 特細(xì)砂與人工砂物理性能指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)將配制強(qiáng)度等級(jí)為C30、C50的特細(xì)砂混凝土各8組，觀察開封特細(xì)砂摻量分別在0、20%、30%至40%情況下混凝土的抗凍性能。配合比見表3。

表3 試驗(yàn)配合比

3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，抗凍融試驗(yàn)試塊規(guī)格為100mm×100mm×400mm的棱柱體，采用-CABR-HDK9全自動(dòng)混凝土快速凍融機(jī)對(duì)混凝土試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，加水時(shí)間控制在10min內(nèi)，融化時(shí)間不小于4h，始終保持水面高出試件20mm，融化完畢后視為該次循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下次凍融循環(huán)，達(dá)到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)后將再次對(duì)試件質(zhì)量、動(dòng)彈模量進(jìn)行測定；采用DT-16動(dòng)彈模量測試儀進(jìn)行動(dòng)彈模量測定，頻率測量范圍：100～50KHZ。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試件凍融循環(huán)后的表面形態(tài)分析

普通混凝土和摻有特細(xì)砂的混凝土在凍融循環(huán)50次之前均沒有顯著變化，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過100次試件表面均有變化，試件端部小孔數(shù)量明顯增加，內(nèi)部開始有微裂縫出現(xiàn)，試件的物理力學(xué)性能出現(xiàn)明顯降低，降低速度顯著加快，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到250～300次時(shí)，混凝土試件質(zhì)量損失率和相對(duì)彈性模量出現(xiàn)大幅度減小，由圖1可知：C30組試件中，A0表面疏松，外表剝落嚴(yán)重，并出現(xiàn)掉角現(xiàn)象，凍融損傷嚴(yán)重；A1試件有少許砂漿脫落，伴有少許孔洞，粗骨料少許外露；A2試件表面比較平整，無明顯表面現(xiàn)象；A3試件出現(xiàn)少許砂漿脫落，表面出現(xiàn)麻面，但是沒有明顯粗骨料外露出現(xiàn)。從外觀看，明顯出現(xiàn)抗凍能力 A2＞A3＞A1＞A0。C50 組試件中，B0組表面凹凸不平，出現(xiàn)少許骨料外露；B1組有零星粗骨料剝落；B2和B3組沒有明顯表面現(xiàn)象。從外觀看，其抗凍能力B2＞B3＞B1＞A0。整體上C50組凍傷較輕。

圖1 凍融循環(huán)250次試件表面形態(tài)

4.2 質(zhì)量損失率

按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，各試件每隔25次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率應(yīng)按下式計(jì)算:

不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件質(zhì)量損失率如表4。

表4 混凝土質(zhì)量損失率

4.3 再生混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率

按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，相對(duì)動(dòng)彈性模量根據(jù)下式計(jì)算：

不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件相對(duì)動(dòng)彈性模量如表5。

表5 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表4和表5所示數(shù)據(jù)可以看出，普通混凝土與摻有開封特細(xì)砂的C30和C50混凝土，經(jīng)過凍融循環(huán)以后質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨著凍融次數(shù)降低逐漸增加，發(fā)生破壞時(shí)質(zhì)量損失率均未超過5%。同等情況下，C50組抗凍能力比C30組強(qiáng)，摻有特細(xì)砂的混凝土同樣體現(xiàn)了與普通混凝土相同的隨混凝土強(qiáng)度增加抗凍性能增強(qiáng)的性質(zhì)。混凝土中摻入開封特細(xì)砂后，試件的抗凍性能較基準(zhǔn)試件提高，混凝土的抗凍性伴隨開封特細(xì)砂摻加量增加越來越好。C30組混凝土A2組試件（開封特細(xì)砂摻量為30%）凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次、C50組混凝土B2試件（開封特細(xì)砂摻量為30%）凍融循環(huán)300次后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量仍然為65.2%，高于60%。開封特細(xì)砂摻量達(dá)到40%時(shí)，其抗凍性能相對(duì)于30%摻量有所下降，但是其抗凍性能仍然高于基準(zhǔn)組不摻加開封特細(xì)砂混凝土。

上述試驗(yàn)結(jié)果主要原因在于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是孔隙情況與其抗凍性能密切相關(guān)。機(jī)制砂顆粒形貌較差，機(jī)制砂混凝土容易產(chǎn)生較多連通空隙，開封特細(xì)砂粒徑小，50%以上粒徑小于300μm，相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，孔徑＜20nm是無害孔，兩者混合使用，其骨料級(jí)配得到改善，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)也得到一定改善，有效減少了大孔徑孔隙，尤其是開封特細(xì)砂摻量在30%左右，級(jí)配曲線在I區(qū)范圍內(nèi)，故具有較好的抗凍性能，但是，當(dāng)開封特細(xì)砂摻量達(dá)到50%時(shí)，混凝土流動(dòng)性、保水性均出現(xiàn)大幅度下降，這勢(shì)必造成硬化后的混凝土毛細(xì)空隙數(shù)量增加，同時(shí)混凝土強(qiáng)度降低引起抗凍性能下降，但是相對(duì)于基準(zhǔn)組依然具有較好抗凍性能。

5 結(jié)語

摻有特細(xì)砂混凝土同等條件下C50混凝土的抗凍性高于C30混凝土。

試件凍融循環(huán)后，表面形態(tài)與相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降基本一致。摻有特細(xì)砂混凝土凍融破壞其質(zhì)量損失均未達(dá)到5%，故用相對(duì)動(dòng)彈性模量降低衡量其抗凍性能，更具有針對(duì)性和科學(xué)性，混凝土的質(zhì)量損失沒有達(dá)到5%時(shí)，混凝土已經(jīng)發(fā)生凍融破壞。

混凝土抗凍性能伴隨開封特細(xì)砂摻量的逐漸增加后降低，摻量為30%時(shí)最佳。