綠色堆石混凝土的力學(xué)性能和氯鹽侵蝕性能研究

王仕龍，張湖兵，趙本容，朱 丹，吳福飛

(貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 研究背景

影響混凝土力學(xué)性能和耐久性能的因素有很多，譬如水膠比、振搗、砂率、養(yǎng)護(hù)方式和混凝土成型方式等，根據(jù)混凝成型方式的不同可以分為堆石混凝土和常規(guī)混凝土，堆石混凝土是以自密實(shí)混凝土在堆石體中流動(dòng)充滿堆石體形成完整的混凝土[1]。

金峰等[2]對(duì)堆石混凝土的綜合性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論，在力學(xué)性能方面，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度約為自密實(shí)混凝土的120%～125%，堆石混凝土的軸向拉伸強(qiáng)度低于自密實(shí)混凝土，堆石裸露的堆石混凝土層面間具有良好的抗剪性能[2]。在變形性能方面，同尺寸的堆石混凝土和自密實(shí)混凝土，在180 d齡期時(shí)堆石混凝土大試件的最大干縮值為199.3×10-6，是自密實(shí)混凝土大試件最大干縮值的59.7%，堆石混凝土大試件自體積最大收縮值為72.5，是自密實(shí)混凝土大試件最大收縮值的69.8%[2]。在抗?jié)B性能方面，自密實(shí)混凝土的抗?jié)B等級(jí)超過W33，堆石混凝土的抗?jié)B等級(jí)約為自密實(shí)混凝土的58%[2]。在抗凍性能方面，有做單邊凍融試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)快速凍融試驗(yàn)，綜合兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，堆石混凝土的抗凍性能與澆筑的自密實(shí)混凝土相當(dāng)，可以用自密實(shí)混凝土的抗凍等級(jí)表征堆石混凝土的抗凍性能[2]。在熱學(xué)性能方面，測(cè)定了自密實(shí)混凝土線膨脹系數(shù)為8.87×10-7/℃，堆石混凝土的線膨脹系數(shù)為7.76×10-6/℃[2]。

基于上述的研究和一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，堆石混凝土技術(shù)已經(jīng)在北京、四川、云南、山西、重慶、廣東、新疆、西藏等多個(gè)水利水電工程中成功應(yīng)用[2]。但在近海地區(qū)、海洋工程和高鹽堿土壤地仍使用常態(tài)混凝土，主要是堆石混凝土在氯鹽侵蝕的環(huán)境下的研究還相對(duì)較少，為此，本試驗(yàn)就開展綠色堆石混凝土在氯鹽侵蝕環(huán)境下，堆石混凝土中氯離子分布規(guī)律和侵蝕深度，堆石混凝土和自密實(shí)砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 原材料

本試驗(yàn)所用的水泥為42.5級(jí)堯柏水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰來自貴州欣恒福黔西加工廠，化學(xué)成分見表1。天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純氯化鈉，蒸餾水，碎石來自都勻水庫(kù)，粒徑為19～31mm，水為實(shí)驗(yàn)室自來水，減水劑為聚羧酸減水劑，砂的細(xì)度模數(shù)為2.75，屬于中砂。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)方法

通過前期大量的試配，最后確定的水膠比為0.33，減水劑摻量為膠凝材料的1%，砂率為39%，砂膠比為1.6，然后分析粉煤灰摻量、氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堆石混凝土氯鹽分布規(guī)律和侵蝕深度的影響。粉煤灰摻量為0、10%、20%和30%，氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%和15%。按上述比列以及根據(jù)普通堆石混凝土施工技術(shù)成型100 cm×100 cm×100 cm的立方體試件，每組試驗(yàn)有三個(gè)平行試件，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果(三個(gè)測(cè)試值中與平均值相差大于±10%時(shí)，重做該組試驗(yàn))，把試件放在養(yǎng)護(hù)室里濕度>90%，溫度為(20±2) ℃養(yǎng)護(hù)7 d后，試件放在容器中，成型面朝上，下面與容器接觸，在上、下面(成型面和其背面)涂上環(huán)氧樹脂，以避免下面與容器接觸而和溶液接觸不均勻以及上面在成型時(shí)人為刮平造成的影響，移到不同氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)中浸泡120 d后，將試件放在烘箱中烘干，采用帶有深度尺的電鉆在試件的4個(gè)側(cè)面取粉，取粉深度依次為0～5、5～10、10～15 mm，每個(gè)試件所取的粉末量超過40 g，將所有粉末放在烘箱中烘干至恒重，取20 g和80 g克蒸餾水混合攪拌均勻，利用氯離子含量快速測(cè)定儀檢測(cè)堆石混凝土粉末中氯離子的含量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氯離子在堆石混凝土中的分布規(guī)律和侵蝕深度

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，以氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫軸，堆石混凝土粉末氯鹽含量為縱軸，繪出柱狀圖見圖1((a)、(b)、(c)、(d))。從圖1中可以看出，在深度小于15 mm時(shí)，氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)增大堆石混凝土粉末氯離子含量，而隨著粉煤灰摻量的增加會(huì)降低堆石混凝土粉末氯離子的含量。

(a)粉煤灰摻量為0

(b)粉煤灰摻量為10%

(c) 粉煤灰摻量為20%

(d) 粉煤灰摻量為30%

1)氯離子分布規(guī)律：由圖1可知，在粉煤灰摻量固定且侵蝕深度相同的情況下，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈遞增的趨勢(shì)。粉煤灰摻量從0增至30%的過程中，在侵蝕深度相同且氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢(shì)，說明摻入粉煤灰后，能夠改善堆石混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使堆石混凝土更加密實(shí)，氯離子更不容易滲透到堆石混凝土中，從圖1中還可以看出，粉煤灰摻量從20%到30%，堆石混凝土粉末氯離子含量的遞減率大于0～10%和10%～20%，說明摻量從0增到30%時(shí)，最佳的粉煤灰摻量為20%～30%。

2)氯離子侵蝕深度：由于本試驗(yàn)取粉深度依為0～5、5～10、10～15 mm，從圖1中還可知，在氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粉煤灰摻量不變時(shí)，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著侵蝕深度的增大呈遞減的趨勢(shì)，10～15 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量仍低于5～10 mm的含量，未趨于平緩狀態(tài)，說明浸泡的這120 d里，氯離子的滲透深度大于15 mm，以及從圖1中可以看出，0～5 mm到5～10 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量之差大于5～10 mm到10～15 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量之差，這是因?yàn)槁塞}會(huì)在堆石混凝土試件的表面形成氯鹽結(jié)晶，以及在表面的微孔會(huì)有一些氯鹽，因此，為保護(hù)混凝土中的鋼筋不生銹，鋼筋混凝土的混凝土保護(hù)層，一般都要求大于30 mm。

圖2為氯離子含量快速測(cè)定儀。圖3為鉆孔取粉。

圖2 氯離子含量快速測(cè)定儀

圖3 鉆孔取粉

3.2 抗壓強(qiáng)度

堆石混凝土和自密實(shí)砂漿均設(shè)計(jì)兩個(gè)水膠比，分別為0.38和0.43，減水劑摻量為膠凝材料的1%，粉煤灰摻量為0、20%、40%、60%，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d后，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的力學(xué)性能，按下式計(jì)算其抗壓強(qiáng)度：

P=F/A

式中，P為抗壓強(qiáng)度，MPa；F為破壞荷載，N；A為承壓面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4～5所示，在粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，無論水膠比是0.38還是0.43，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度均略大于自密實(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度，堆石混凝土抗壓強(qiáng)度約為自密實(shí)砂漿的105%～125%，這可能是因?yàn)樵谙嗤w積的堆石混凝土和自密實(shí)砂漿中，堆石混凝土中的膠凝材料含量低于自密實(shí)砂漿中，因此，在堆石混凝土中水化熱就會(huì)相應(yīng)的低于自密實(shí)砂漿產(chǎn)生的水化熱，而且堆石混凝土中存在碎石，堆石混凝土水化過程產(chǎn)生部分熱量會(huì)被碎石吸收，從而有效減少因堆石混凝土水化熱引起的溫度裂縫，從而提高了堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度。還可以看出，在粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，堆石混凝土和自密實(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：水膠比為0.38總是大于水膠比為0.43，可見增大水膠比，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度將降低，以及堆石混凝土和自密實(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，水膠比為0.38時(shí)，粉煤灰摻量為60%的堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.31 MPa，是對(duì)照組的57%，而有些重力壩混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度僅要求大于20 MPa，因此，只要其他的性能滿足要求，粉煤灰摻量可為60%，這將節(jié)省大量水泥。

(a)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d

(b)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d

(a)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d

(b)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d

4 結(jié) 論

1)在粉煤灰摻量固定且侵蝕深度相同的情況下，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈遞增的趨勢(shì)，粉煤灰摻量從0增至30%的過程中，在侵蝕深度相同且氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢(shì)。

2)在本試驗(yàn)研究的深度范圍內(nèi)，當(dāng)氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粉煤灰摻量不變時(shí)，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著侵蝕深度的增大呈遞減的趨勢(shì)，隨著氯鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增加。

3)堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度是自密實(shí)砂漿的105%～125%，抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量為60%時(shí)，堆石混凝土和自密實(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度是對(duì)照組的50%～60%。

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