礦物摻合料對(duì)海工混凝土抗凍性能影響研究

李湘軍，王 俞，王 林，崔鳳坤，潘韶軍

(1.煙臺(tái)市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 煙臺(tái) 264001；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

1 引 言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷增加，作為建筑基本用材混凝土的應(yīng)用得到了顯著提升。然而由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，普通混凝土在海洋地區(qū)或沿海地區(qū)難以保證其良好的性能，在短時(shí)間內(nèi)便會(huì)受到各種因素的侵蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命及安全性[1]。高性能海工混凝土因其良好的抗腐蝕性能以及相對(duì)較高的使用壽命，在海洋地區(qū)或沿海地區(qū)這種條件惡劣的條件下得到廣泛應(yīng)用。尤其是對(duì)于北方冰凍海域，因其存在凍融破壞使得混凝土結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境更為復(fù)雜，高性能海工混凝土的使用優(yōu)勢(shì)更為凸顯[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海工混凝土進(jìn)行了一定的的研究。其中孫美娟[3]等針對(duì)不同膠凝材料、水灰比和礦物摻合料摻量的混凝土耐久性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)選配合比經(jīng)300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率較小，進(jìn)而得到海工混凝土具有優(yōu)良的抗凍性能。覃麗坤[4]研究了大摻量粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性能的影響，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)大摻量粉煤灰混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。黃祥[5]等對(duì)比海工混凝土和普通混凝土在耐久性性能方面的差異，結(jié)果表明：海工混凝土經(jīng)200次凍融循環(huán)，其質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度損失均較小。洪雷[6]研究了不同標(biāo)號(hào)的混凝土在不同齡期和凍融循環(huán)條件下的抗?jié)B性能，結(jié)果表明混凝土抗?jié)B性與齡期成指數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系，混凝土抗?jié)B性與凍融循環(huán)次數(shù)成直線下降的關(guān)系。通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)海工混凝土抗凍性能雖有一定的研究，但是對(duì)于不同礦物摻料對(duì)海工混凝土抗凍性能的影響程度研究仍然較少，在指導(dǎo)及優(yōu)化海工混凝土配合比方面仍存在不足。

基于上述存在的問(wèn)題，為分析不同礦物摻合料的摻量對(duì)海工混凝土抗凍性能的影響，研究不同礦物摻合料對(duì)混凝土抗凍性最佳含量，通過(guò)快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析不同配合比試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化情況，對(duì)優(yōu)化海工混凝土配合比以及提高海工混凝土抗凍性具有一定的指導(dǎo)意義。

2 混凝土凍融破壞機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土凍融破壞雖然進(jìn)行了較為廣泛而深入的研究，但對(duì)混凝土凍融破壞機(jī)理仍未取得統(tǒng)一的結(jié)論，當(dāng)前得到較為廣泛的理論包括冰脹壓理論和滲透壓理論。

2.1 “奶瓶”假說(shuō)

當(dāng)處于飽水狀態(tài)時(shí)，混凝土細(xì)微孔內(nèi)的水分隨著環(huán)境溫度降低到負(fù)溫而出現(xiàn)凍結(jié)，水分結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹，在混凝土細(xì)微孔內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，從而使得混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂。然而當(dāng)混凝土內(nèi)部存在氣泡時(shí)，該理論便無(wú)法合理解釋凍融破壞[7]。

2.2 靜水壓力理論

靜水壓力是目前認(rèn)可程度較高的理論。靜水壓力理論認(rèn)為：當(dāng)環(huán)境溫度降為負(fù)溫，使得混凝土內(nèi)部溫度也降為負(fù)溫，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔中的水分出現(xiàn)凍結(jié)而出現(xiàn)體積膨脹。隨著結(jié)冰過(guò)程的進(jìn)行，使得毛細(xì)孔中的結(jié)冰區(qū)溶液向未結(jié)冰區(qū)遷移，從而形成靜水壓力。靜水壓力會(huì)隨著毛細(xì)孔水流程長(zhǎng)度的增加而增加，如果靜水壓力超過(guò)所作用位置的混凝極限抗拉強(qiáng)度，從而出現(xiàn)凍融破壞。

2.3 滲透壓理論

滲透壓理論認(rèn)為：對(duì)于處于飽水狀態(tài)的混凝土，當(dāng)混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔中的水出現(xiàn)凍結(jié)時(shí)，因膠凝孔直徑小于毛細(xì)孔直徑，所以膠凝孔中的水分未發(fā)生凍結(jié)，而膠凝孔中的水分處于過(guò)冷狀態(tài)。由過(guò)冷狀態(tài)的水分蒸氣壓高于同溫度下冰的蒸氣壓，進(jìn)而出現(xiàn)膠凝孔中的水分向毛細(xì)孔中滲透，因此毛細(xì)孔中出現(xiàn)滲透壓力；同時(shí)由于膠凝孔中的水分進(jìn)入毛細(xì)孔中，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，毛細(xì)孔中的水分變成冰發(fā)生體積膨脹，毛細(xì)孔就要承受膨脹壓力。當(dāng)膨脹壓力和滲透壓力兩者疊加超過(guò)其作用位置的混凝土極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，該位置會(huì)出現(xiàn)破壞或開(kāi)裂。經(jīng)多次凍融循環(huán)后，多條裂縫出現(xiàn)貫穿，進(jìn)而表現(xiàn)出凍融破壞。

3 試驗(yàn)方案

3.1 原材料

(1)水泥。采用的水泥標(biāo)號(hào)為P·Ⅱ 52.5。

(2)粉煤灰(Fly Ash)，以下簡(jiǎn)稱FA。采用的粉煤灰為優(yōu)質(zhì)一級(jí)粉煤灰，細(xì)度為3 000目(5 μm)左右，密度2.55 g/cm3，堆積密度1.12 g/cm3。

(3)礦粉(Mineral Powder)，以下簡(jiǎn)稱MP。采用的礦粉種類等級(jí)為礦渣粉S95，比表面積為429.00 m3/kg，流動(dòng)度比98.00%，7d活性指數(shù)84.20%，28 d活性指數(shù)98.50%，密度3.10 g/cm3，燒失量0.84%，含水量0.45%。

(4)硅灰(Silica Fume)，以下簡(jiǎn)稱SF。采用的硅灰細(xì)度為1 000目，密度為2.33 g/cm3。

(5)細(xì)骨料。細(xì)骨料采用天然河沙，堆積密度為1 571 kg/m3。

(6)粗骨料。粗骨料為花崗巖，粒徑分為5～10 mm、10～20 mm兩種。

3.2 試驗(yàn)方案

(1)混凝土配合比設(shè)計(jì)。混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C50，混凝土配合比為m膠凝材料∶m細(xì)集料∶m粗集料∶m水=483∶716∶1 031∶140，其中砂率為41%，水膠比為0.29，不同粒徑花崗巖比例為3∶7(5～10 mm占比為30%，10～20 mm占比為70%)，減水劑用量根據(jù)礦物摻合料的用量進(jìn)行調(diào)整，混凝土的塌落度控制在180 mm左右。試驗(yàn)過(guò)程采用平行試驗(yàn)方式，混凝土配合比具體見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比 單位：kg/m3

(2)試件制作。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)和《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，并結(jié)合混凝土配合比，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。

(3)凍融循環(huán)試驗(yàn)方法。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)采用“快凍法”進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。將棱柱體試件齡期至24 d時(shí)轉(zhuǎn)移至20 ℃的水中浸泡，棱柱體試件齡期至28 d時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，并稱量其初始質(zhì)量和初始動(dòng)彈性模量，之后放入快速凍融試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)。

凍融循環(huán)過(guò)程中，中心棱柱體試件核心溫度任意時(shí)刻均控制在(-20～7 ℃)范圍內(nèi)，試件降溫時(shí)間控制在2 h左右，升溫時(shí)間控制在1 h左右，而且試件升溫與降溫之間轉(zhuǎn)化的時(shí)間控制在10 min內(nèi)。每隔50次對(duì)各棱柱體試件進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)彈性模量的測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行外觀檢查。

凍融循環(huán)試驗(yàn)停止的標(biāo)準(zhǔn)為：試件到達(dá)300次凍融循環(huán)；試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降40%；試件存在5%及以上的質(zhì)量損失率。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土抗凍性能是評(píng)估混凝土耐久性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)不同摻量混凝土進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，經(jīng)多次凍融循環(huán)后對(duì)試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量進(jìn)行測(cè)量，得到混凝土不同摻量對(duì)其抗凍性能的影響。不同礦物摻量的混凝土質(zhì)量損失率以及相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果如下。

4.1 改變粉煤灰摻量

利用粉煤灰代替同等質(zhì)量的水泥，將粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%，其測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 質(zhì)量損失率

圖2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

經(jīng)300次凍融循環(huán)后，混凝土質(zhì)量損失率處于2%以內(nèi)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率也在提高，但混凝土質(zhì)量損失率降低的速率在下降。保持其他礦物摻量相同的條件下，粉煤灰摻量為30%的混凝土質(zhì)量損失率均大于粉煤灰摻量為10%和20%的混凝土，而且粉煤灰摻量為30%的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量低于粉煤灰摻量為10%和20%的混凝土，因此粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土抗凍性能處于一個(gè)較優(yōu)狀態(tài)。

4.2 改變礦粉摻量

利用礦粉代替同等質(zhì)量的水泥，將礦粉摻量分別為30%、40%、50%，其測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 質(zhì)量損失率

圖4 相對(duì)動(dòng)彈性模量

經(jīng)300次凍融循環(huán)后，混凝土質(zhì)量損失率處于3%以內(nèi)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率也在增加，但混凝土質(zhì)量損失率降低的速率在下降；混凝土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量均下降。礦粉摻量分別為30%、40%、50%時(shí)，在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，隨著礦粉摻量的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降，混凝土質(zhì)量損失率增加，說(shuō)明礦粉摻量超過(guò)30%后，增加礦粉摻入量會(huì)對(duì)混凝土抗凍性能產(chǎn)生不利影響，因此礦粉摻量為30%時(shí)，混凝土抗凍性能處于一個(gè)較優(yōu)狀態(tài)。

4.3 改變硅灰摻量

利用硅灰代替同等質(zhì)量的水泥，將硅灰摻量分別為5%、10%、15%，其測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 質(zhì)量損失率

圖6 相對(duì)動(dòng)彈性模量

經(jīng)300次凍融循環(huán)后，混凝土質(zhì)量損失率處于3%以內(nèi)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率也在增加，但混凝土質(zhì)量損失率降低的速率在下降；混凝土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量均下降。在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，隨著硅灰摻量的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量降低，混凝土質(zhì)量損失率增加，說(shuō)明5%硅灰摻量的混凝土抗凍性能處于較優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié) 論

針對(duì)海工混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比不同摻合料條件下混凝土動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率，分析了不同礦物摻合料摻量對(duì)海工混凝土抗凍性能的影響，并得到以下結(jié)論。

(1)礦粉、粉煤灰和硅灰可以改善混凝土抗凍性能，當(dāng)三種礦物摻合料同時(shí)摻入混凝土?xí)r，應(yīng)控制其摻入量，避免礦物摻入量過(guò)大導(dǎo)致混凝土抗凍性能下降。

(2)針對(duì)具有抗凍性能要求的混凝土，在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，海工混凝土各種礦物摻料優(yōu)化的配比為5%(硅灰)、30%(粉煤灰)、30%(礦粉)。