基于凍融溫度的水工混凝土抗凍性研究

張安生

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

抗凍性是反映水工混凝土耐久性的重要參數(shù)，《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定的降溫終了時試件中心溫度-18℃通常為國內(nèi)水利水電行業(yè)研究水工混凝土抗凍性能的主要依據(jù)，相關(guān)研究大多以材料組分的視角，分析外加劑、礦物摻合料、骨料、水泥等組分對混凝土抗凍性的影響，在此基礎(chǔ)上提出摻加優(yōu)質(zhì)礦物摻合料、選擇合適的骨料與水泥、控制混凝土水膠比、摻加引氣劑等提高混凝土抗凍性能的諸多方法[1-3]，而對混凝土抗凍性受凍融制度本身的影響研究還鮮有報道。

調(diào)查顯示，截至2013年中國已建水庫大壩98002座，這些分布于不同氣候區(qū)域的水庫所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)不盡相同。依據(jù)區(qū)域氣候模式和《氣候變化國家評估報告》，中國的平均氣溫在1920s、1950s、1980s升高了近1.2℃、2.2℃、3.2℃，這將嚴(yán)重影響按凍融程度劃分的區(qū)域水工混凝土結(jié)構(gòu)物。根據(jù)最冷月平均氣溫《水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范》將我國劃分成溫和區(qū)、寒冷區(qū)、嚴(yán)寒區(qū)，以上各分區(qū)水工建筑物的最高抗凍等級依次為F50、F100、F300。文章設(shè)計了F300、F50兩種抗凍設(shè)計等級混凝土，并開展-40℃、-30℃、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃低溫抗凍試驗[4]，系統(tǒng)的探究不同低溫下各等級混凝土的力學(xué)性能、動彈性模量、質(zhì)量損失的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了混凝土微觀特征受凍融循環(huán)的影響。

1 研究方法

1.1 原材料

試驗采用P·O42.5通用硅酸鹽水泥，以及符合規(guī)范要求的Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度模數(shù)為2.70的細(xì)骨料(河砂)，粒徑5-20mm、20-40mm的灰?guī)r人工粗骨料，選用的引氣劑型號為Air-205，減水劑為萘系，外加劑符合有關(guān)規(guī)范要求。化學(xué)成分分析表，見表1。

表1 化學(xué)成分分析表 %

1.2 配合比設(shè)計

采用中國北方氣候嚴(yán)寒區(qū)某水電站F300抗凍等級的面板混凝土、南方溫和區(qū)常見的F50抗凍等級的混凝土和C20強(qiáng)度等級的常態(tài)混凝土配合比，含氣量5%-6%，粉煤灰摻量20%。應(yīng)用絕對體積法設(shè)計兩組配合比，以飽和面干為骨料質(zhì)量，配合比設(shè)計，見表2。

表2 配合比設(shè)計

1.3 試驗方法

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》測試水工混凝土的抗凍性，設(shè)計試件為400mm×100mm×100mm，采用降溫終了-40℃、-30℃、-18℃的F300抗凍設(shè)計水工混凝土、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃的F50抗凍設(shè)計水工混凝土，統(tǒng)一使用8℃作為升溫時中心溫度，執(zhí)行升溫歷時1h、降溫歷時2h的抗凍制度。經(jīng)多次凍融循環(huán)，采用感量5g、稱量10g的電子天平和100Hz-10kHz頻率的測定儀，對以上不同抗凍設(shè)計等級試件的質(zhì)量和動彈性模量進(jìn)行測試。然后依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》中的有關(guān)要求開展力學(xué)性能的測試。凍融后，可利用FEI-650電子顯微鏡測試內(nèi)部芯樣的微觀形貌。

本研究利用自制氣候模擬系統(tǒng)開展不同設(shè)計條件下的凍融試驗，該設(shè)備的溫度波動幅度±0.5℃、實時控制精度0.1℃、溫控區(qū)間-70℃-150℃，通過程序可設(shè)定溫度恒定時間、變溫速率等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 F50低抗凍等級混凝土

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃凍融試件中心低溫凍融作用下F50低抗凍設(shè)計等級水工混凝土的動彈性模量和質(zhì)量損失變化，不同低溫條件下F50低抗凍設(shè)計水工混凝土抗凍性，見圖1。

圖1 不同低溫條件下F50低抗凍設(shè)計水工混凝土抗凍性

由圖1可知，從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計水工混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失自2.5%逐漸上升到7.6%，增長幅度達(dá)到180%。F50水工混凝土在-25℃低溫條件下，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后被凍斷無法測試動彈性模量。結(jié)合150次凍融循環(huán)的測試結(jié)果，水工混凝土的動彈性模量在中心低溫-5℃減少至-25℃過程中，其保留值自76%不斷減少至38%，具有較大的變化幅度。

2.2 F300高抗凍等級混凝土

在-40℃、-30℃、-18℃凍融試件中心低溫凍融作用下F300高抗凍設(shè)計等級水工混凝土的動彈性模量和質(zhì)量損失變化，不同低溫條件下F300低抗凍設(shè)計水工混凝土抗凍性，見圖2。

圖2 不同低溫條件下F300低抗凍設(shè)計水工混凝土抗凍性

由圖2可知，從-18℃不斷減少至-40℃，經(jīng)350次凍融循環(huán)后F300等級的水工混凝土，其質(zhì)量損失自1.5%逐漸上升到7.6%，增長幅度達(dá)到370%。結(jié)合350次凍融循環(huán)的測試結(jié)果，水工混凝土的動彈性模量在中心低溫-18℃減少至-40℃過程中，其保留值自62%不斷減少至40%，變化幅度達(dá)到38%。試驗表明，隨著溫度的降低高抗凍設(shè)計等級的水工混凝土抗凍性具有較大的下降幅度。

2.3 凍融最低溫度影響

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃和-40℃、-30℃、-18℃凍融試件中心低溫凍融作用下，F(xiàn)50水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見圖3；F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見圖4。

圖3 F50水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖4 F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖3、圖4可知，從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計水工混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自40.5%快速上升到84.6%。從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300抗凍設(shè)計水工混凝土經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

2.4 最大凍融循環(huán)次數(shù)

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定的動彈性模量減少到起始值的60%、質(zhì)量損失5%的評判標(biāo)準(zhǔn)，在不同中心低溫凍融下F50、F300經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)，F(xiàn)300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度，見圖5。

圖5 F300水工混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖5可知，在-5℃、-10℃低溫條件下，按-18℃低溫抗凍設(shè)計達(dá)到F50的水工混凝土經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)超過200次、150次；在-30℃、-40℃低溫條件下，按-18℃低溫抗凍設(shè)計達(dá)到F300的水工混凝土經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次、160次。

2.5 微觀形貌分析

將凍融循環(huán)作用后的水工混凝土內(nèi)部芯樣利用環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行直接觀測，能夠有效避免水工混凝土芯樣受表層噴金處理、烘干等工序的影響，可以最大限度的表征混凝土微觀形貌受凍融作用的影響。

根據(jù)-40℃低溫經(jīng)350次循環(huán)的F300和-18℃低溫經(jīng)200次循環(huán)的F50芯樣的微觀形貌可知，一定程度的凍融循環(huán)作用可以使水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的裂縫，裂縫寬度總體處于0.5-3.1μm之間，凍融循環(huán)在很大程度上改變了水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，使其變得更加疏松，這些疏松結(jié)構(gòu)以及裂縫的存在為有效滲入凍融介質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，在很大程度上加快了凍脹破壞，對水工混凝土抗壓強(qiáng)度以及動彈性模量的變化造成直接影響。

3 結(jié) 論

1)不同等級的水工混凝土抗凍性能隨著凍融最低溫度的降低而逐漸下降。從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失增長幅度達(dá)到180%，動彈性模量在中心低溫-5℃減少至-25℃過程中，其保留值自76%不斷減少至38%，變化幅度達(dá)到50%以上；從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300混凝土經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損增長幅度達(dá)到370%，動彈性模量在中心低溫-18℃減少至-40℃過程中，其保留值自62%不斷減少至40%，變化幅度達(dá)到38%。

2)隨著凍融最低溫度的降低水工混凝土的最大凍融循環(huán)次數(shù)和力學(xué)性能不斷減少。從-5℃不斷減少至-25℃，F(xiàn)50抗凍設(shè)計水工混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自40.5%快速上升到84.6%；從-18℃不斷減少至-40℃，F(xiàn)300抗凍設(shè)計水工混凝土經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

3)一定程度的凍融循環(huán)作用可以使水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的裂縫，裂縫寬度總體處于0.5-3.1μm之間，凍融循環(huán)在很大程度上改變了水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，使其變得更加疏松，并為有效滲入凍融介質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，在很大程度上加速了凍脹破壞。