凍融循環作用下模袋混凝土耐久性試驗研究

薛亞民，王 毅

(淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 淮安 223400)

1 前言

淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標段位于漣水縣境內，西起保灘鎮十堡村，東至石湖鎮瓦房村，途經保灘、漣城、徐集、南集、黃營、唐集、石湖7個鄉鎮，全長約78 km。本工程模袋混凝土施工段比較分散，戰線較長，施工點12處共計16.41 km，坡長10.12 m～30.5 m不等，而且施工期間11月～次年2月工程區進入季凍期，對于模袋混凝土施工及材料性能的正常發揮存在十分不利的影響，為此必須通過抗壓強度試驗、凍融循環試驗及干濕循環試驗等進行模袋混凝土材料耐久性提升的分析研究。

2 材料和試驗方案

2.1 試驗材料

本次模袋混凝土耐久性試驗使用的是42.5 MPa早強硅酸鹽水泥，該標號水泥細度1.8%，初凝和終凝時間分別為180 min和292 min，安定性合格，標準粘稠度27.1%，燒失量1.03%，3 d和28 d抗壓強度分別為27.2 MPa和53.1 MPa，3 d和28 d抗折強度為5.4 MPa和8.9 MPa。試驗用粗細骨料均取自距工程區4 km的漣水縣楚雄料場，粗骨料堆積密度、緊密密度分別為1534 kg/m3和1605 kg/m3，孔隙率為44%，含泥量0.74%；細骨料堆積密度、緊密密度為1601 kg/m3和1695 kg/m3，含水量和含泥量分別為0.57%和2.64%。粉煤灰取自漣水縣電廠，其化學成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，分別占48.74%、20.83%、1.31%和29.12%。大理石粉取自漣水縣權鎮石材廠，化學成分主要為SiO2、CaO、MgO、CaCo3，分別占比47.95%、7.58%、4.78%、39.631%，其余為雜質。硅粉取自權鎮玉石加工廠，SiO2和燒失量含量分別為95.34%、0.81%。

2.2 試驗方案

本文主要針對漣水縣境內的淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標段現役模袋混凝土襯砌工程的配合比優化進行研究，試驗材料直接從工程區選取，按照JGJ 55-2011的相關規定將模袋混凝土設計強度定為C25等級，在試驗組材料中分別摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉進行對比，其中摻加粉煤灰、硅粉的試驗組粉煤灰摻量為10%和20%，硅粉摻量4%、8%和12%；摻加粉煤灰、大理石粉的試驗組粉煤灰摻量10%和15%，大理石粉摻量5%、10%、15%[1]。考慮到工程實際情況，本文僅選取力學性能較好配合比的試驗組進行模袋混凝土材料力學性能試驗和耐久性試驗。

淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標段現役模袋混凝土配合比設計見表1，表中JZ表示基準組，F為粉煤灰摻量，分別為10%、15%和20%，S為硅粉摻量，分別為4%、8%和12%。D為大理石粉摻量，分別為5%、10%、15%。

表1 工程項目模袋混凝土配合比設計

配合比是影響模袋混凝土性能及耐久性的主要因素，考慮到本工程模袋混凝土施工的實際要求，摻加粉煤灰和大理石粉基準組的配合比按水泥∶沙∶石∶水∶外加劑=1∶2.22∶2.06∶0.5∶0.03；摻加粉煤灰、硅粉的基準組配合比則按水泥∶沙∶石∶水∶外加劑=1∶2.41∶2.05∶0.5∶0.04。

2.3 試驗方法

2.3.1 抗壓強度試驗

依據GB/T 50081-2002進行本工程模袋混凝土抗壓強度試驗，按照100 mm×100 mm×100 mm的規格制作試件，3 d后脫模并自然養護，進行試件在3 d、7 d和28 d齡期抗壓強度檢測，每個齡期每組配合比下檢測3塊試件[2]。抗壓強度試驗過程中以0.45 MPa/s的速度勻速加載，待試件開始出現變形破壞時加載過程停止，并進行試驗數據記錄。根據規范所規定的公式進行模袋混凝土試塊抗壓強度計算：

式中：fcu為模袋混凝土試塊抗壓強度，MPa；P為試件開始出現變形破壞時的荷載，N；A為模袋混凝土試塊承壓面積，mm2。

2.3.2 干濕循環試驗

當前國內外相關規范中并未進行模袋混凝土干濕循環試驗方法的規定，結合當前現有成果并充分考慮淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標段施工環境條件，在摻加大理石粉、粉煤灰以及摻加硅粉、粉煤灰試驗組中分別選取力學性能最好的兩組，并以各自的基準組為參照組，按100 mm×100 mm×100 mm規格制作試件，養護27 d后放入清水浸泡24 h，再將試件置入55℃±3℃烘箱中烘干11 h，取出后冷卻1 h，再放入清水內浸泡12 h，以一次干濕循環為24 h進行重復性試驗。并通過公式計算干濕循環次數分別為15次、30次、45次、60次、75次、90次、105次、120次的模袋混凝土試塊質量損失率ΔWn參數取值，公式如下：

式中：G0、Gn為模袋混凝土試塊干濕循環前、后質量。

2.3.3 凍融循環試驗

按照GB/T 50082-2009和DL-T 5150-2001的規定，本工程采用快凍法進行凍融循環試驗。先按100 mm×100 mm×100 mm規格制作試件并養護24 d，再將其浸泡在清水中，并使水面高出試件頂端25 mm～35 mm，浸泡4 d后在摻加大理石粉、粉煤灰以及摻加硅粉、粉煤灰試驗組中分別選取力學性能最好的兩組試件置入凍融循環試驗機進行凍融試驗。評價指標選取質量損失率、動彈性模量變動率，凍融循環次數設定為200次，并按25次的間隔進行上述兩項指標所需參數的檢測。

3 模袋混凝土耐久性試驗

3.1 抗壓強度試驗

按照試驗要求進行試件制備與養護，試件在3 d、7 d和28 d齡期抗壓強度試驗結果具體見表2。

由表2試驗結果可知，摻加粉煤灰、硅粉的試驗組當粉煤灰摻加量10%時，隨硅粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，進一步分析模袋混凝土力學性能曲線(圖1(a))發現，摻量為8%時試件抗壓強度達到最大。當粉煤灰摻加量20%時，隨硅粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，且根據力學性能曲線(圖1(b))，摻量為4%時試件抗壓強度達到最大。粉煤灰摻量10%替代率的抗壓強度比摻量20%替代率抗壓強度高，也就是說在摻加粉煤灰、硅粉的情況下，粉煤灰替代率增加導致抗壓強度降低。

表2 模袋混凝土試件不同齡期抗壓強度試驗結果

圖1 模袋混凝土力學性能曲線

摻加粉煤灰、大理石粉的試驗組當粉煤灰摻加量10%時，隨大理石粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強度在3 d、7 d和28 d齡期下先上升后下降，而且，摻量為10%時試件抗壓強度達到最大。當粉煤灰摻加量20%時，隨大理石粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，且摻量為5%時試件抗壓強度達到最大，同時在摻加粉煤灰、大理石粉的情況下，粉煤灰替代率20%時抗壓強度最優。

3.2 干濕循環試驗

根據所測定的模袋混凝土質量損失量進行在干濕循環作用下工作性能喪失程度的確定，質量損失率試驗結果見表3。

根據表3所給出的摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗組干濕循環質量損失率結果可知，試塊干濕循環試驗在清水浸泡下進行，兩種試驗組前15次干濕循環試驗中試塊質量都呈增加趨勢。工程區清水中富含的大量離子滲入混凝土試塊部分孔隙，另一部分孔隙在干濕循環作用下也被填充，所以干濕循環質量增加。當干濕循環次數超過30次后模袋混凝土試塊質量逐漸下降，這表明，離子填充對模袋混凝土試塊質量的影響比干濕循環的影響小。在干濕循環次數超120次后F20S4的質量損失率比JZS大0.28%，F10S8質量損失率比JZS小0.14%，F15D5質量損失率比JZD大0.35%，F10D10質量損失率比JZD小0.06%，以上結果表明在20%的替代率下，隨著粉煤灰摻量的減少和硅粉、大理石粉摻量的增加，模袋混凝土材料抗干濕能力顯著增強，也就是說，通過硅粉和大理石粉摻量的合理設置能有效提升模袋混凝土材料的耐久性能。

表3 模袋混凝土干濕循環質量損失率試驗結果 單位：%

3.3 凍融循環試驗

根據所測定的工程所使用模袋混凝土質量損失量進行其在凍融循環作用下工作性能喪失程度的確定，質量損失率試驗結果見表4。

表4 模袋混凝土凍融循環質量損失率試驗結果 單位：%

從表4可知，本工程摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后的模袋混凝土材料質量損失率呈先降后增的變化趨勢，待凍融循環次數達200次時，摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗組內F20S4質量損失率比JZS高出0.04%，F10S8質量損失率比JZS低0.17%，F15D5質量損失率比JZD高0.41%，F10D10質量損失率比JZD高0.12%，表明，摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后能使模袋混凝土抗凍融性能提升；摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗組的質量損失率均低于0.50%，而且摻粉煤灰、大理石粉的質量損失率比摻粉煤灰、硅粉質量損失率大，說明，摻粉煤灰、硅粉后的模袋混凝土材料抗凍性能更優。

4 結論

通過對淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標段模袋混凝土進行摻粉煤灰、大理石粉、硅粉情況下的抗壓強度試驗、凍融循環試驗及干濕循環試驗結果分析表明，摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后模袋混凝土材料的120次干濕循環試驗和200次凍融循環試驗的質量損失率顯著降低，耐久性明顯提升，試驗結果對于工程在季凍期內的施工質量控制具有很大的參考價值。