農田混凝土渠道抗凍性能研究

劉 娜

(凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200 )

目前國內外對混凝土水渠的抗凍性能研究主要集中于對混凝土性能的改進，研究方法包括室內試驗和數值分析等[1-9],聚酰胺類樹脂是一種新型混凝土材料，其工程性能大大優于普通混凝土材料。采用聚酰胺類樹脂材料，通過凍融試驗探究了聚酰胺類樹脂混凝土在循環凍融情況下的抗凍性能，并探討了混凝土質量以及抗壓強度與凍融循環次數之間的關系。

1 材料及試驗

1.1 原材料

本文采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質量符合現行國家標準《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求，通過XRD光譜分析測得其主要的化學成分為SiO2、Al2O3，CaO。聚酰胺類樹脂材料表觀密度27.7 kg/m3。表1為硅灰各組分含量百分比。

表1 硅灰各組分含量 %

1.2 配合比

根據前期的配合比設計，此次試驗配料中，聚酰胺類樹脂的配比為220 kg/m3，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3，普通混凝土的配比為砂540 kg/m3，石子960 kg/m3，硅灰102 kg/m3。建筑混凝土抗凍等級均為F50, 防滲要求的混凝土抗滲等級為W6, 因此在進行試驗之前所有試驗均要滿足工程要求。試驗前先將水泥和聚酰胺類樹脂倒入攪拌機中攪拌3 min，使其拌和均勻后加入水，再均勻攪拌4 min，同時制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm× 400 mm的成型箱中振動成型，待觀察無任何凝結跡象，抗壓強度無任何退化后，送入養護箱養護28 d。

1.3 試驗設計

本次試驗按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)中的快凍法開展凍融循環試驗。除制作凍融試驗的試件外，制作同樣形狀、尺寸，且中心埋有溫度傳感器的測溫試件，測溫試件應采用防凍液作為凍融介質。制作完成的混凝土試塊編號后放入套筒中，隨后將凍融試件放在(20±2) ℃水中浸泡，浸泡時水面高出試件頂面25 mm，水中浸泡時間為4 d，試件在28 d齡期時開始進行凍融試驗。設定凍融冰箱試件的最低溫度為-20°，融化溫度為5 ℃。一個凍融循環為4 h，其中融化環節耗時不能低于1 h。此外，連續凍融20次檢查一次混凝土試塊外表面，對相關試驗指標進行記錄。累計凍融50次后，檢查混凝土外表面的頻次由之前的20次凍融變成10次凍融， 累計凍融300次后試驗結束，根據記錄數據分析凍融變化規律。

2 結果與分析

2.1 混凝土抗凍性能

依照標準, 混凝土的抗凍等級F為相對動彈性模量下降至不低于60%時的最大凍融循環次數, 圖1給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍性能變化情況。由圖可知，隨著凍融循環次數的增加，相對動彈性模量均呈現出降低的趨勢，但加入聚酰胺類樹脂材料的混凝土相對彈性降低速度明顯比普通混凝土緩慢，當凍融循環次數為300次時，普通混凝土幾乎已經達到了抗凍等級F，而聚酰胺類樹脂材料混凝土此時的相對動彈性模量為72%，抗凍等級遠高于普通混凝土。這是由于普通混凝土中水遇冷結冰會發生體積膨脹，引起混凝土內部結構的破壞，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低，當溫度降低到0 ℃ 以下時，促使水變成為冰，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力導致當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土的內部微觀結構。而加聚酰胺類樹脂后，混凝土抗凍性能增加是由于其減少了由混凝土內應力所產生的裂縫，特別是混凝土在塑性階段干燥脫水所產生的裂縫。此外，聚酰胺類樹脂的加入有一定的引氣作用，有效地減少了在成型時包裹氣泡的逃逸，且降低了參與抵抗凍融時的膨脹壓力與滲透壓力，減少裂縫的擴展，從而提高了混凝土的抗凍融能力。

圖1 抗凍性能變化情況

2.2 混凝土質量損失率

圖2給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的質量變化情況。由圖可知，在未進行凍融試驗之前，普通混凝土的質量為9.56 kg，聚酰胺類樹脂混凝土的質量為8.98 kg；凍融150次后，普通混凝土質量損失2.3%，聚酰胺類樹脂混凝土僅損失1.7%；凍融300次后。

圖2 質量變化情況

普通混凝土質量損失降低至9.23 kg，聚酰胺類樹脂混凝土降低至8.76 kg，質量損失分別為3.5%和2.5%。由此可以看出，聚酰胺類樹脂的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質量損失，這是由于摻加聚酰胺類樹脂減緩了水對試件入侵，降低基體內部凍脹力，還具有良好的黏結作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。此外，凍融對混凝土剝蝕破壞作用的大小取決于混凝土的抗凍性能、飽水程度、凍融循環次數等種種因素，因此在入冬后的北方，更要對這些因素加以重視。圖3為普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的質量損失百分比。

圖3 質量損失百分比

2.3 混凝土抗壓強度

圖4給出了普通混凝土和加入聚酰胺類樹脂混凝土的抗壓強度變化情況。由圖可知，當兩種混凝土未進行凍融試驗時，普通混凝土的抗壓強度要高于改良后的混凝土強度，但二者在凍融次數為100次時，聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍優勢逐漸凸顯，此時強度高于普通混凝土。當凍融次數為300次時，普通混凝土強度減低至4.2 MPa，而聚酰胺類樹脂混凝土的強度達到4.5 MPa。在混凝土的制備過程中內部原來就存在缺陷，加入聚酰胺類樹脂后，聚酰胺類樹脂與基體間黏結緊密，形成的復合混凝土會減小缺陷的程度，對于裂縫發生和發展的約束作用，降低內部裂縫端部的應力集中系數，因此在多次凍融循環后其強度高于普通混凝土。

圖4 抗壓強度變化

3 結 論

(1)隨著凍融循環次數的增加，相對動彈性模量均呈現出降低的趨勢，但加入聚酰胺類樹脂材料的混凝土相對彈性降低速度明顯緩慢與普通混凝土。當凍融循環次數為300次時，聚酰胺類樹脂材料混凝土此時的相對動彈性模量為72%，抗凍等級遠高于普通混凝土。

(2)聚酰胺類樹脂的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質量損失。凍融300次后，普通混凝土質量損失降低至9.23 kg，聚酰胺類樹脂混凝土降低至8.76 kg，質量損失分別為3.5%和2.5%。

(3)未進行凍融試驗時，普通混凝土的抗壓強度是高于改良后的混凝土強度的，但二者在凍融次數為100次時，聚酰胺類樹脂混凝土的抗凍優勢逐漸凸顯，此時強度高于普通混凝土。當凍融次數為300次時，普通混凝土強度減低至4.2 MPa，而聚酰胺類樹脂混凝土的強度達到4.5 MPa。