凍融循環下摻合料對大壩混凝土性能影響

李 娜，趙恒祥

(1.淄博市水利勘測設計院有限公司，山東 淄博 255000；2. 山東水利技師學院，山東 淄博 255000)

1 概 述

溫度是影響混凝土強度的一個因素，大壩因工程量大、環境復雜，其混凝土強度極易受到溫度的影響而改變。尤其對于寒冷地區而言，季節變換時溫差較大，混凝土存在凍融循環的情況，這種情況會使混凝土內部出現微小裂縫，并不斷擴散，對其強度和耐久性會造成嚴重影響[1-2]。凍融作用不僅會降低混凝土的耐久性和力學性能，還會導致其他因素對混凝土造成破壞，比如溶蝕和沖刷。這些破壞因素都會嚴重威脅到大壩的安全性和穩定性，國內多處大壩都因為凍脹、凍融作用而受到程度不同的破壞[3]。所以，怎樣使大壩混凝土具有更好的抗凍性能，具有非常重要的經濟意義和工程意義。

大壩混凝土抗凍性提升的關鍵點在于原材料的選用，科學合理的材料配比決定了混凝土的強度和耐久性的高低。在混凝土原材料中，粗骨料占比最大，而骨料的類型、粒徑、吸水率等都會對混凝土性能產生影響。研究結果表明，相等情況下，原材料為砂巖的抗凍性最不好；玄武巖和花崗巖略強；灰巖最強。骨料的強度隨其吸水能力的增強而減弱，骨料中水分含量越多，越容易受到凍融作用的破壞。所以選用優質骨料可以減少增強混凝土的抗凍性，并減少用水量[4]。再者可以向混合料中加入優質材料，改善混凝土的膠凝能力，提高結構密實性。如礦渣和粉煤灰，能夠改善骨料和水泥砂漿的界面結構，從而提高其強度。所以在符合國家規定的情況時，合理科學地對混凝土配合比進行設計，對提高其抗凍性和力學強度是十分重要的。

隨著納米科技的完善，研究人員將混凝土與納米材料相結合，探索了一條發展混凝土的新路徑。 DU等[5]向混凝土中加入納米二氧化硅，對其耐久性進行研究，發現混凝土的抗滲性能得到顯著的提高。 BALAGURU[6]通過研究發現，納米結構能夠使混凝土的耐久性得到較好的改善。杜應吉等[7]研究了凍融條件下納米材料的抗凍性，發現混凝土中氣泡的數量因納米材料的加入而大大減少，防止了孔隙中水分因被凍結脹開而引起的破壞，將混凝土的抗凍能力提高了至少50%。

近些年，納米材料價格的降低和粒徑的變小，為其應用在實際工程中提供了可能性。本文設計不同凍融次數下納米材料混凝土的劈裂和抗壓試驗，研究納米材料對混凝土的改良效果，為更多的大壩工程提供理論基礎。

2 研究方法和設計試驗

納米材料作為一種不錯的改良材料，因此研究凍融循環條件下，大壩納米材料混凝土強度變化規律是十分重要的。本文以實際大壩工程為背景，通過向混凝土內添加納米材料，設計了室內劈裂、抗壓以及凍融循環試驗，研究凍融循環條件下，納米材料對混凝土力學性質的影響。為了試驗結果更具有真實性、準確性，能夠精準揭示大壩混凝土力學性質在凍融作用下的變化規律，制作試樣樣品時以實際大壩工程中所用的混凝土種類和配比為參考，并從宏觀角度對試驗數據進行分析，如納米材料混凝土劈裂、抗壓強度在凍融循環次數不同情況下的變化規律，以此來判斷納米材料對高寒地區混凝土力學性能的影響，為該類地區大壩工程建設提供指導。

2.1 原材料和配合比

為保證試驗的準確性，原材料擇優選取，納米材料選用3 500元/t的無機有機復合型材料，主料是類Ⅰ級粉煤灰、人為破碎的花崗巖骨料和42.5低熱硅酸鹽水泥，輔以引氣劑和高效減水劑。骨料級配是小石：中石：大石：特大石=20:20:30:30，其中最大骨料粒徑是150mm。

在設計混凝土的配比時，初步選定兩種類型的混凝土。第一種是添加納米材料的改性水泥土(簡稱MCC)；第二種為普通混凝土(簡稱ODC)，強度等級為C18040，其被廣泛應用在大壩建造工程中。表1為兩類混凝土的配合比。從表1中的配合比數據能夠看出，與不含納米材料相比，向混凝土中加入納米材料不僅可以保持相同的黏聚性，還可以減少水和水泥的用量，可降低大壩工程的材料成本。其中，每立方米水泥降低9kg，用水量減少7kg。表明砼加入納米材料后，其中凝結材料的級配得到優化，強化了混凝土的結構，使其更加堅實。

表1 低熱水泥全級配混凝土配合比

2.2 試驗方案

2.2.1 試樣制作

制作混凝土凍融試樣的尺為100 mm×100 mm×400 mm(長×寬×高)，方法為濕篩法。試樣經過凍融試驗后取出，用切割機將其分割成圓柱體試樣和立方體試樣，尺寸分別為100 mm×50 mm(直徑×高)與100 mm×100 mm×100 mm(長×寬×高)，將分割好的試樣放置好，用作后續的氯離子擴散系數、劈裂以及抗壓試驗。

2.2.2 測試方法和儀器

凍融試驗方法為室內進行的加速凍融法，選用的儀器是全自動快速凍融機，型號為CDR6-9。試樣制作完成之后，養護滿90d，放入快速凍融機內，凍融液的溫度為-25℃～ 20℃，試樣中心溫度為(-18±2)℃～(5±2)℃，每次凍融過程時間為3.0±0.5h。

3 分析實驗結果

3.1 劈裂試驗分析

圖1為MCC混凝土和ODC混凝土劈拉強度隨凍融循環次數變化而改變的規律。從圖1中可以看出，在凍融次數達到300、500及800次時，MCC混凝土劈拉強度降低19.4%～54.5%，ODC混凝土的劈拉強度降低24.5%～59.0%。當凍融次數一致時，與ODC混凝土相比，MCC混凝土劈拉強度增加幅度達到7.6% ～19.3%，說明隨著凍融循環次數的提高，兩類混凝土的劈拉強度都呈現出下降的趨勢，且下降速度大致相同。盡管兩類混凝土劈拉強度都在下降，但總體而言，MCC混凝土的劈拉強度一直大于普通混凝土的劈拉強度，表明納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強度；并且凍融循環并不會對這種提高效果造成影響，表明即使在溫差較大、溫度交替頻繁的情況下，納米材料仍能保持對混凝土較好的改良效果。但需要說明的是，雖然在不同次數的凍融循環下，納米材料混凝土強度一直大于普通混凝土，但兩者在循環次數同步增長的情況下，劈拉強度下降趨勢相同，表明納米材料并不能抑制凍融對混凝土自身劣化的趨勢，僅能起到提高劈裂強度的效果。圖2直觀地反映出納米材料可以對混凝土抗劈裂能力起到很好的改良效果。

圖1 凍融循環和劈拉強度之間的關系

圖2 凍融循環中MCC和ODC的劈拉強度比

3.2 抗壓強度分析

圖3為MCC混凝土和ODC混凝土抗壓強度隨凍融循環次數變化而改變的規律。從圖3中可以看出，兩類混凝土的抗壓強度隨著凍融次數的增加，都呈現出緩慢變大、在300次左右達到峰值后加速減小的趨勢。出現這種現象的原因是凍融開始前期，混凝土內部不會受到太大的損傷，同時粉煤灰、納米材料及水泥的持續反應會不斷改善混凝土的結構，使其結構更加密實，強度提高。當凍融循環次數繼續增加后，混凝土內部孔隙中的水分被凍結，體積發生膨脹，對混凝土結構造成影響，損傷不斷積累，加速了混凝土內部的破壞。經歷800次凍融以后，MCC混凝土抗壓強度減少2.8%，而ODC混凝土降低幅度達到5.0%，說明納米材料能夠明顯改善凍融對混凝土抗壓強度的影響，削弱混凝土的降低幅度，這是劈裂強度所不具備的特點。當凍融次數一致時，與ODC混凝土相比，MCC混凝土對抗壓強度的提高幅度要高出3.1%～8.0%。并且在凍融次數300次時，前者的抗壓強度峰值點要遠遠大于后者，說明納米材料具對混凝土抗壓強度有非常顯著的改良效果。從圖4可以看出，與水泥和粉煤灰相比，混凝土內的納米材料發揮了更好的填充作用、活化作用，改善了土體結構，降低了凍融對混凝土的破壞。

圖3 抗壓強度與凍融循環次數的關系

圖4 凍融循環中MCC和ODC的抗壓強度比

4 結 論

本文基于納米材料活性高、尺寸小的特點，研究凍融作用下，納米材料對混凝土力學性能的影響。通過設置MCC混凝土與ODC混凝土在不同凍融循環次數下的劈裂對比試驗和抗壓對比試驗，準確評價納米材料對混凝土的改良作用，結論如下：

1)納米材料的增加可以減少混凝土中水和水泥的用量，其中每立方米水泥降低9kg、用水量減少7kg，可大大降低大壩工程的材料成本，利于大壩工程的發展。

2)隨著凍融循環次數的提高，MCC和ODC混凝土的劈拉強度都呈現出下降的趨勢，且下降速度大致相同；納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強度，對混凝土起到較好的改良效果，并且凍融循環不會對這種提高效果造成影響，但納米材料不能抑制凍融對混凝土的劈裂劣化程度。

3)兩類混凝土的抗壓強度隨著凍融次數的增加，都呈現出緩慢變大再逐漸降低的趨勢，在300次左右達到峰值點。當凍融次數一致時，與ODC混凝土相比，MCC混凝土對抗壓強度的提高幅度要高出3.1%～8.0%,并且前者的抗壓強度峰值點要遠遠大于后者，說明納米材料具對混凝土抗壓強度有非常顯著的改良效果，且能有效抑制凍融對混凝土抗壓的劣化程度。