鹽凍環(huán)境下水利工程混凝土摻粉煤灰性能影響研究

王 興

(北票市水利規(guī)劃勘測設(shè)計院，遼寧 朝陽 122100)

一般地，水工擋水建筑物等水利工程建設(shè)多選用四級配摻粉煤灰以及三級配富漿混凝土澆筑，其中低溫季節(jié)長期處于水位變化區(qū)的大壩往往受到凍融破壞，特別是氣候寒冷的東北地區(qū)，因其特殊的地理環(huán)境許多大壩受到不同程度的硫酸鹽侵蝕與凍融破壞的雙重作用[1]。

目前，對于硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重因素耦合以及單因素作用下普通二級配摻粉煤灰混凝土的損失研究取得了極大進(jìn)展，現(xiàn)有研究多側(cè)重于硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)作用下二級配摻粉煤灰混凝土的損傷機(jī)理和材料改性方面[2-6]，凍融循環(huán)單一因素下?lián)椒勖夯掖篌w積水工混凝土的力學(xué)性能研究[7-8]，對于水位變化區(qū)抗凍指標(biāo)的選取和多重因素作用下的損傷研究還鮮有報道。水位變化區(qū)的大壩混凝土易遭受硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)作用，因此實際工程多選用三級配摻粉煤灰混凝土，該混凝土與二級配摻粉煤灰普通混凝土的性能存在明顯差異，必須通過試驗研究合理選擇其抗凍指標(biāo)。文章以遼河干流某水庫大壩為例，采用快凍法定量分析了摻粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度、動彈性模量、質(zhì)量損失等指標(biāo)，在水凍與鹽凍環(huán)境下隨凍融次數(shù)的變化特征，并提出更有說服力的摻粉煤灰水工混凝土抗凍指標(biāo)。

1 試驗研究

1.1 配合比設(shè)計

本試驗選用Ⅰ級粉煤灰和P·O 42.5“海鷗牌”水泥作為膠凝材料，以蘇博特公司的GYQ·-Ⅰ型高效引氣劑和SBT·BT脂肪族高效減水劑為外加劑；細(xì)骨料級配良好，細(xì)度模數(shù)2.50，粗骨料選用級配連續(xù)的石灰石，粒徑有40-80mm、20-40mm、5-20mm三種，質(zhì)量比為4∶3∶3，拌合水為自來水。采用以上原材料設(shè)計配合比。混凝土配合比設(shè)計，見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計 kg/m3

1.2 成型與檢測

澆筑過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》，拌合物攪拌完成后及時倒出，在濕潤的鐵皮上人工拌合均勻按兩層分別填筑至100mm×100mm×100mm的立方體和100mm×100mm×400mm的棱柱體模具，先填筑底層(振動15s)再填筑表層(振動15s)成型，試樣成型后抹面，室溫靜置24h拆模、編號，然后將試樣放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期90d，試樣分組設(shè)計，見表2。其中，字母“WF”、“LF”代表水凍環(huán)境和鹽凍環(huán)境，鹽凍環(huán)境下Na2SO4溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，數(shù)字0、20、40代表粉煤灰摻量。

表2 試樣分組設(shè)計

續(xù)表2 試樣分組設(shè)計

為了保證鹽凍或水凍前試樣能夠吸水飽和，養(yǎng)護(hù)至85d時將各組試樣按設(shè)計要求放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鹽箱和水箱中，并浸泡至規(guī)定齡期90d。然后測試各試樣的超聲波波速、相對動彈性模量、初始質(zhì)量等，鹽凍和水凍循環(huán)次數(shù)為50、100、150、200、250、300次，快速凍融試驗機(jī)型號為HDK-9型。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增大鹽凍與水凍環(huán)境下的試樣質(zhì)量均逐漸減少，質(zhì)量損失率Wn變化趨勢，凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系，見圖1。WF-0、WF-20、WF-40試樣經(jīng)300次凍融循環(huán)后的Wn依次為1.80%、3.01%、3.96%；凍融循環(huán)達(dá)到300次后LF-0的Wn為4.25%，凍融循環(huán)達(dá)到250次、300次后LF-20的Wn為4.42%、5.59%(>5%)，凍融循環(huán)達(dá)到200次、250次后LF-40的Wn為4.54%和5.67%。試驗表明，混凝土試樣質(zhì)量損失隨粉煤灰摻量的增大而逐漸減小，尤其是硫酸鹽侵蝕下的抗凍性能明顯降低。凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下，水凍環(huán)境下試樣的Wn明顯低于鹽凍環(huán)境，并且鹽凍環(huán)境下試樣的Wn上升幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系

2.2 相對動彈性模量

試驗表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增大鹽凍與水凍環(huán)境下的試樣相對動彈性模量En均逐漸減少，凍融循環(huán)次數(shù)與相對動彈性模量的關(guān)系，見圖2。WF-0、WF-20、WF-40試樣經(jīng)300次凍融循環(huán)后的En減小到83.4%、74.6%、71.4%；凍融循環(huán)達(dá)到300次后LF-0的En減小到78.5%，凍融循環(huán)達(dá)到250次、300次后LF-20的En減小到77.6%、68.4%，凍融循環(huán)達(dá)到200次、250次、300次后LF-40的En減小到80.1%、68.6%和57.0%。試驗表明，凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，混凝土試樣的En隨粉煤灰摻量的增大而減小，即摻入粉煤灰降低了試樣抗凍性。凍融初期的En下降幅度較緩，隨著內(nèi)部凍融損傷的不斷積累En開始快速下降，兩者近似存在指數(shù)關(guān)系。

由圖2可知，凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下水凍環(huán)境中的試樣相對動彈性模量明顯高于鹽凍環(huán)境，并且鹽凍環(huán)境下的試樣相對動彈性模量下降速度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而加快。因此，硫酸鹽侵蝕加速了混凝土的損傷破壞，對促進(jìn)混凝土劣化發(fā)揮更加顯著的作用。

采用函數(shù)關(guān)系式(1)反映凍融次數(shù)n與粉煤灰摻量f、相對動彈性模量En間的關(guān)系，計算公式為：

En=b1kfeb2n

(1)

式中：En為經(jīng)n次凍融循環(huán)的相對動彈性模量；n為凍融系數(shù)；b1、b2為系數(shù)；kf為與粉煤灰摻量相關(guān)的參數(shù)，可利用公式kf=b2f2+b3f3+b4確定，通過回歸分析生成關(guān)系式，即En=58.61×(-0.1062f2-0.3507f+1.826)×e-1.150×10-3n·R=0.9180。

2.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度損失率Pn利用公式(2)進(jìn)行計算，以此反映硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙因素耦合和單因素作用下的損傷程度，即：

Pn=(fn-f0)/f0×100

(2)

式中：f0、fn為試樣養(yǎng)護(hù)至28d齡期和經(jīng)受n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

試驗表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增大鹽凍與水凍環(huán)境下的試樣抗壓強(qiáng)度損失率Pn均逐漸減少，凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系，見圖3。WF-0、WF-20、WF-40試樣經(jīng)300次凍融循環(huán)后的Pn減小到34.06%、41.17%、48.82%；凍融循環(huán)達(dá)到300次后LF-0的Pn減小到45.71%，凍融循環(huán)達(dá)到250次、300次后LF-20的Pn減小到45.52%、54.71%，凍融循環(huán)達(dá)到200次、250次、300次后LF-40的Pn減小到42.73%、60.58%和68.12%。試驗表明，凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，混凝土試樣的Pn隨粉煤灰摻量的增大而減小，即摻入粉煤灰降低了試樣抗凍性，后期的凍融破壞快速降低了混凝土承載力，該變化趨勢與質(zhì)量損失、相對動彈性模量保持一致。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

由圖3可知，凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下水凍環(huán)境中的試樣抗壓強(qiáng)度損失率明顯低于鹽凍環(huán)境，并且鹽凍環(huán)境下的試樣抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大呈指數(shù)上升，鹽凍環(huán)境嚴(yán)重破壞了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了反映凍融次數(shù)n與粉煤灰摻量f、抗壓強(qiáng)度fn之間的關(guān)系，通過回歸分析試驗數(shù)據(jù)生成函數(shù)關(guān)系式，即fn=6.304×(-1.298f2-2.267f+5.721)×e-2.502×10-3n·R=0.9621。

2.4 相對動彈性模量與強(qiáng)度損失率的關(guān)系

抗壓強(qiáng)度是反映混凝土抗凍性能及其承載能力的重要指標(biāo)，但試驗操作復(fù)雜，成本較高，對構(gòu)件會造成破壞。因此，相對動彈性模量憑借其精準(zhǔn)度高、經(jīng)濟(jì)實用、操作方便、無損等優(yōu)勢，在混凝土抗凍性評價中的應(yīng)用日趨廣泛，為反映凍融破壞后摻粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度變化特征有必要測試相對動彈性模量，抗壓強(qiáng)度損失率與相對動彈模量變化，見表3。

表3 抗壓強(qiáng)度損失率與相對動彈模量變化

試驗表明，凍融作用下?lián)?0%和40%粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率與相對動彈性模量間存在較好的相關(guān)關(guān)系。對比分析以上試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍融次數(shù)與經(jīng)鹽凍后摻粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度、相對動彈性模量存在指數(shù)關(guān)系，兩者近似呈線性變化，以此可建立抗壓強(qiáng)度損失率與相對動彈性模量的函數(shù)關(guān)系式：

Rn=kf(aEn+b)

(3)

通過回歸分析建立鹽凍環(huán)境下粉煤灰摻量f、相對動彈性模量En與抗壓強(qiáng)度損失率pn的函數(shù)關(guān)系式：pn=(0.6704f2-0.9251f+0.5022)×(6.2045En-1.724)·R=0.9852。因此，凍融循環(huán)達(dá)到250次時摻20%粉煤灰的混凝土相對動彈性模量為77.5%，而抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到45.52%；凍融循環(huán)達(dá)到200次時摻40%粉煤灰的混凝土相對動彈性模量為80.1%，而抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到41.25%，表明鹽凍環(huán)境下?lián)椒勖夯一炷量箟簭?qiáng)度損失率比相對動彈性模量的下降速度慢，即凍融后的抗壓強(qiáng)度決定了其是否發(fā)生損壞。因此，規(guī)范規(guī)定的相對動彈性模量≤60%對摻粉煤灰混凝土凍融破壞判定已不再適用，抗壓強(qiáng)度損失率≥50%的力學(xué)性能完全損失，因此可將相對動彈性模量≤75%作為新的凍融評價標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

1)凍融循環(huán)次數(shù)相同時，鹽凍環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度、相對動彈性模量、質(zhì)量損失明顯大于水凍環(huán)境，凍融后期隨著粉煤灰摻量的增大呈指數(shù)式快速下降，硫酸鹽侵蝕加速了混凝土凍融損傷和劣化。

2)經(jīng)受鹽凍后，凍融次數(shù)與摻粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度、相對動彈性模量均存在指數(shù)關(guān)系，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)生成近似呈線性關(guān)系的函數(shù)式。

3)鹽凍環(huán)境下?lián)椒勖夯一炷量箟簭?qiáng)度損失率比相對動彈性模量的下降速度慢，即凍融后的抗壓強(qiáng)度決定了其是否發(fā)生損壞。依據(jù)抗壓強(qiáng)度與相對動彈性模量關(guān)系式，相對動彈性模量≤60%對摻粉煤灰混凝土凍融破壞判定已不再適用，可將相對動彈性模量≤75%作為新的凍融評價標(biāo)準(zhǔn)。