不同巖性骨料水工混凝土的抗凍性能試驗(yàn)研究

王明明

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 福海 836400)

混凝土材料自產(chǎn)生以來(lái)，就憑借其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和優(yōu)良的力學(xué)性能等諸多優(yōu)勢(shì)，成為工程建設(shè)領(lǐng)域使用最為廣泛、用量最大的建筑材料[1]。隨著建筑科技的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的水泥生產(chǎn)國(guó)和混凝土消費(fèi)國(guó)。但是，受到制備技術(shù)等諸多因素的影響，我國(guó)混凝土的服役期限較發(fā)達(dá)國(guó)家仍有巨大差距[2]。究其原因，主要是混凝土結(jié)構(gòu)抗凍融、滲透、侵蝕以及碳化的能力較低[3]。從我國(guó)的實(shí)際情況來(lái)看，有55%的國(guó)土面積處于凍融影響區(qū)域，特別是北方寒區(qū)，大壩的凍融損害十分嚴(yán)重，幾乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的凍融破壞[4]。因此，提高寒冷地區(qū)水工混凝土的抗凍性能，具有重要的理論和工程實(shí)踐價(jià)值。骨料是水工混凝土中使用最多、占比最大的材料，其特征和性能必然會(huì)對(duì)水工混凝土的性能產(chǎn)生顯著乃至決定性的影響[5]。目前，關(guān)于骨料對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響研究較少，且主要集中于輕骨料和再生骨料領(lǐng)域。基于此，本次研究選用水工混凝土領(lǐng)域最常用的5種不同巖性骨料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究骨料品種對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，通過(guò)對(duì)水泥樣品的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，其物理性能和化學(xué)成分均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)中選用的粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，樣品的品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，其各項(xiàng)性能均滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055-2007)要求。研究中使用的混凝土外加劑為PCA-2型聚羧酸高性能減水劑，引氣劑選用的是南通新科有限公司生產(chǎn)的GYQ引氣劑，性能檢測(cè)結(jié)果顯示其完全滿足《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)的相關(guān)要求。

試驗(yàn)用細(xì)骨料采用的是天然河沙，其表面密度為2 750 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.77，石粉含量為5.2%，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2014)的相關(guān)技術(shù)要求；試驗(yàn)用粗骨料根據(jù)試驗(yàn)要求選用花崗巖、石灰?guī)r、凝灰?guī)r、卵石和沙板巖5種不同巖性的骨料，試驗(yàn)采用4級(jí)骨料級(jí)配。

1.2 試驗(yàn)方案

為了獲取不同種類(lèi)骨料對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響，本次研究選用花崗巖(HGY)、凝灰?guī)r(NHY)、灰?guī)r(HY)、卵石(LS)以及砂板巖(SBY)5種不同巖性骨料制作試件，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)結(jié)合水工混凝土施工規(guī)范和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定配合比。其中，水膠比為0.4；粉煤灰摻量為29.5%；通過(guò)減水劑和引氣劑的適量摻入，使拌制好混凝土的含氣量和塌落度滿足相關(guān)設(shè)計(jì)施工要求，其具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 不同骨料試驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 試件制作

試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土試件的制作采用機(jī)械拌和，拌和時(shí)間為2～3 min，對(duì)機(jī)械拌和后的混凝土拌和物再利用手工翻拌幾次，保證其均勻度。將拌制好的混凝土拌和物裝入規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm試模內(nèi)，然后利用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)。在試件成型之后，將上表面沿著模口抹平。在混凝土終凝后2 d后拆模，然后將試件利用標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)24 d，然后放入水中浸泡4 d后即可進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

研究中采用快凍法進(jìn)行試件的凍融循環(huán)試驗(yàn)[7]，具體方法為：將浸泡后的試件擦干凈表面的水分，測(cè)定初始質(zhì)量和自振頻率，并將其作為抗凍性能評(píng)價(jià)的初始值。然后，將試件放入預(yù)先準(zhǔn)備好的試驗(yàn)盒內(nèi)，并在盒內(nèi)注水至沒(méi)過(guò)試件頂面約20 mm，并通過(guò)調(diào)節(jié)溫度進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每25次凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行一次質(zhì)量和自振頻率測(cè)定。試驗(yàn)停止的條件為試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到200次或相對(duì)動(dòng)彈模量下降至初始值的60%[8]。其中，相對(duì)動(dòng)彈模量的計(jì)算公式為：

(1)

式中：P為相對(duì)動(dòng)彈模量，%；f0為試件的初始自振頻率，Hz；fn為n次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的試件自振頻率，Hz。

將試件沿著與澆筑面垂直的方向切割，并將切面研磨拋光，然后使用RapidAir 457 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行氣泡參數(shù)確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗凍試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上節(jié)確定的試驗(yàn)方案和方法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得圖1所示的試件質(zhì)量損失率和圖2所示的相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖1 質(zhì)量損失率變化曲線

由圖1可知，在進(jìn)行25次凍融循環(huán)試驗(yàn)之后，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出小幅增長(zhǎng)；在試驗(yàn)50次之后，質(zhì)量損失率仍呈現(xiàn)出小幅提高的態(tài)勢(shì)；而試驗(yàn)次數(shù)100次之后，試件的質(zhì)量損失率成明顯的加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，說(shuō)明試件表面的剝蝕速度明顯加快。不同巖性骨料的混凝土試件在抗凍性能方面存在一定的差異，在相同試驗(yàn)次數(shù)條件下，質(zhì)量損失率由大到小的排列順序?yàn)镾BY，NHY，LS，HY，HGY。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線

由圖2可知，試件的相對(duì)彈模在試驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)出基本不變、小幅降低和加速下降的態(tài)勢(shì)。具體而言，在前25次凍融循環(huán)試驗(yàn)中，試件的相對(duì)動(dòng)彈模量基本不變，然后開(kāi)始緩慢下降；在150次凍融循環(huán)試驗(yàn)后開(kāi)始加速下降；在200次試驗(yàn)之后損失率大于60%。從不同巖性骨料的對(duì)比來(lái)看，其相對(duì)動(dòng)彈模量變化存在一定差異，試件的相對(duì)動(dòng)彈模量從大到小排列順序?yàn)镠GY，HY，LS，NHY，SBY。

總之，從質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量?jī)蓚€(gè)主要指標(biāo)來(lái)衡量試件的抗凍能力，其由大到小的排列順序?yàn)椋篐GY，HY，LS，NHY，SBY。因此，在其他條件相同時(shí)，花崗巖和灰?guī)r骨料制作的混凝土具有相對(duì)較好的抗凍融性能。

3.2 表面氣泡測(cè)試結(jié)果與分析

利用上節(jié)確定的試驗(yàn)方法，利用RapidAir 457 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對(duì)不同巖性骨料的混凝土試件進(jìn)行進(jìn)行切片觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試件表面氣泡測(cè)定結(jié)果

續(xù)表2

由表2中的數(shù)據(jù)可知，含氣量最高的是HGY混凝土試件，含氣量最低的是SBY混凝土試件，含氣量分別是7.31%和4.90%。由于儀器測(cè)試的氣泡涵蓋了混凝土自身空隙，因此結(jié)果略高；HGY混凝土試件的平均弦長(zhǎng)值最小，為1.096 mm，HY混凝土試件的平均弦長(zhǎng)值最大，為1.118 mm，相對(duì)而言，不同巖性骨料混凝土試件的氣泡平均弦長(zhǎng)值差距不大；隨著混凝土試件的含氣量的增加，試塊內(nèi)氣泡的間距系數(shù)會(huì)逐漸變小。例如，含氣量最高的HGY混凝土試件，其氣泡間距系數(shù)最小，為1.103 mm，含氣量最低的是SBY混凝土試件的氣泡間距系數(shù)最大，為0.185 mm。

一般情況下，混凝土的含氣量增加，則凍融循環(huán)過(guò)程中的剝蝕量會(huì)降低。因此，從含氣量的視角來(lái)看，試件抗凍性能由強(qiáng)到弱的排序?yàn)椋篐GY，HY，LS，NHY，SBY。另一方面，混凝土試件的氣泡間距系數(shù)越小，其抗凍性能越好，因此從氣泡間距系數(shù)來(lái)看，試件抗凍性能由強(qiáng)到弱的排序?yàn)椋篐GY，HY，LS，NHY，SBY。由此可見(jiàn)，花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土的抗凍性能最佳。此外，本次研究也說(shuō)明，在進(jìn)行水工混凝土的抗凍性判斷時(shí)，可以將氣泡間距系數(shù)作為重要的判斷依據(jù)。

4 結(jié) 論

本次研究以混凝土的骨料為切入點(diǎn)，利用試驗(yàn)研究的方法對(duì)不同巖性骨料混凝土的抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 從質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)來(lái)看，花崗巖和灰?guī)r骨料制作的混凝土具有相對(duì)較好的抗凍融性能。

2) 從含氣量和氣泡間距來(lái)看，花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土的抗凍性能最佳；在進(jìn)行水工混凝土的抗凍性判斷時(shí)，可以將氣泡間距系數(shù)作為重要的判斷依據(jù)。

3) 花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土具有較好的抗凍性能，在條件允許的情況下，建議在北方寒區(qū)水工混凝土施工中應(yīng)用。