氯鹽侵蝕作用下水工粉煤灰混凝土徐變特征研究

陳遠奇

(遼寧澤峰水利工程規(guī)劃設計有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 研究背景

隨著水利工程設計和建設技術的不斷發(fā)展，大型和超大型水利工程數(shù)量日漸增多，進而產(chǎn)生了數(shù)量龐大的水工混凝土需求量。面對混凝土生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染問題，節(jié)能、低碳、環(huán)保已經(jīng)成為水工混凝土研究的重要方向[1]。粉煤灰作為火電廠的副產(chǎn)物，曾經(jīng)是重要的污染源。相關研究顯示，在水工混凝土中加入一定比例的粉煤灰，不僅可以減少水泥用量，還可以改善混凝土的物理性能[2]。另一方面，在我國的西部鹽堿地區(qū)和沿海地區(qū)，混凝土的氯鹽侵蝕問題比較突出，造成混凝土開裂、強度下降，從而對水工結構的安全穩(wěn)定性造成影響[3]。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討水工粉煤灰混凝土在氯鹽侵蝕下的徐變特征，力求為水工混凝土結構預防氯鹽侵蝕提供理論和實踐經(jīng)驗借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗使用的水泥為太行山牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，對水泥樣品的測試結果顯示，其初凝和終凝時間分別為180和278min，比表面積為412m2/kg，28d抗壓和抗折強度分別為9.2和41.9MPa，各項指標均滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

試驗用粉煤灰為本溪市第二熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其密度為2200kg/m3，需水量小于105%，含水率為0.6%，燒失量為7.0%，各項指標均滿足GB 1596—2005《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的要求。

試驗用細骨料為河沙，其細度模數(shù)為2.74，表觀密度和堆積密度分別為2650和1580kg/m3；試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，為粒徑5～20mm的連續(xù)級配，壓碎率為5.3%，表觀密度和堆積密度分別為2780和1650kg/m3。

試驗用減水劑為天津東方建材有限公司出品的聚羧酸高性能減水劑；試驗用引氣劑為K12白色粉末狀引氣劑；試驗用水為普通自來水。

2.2 試件制作

根據(jù)GBJ 146—90《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》的規(guī)定，粉煤灰取代硅酸鹽水泥的最大限量為40%。因此研究中設計了0%、20%和40% 3種不同水平的粉煤灰摻量。選定水膠比為0.45，砂率為42%，設計出不同方案的配合比，見表1。

此次試驗采用的是100mm×100mm×400mm的普通塑料模具[4]。在混凝土制作之前，首先按照確定的配合比進行原料的稱量，對稱量好的材料利用強力攪拌機進行攪拌[5]。其具體過程為：將水泥、粉煤灰和細骨料加入攪拌機混合攪拌30 s，然后加入80%的水和減水劑攪拌90 s，最后加入粗骨料和剩余的水攪拌90 s倒出。將攪拌好的混凝土倒入模具，然后放到振動臺上振動2～3次，每次振動時間為10 s左右，然后磨平表面。將制作好的混凝土試件靜置24 h拆模編號，然后放入標準養(yǎng)護室試驗規(guī)定齡期[6]。

2.3 試驗方法

將制備好的試件放在25℃的環(huán)境中固化干燥，然后置于人工模擬氯鹽侵蝕環(huán)境中，氯鹽的濃度設置3%、6%和9% 3種不同的氯鹽濃度，在試驗過程中每間隔2周更換一次氯鹽溶液[7]。試驗中以10 d為一個暴露周期，共進行10個暴露周期，100 d的氯鹽侵蝕試驗，侵蝕試驗結束后將試件取出，進行徐變性能的測試和研究，并記錄好相應的數(shù)據(jù)。

在暴露周期完成之后，將試件表面的水分擦拭干凈并靜置12 h，然后檢查試件的完好性，在確保試件完好無損的情況下測量試件的尺寸并在徐變加載試驗進行之前測量試件的抗壓強度和彈性模量[8]。由于水工混凝土結構一般都要與水接觸，而當前的混凝土徐變儀難以對水環(huán)境下的混凝土徐變進行模擬。因此，在試驗過程中在遵循混凝土徐變儀基本試驗原理的基礎上，在試件的四周加上一個容器模擬水環(huán)境[9]。在試驗中通過儀器上板和中板之間的彈簧進行試件的加載，加載級別為試件抗壓強度值的0.2倍[10]。在試驗加載過程中對施加的荷載僅進行全程調(diào)整，確保誤差在2%以內(nèi)。

試驗中利用靜態(tài)電阻應變儀記錄試件的徐變變形量，試驗前將清理好的試件放在儀器中央，并在試驗程序中輸入試件的規(guī)格、齡期、應力速度等數(shù)據(jù)，對試件加載至破壞，獲取抗壓強度[11]。在施加荷載過程中，需要同時加載3個彈簧，每10d記錄一次數(shù)據(jù)。

3 試驗結果與分析

3.1 力學性能

對粉煤灰摻量不同的混凝土試件進行抗壓強度試驗，結果見表2。

表2 粉煤灰摻量不同的混凝土力學性能試驗結果

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在混凝土的齡期為14和28 d條件下，混凝土強度隨著粉煤灰摻量的增加而減小。以28 d齡期為例，當粉煤灰摻量為20%時，與未摻加粉煤灰的混凝土相比抗壓強度降低14.8%；當粉煤灰摻量為40%時，與未摻加粉煤灰的混凝土相比抗壓強度降低21.3%。究其原因，可能是高摻量粉煤灰造成水泥含量較低而降低了混凝土的水化作用，因此其強度低于沒有摻加粉煤灰的混凝土。

3.2 粉煤灰摻量的影響

試驗過程中對不同粉煤灰摻量下混凝土試件的徐變特征進行試驗，根據(jù)試驗結果繪制不同粉煤灰摻量下的混凝土試件徐變，如圖1—3所示。

圖1 3%氯鹽溶液侵蝕下混凝土徐變特征曲線

圖2 6%氯鹽溶液侵蝕下混凝土徐變特征曲線

圖3 9%氯鹽溶液侵蝕下混凝土徐變特征曲線

由圖1—3可知，不論氯鹽濃度如何，粉煤灰摻量越大，試件的徐變越小。從具體的數(shù)值來看，在3%氯鹽濃度條件下，加載試驗90 d后40%粉煤灰摻量混凝土試件徐變?yōu)闊o摻加粉煤灰混凝土試件的63.2%；在6%氯鹽濃度條件下，加載試驗90 d后40%粉煤灰摻量混凝土試件徐變?yōu)闊o摻加粉煤灰混凝土試件的67.1%；在9%氯鹽濃度條件下，加載試驗90 d后40%粉煤灰摻量混凝土試件徐變?yōu)闊o摻加粉煤灰混凝土試件的71.2%。由此可見，在水工混凝土中摻加粉煤灰可以顯著減小混凝土的徐變，而隨著硫酸鹽溶液濃度的增大，混凝土的徐變也呈現(xiàn)出增大的特征，而摻加粉煤灰對控制徐變的作用也有所減弱。

3.3 氯鹽濃度的影響

試驗過程中對不同氯鹽濃度下混凝土試件的徐變特征進行試驗，根據(jù)試驗結果繪制不同粉煤灰摻量下的混凝土試件徐變，如圖4—6所示。

圖4 0%粉煤灰摻量下混凝土徐變特征曲線

圖5 20%粉煤灰摻量下混凝土徐變特征曲線

圖6 40%粉煤灰摻量下混凝土徐變特征曲線

由圖4—6可知，隨著氯鹽溶液濃度的不斷增大，粉煤灰混凝土的徐變也呈不斷增大的變化特征，說明氯鹽溶液的濃度對混凝土的徐變存在比較顯著的影響。從具體的試驗數(shù)據(jù)來看，粉煤灰摻量為0%時，粉煤灰混凝土試件在3%氯鹽溶液中的徐變?yōu)?%氯鹽溶液中的徐變的51.4%；粉煤灰摻量為20%時，粉煤灰混凝土試件在3%氯鹽溶液中的徐變?yōu)?%氯鹽溶液中的徐變的53.1%；粉煤灰摻量為40%時，粉煤灰混凝土試件在3%氯鹽溶液中的徐變?yōu)?%氯鹽溶液中的徐變的55.8%。

4 結論

混凝土徐變特征研究具有重要意義。此次研究基于規(guī)范制定并進行粉煤灰混凝土徐變及徐變恢復試驗，探討了氯鹽侵蝕作用下粉煤灰混凝土的徐變特征，獲得粉煤灰摻量和氯鹽濃度對混凝土徐變的影響特征和變化規(guī)律，對相關理論研究和工程實踐應用具有十分重要的借鑒意義和指導作用。當然，隨著混凝土材料研究的不斷深入，現(xiàn)代混凝土的摻合料日漸豐富，除了應用最多的粉煤灰，還有礦粉、沸石粉等其他摻料，這些摻料對混凝土徐變以及徐變恢復的影響也具有十分重要的意義，但是本文受篇幅和研究條件的限制，并沒有進行這方面的探索，在今后的研究中予以重點關注。