水工建筑混凝土抗滲抗凍性能的試驗分析

鄭志文

廣州市欣茂物業管理有限公司 廣東 廣州 510000

隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的不斷推進，水利工程建設日益受到重視。在這些工程中，混凝土作為一種重要的建筑材料，其性能直接關系到工程的質量和安全。抗滲性和抗凍性是混凝土在水工建筑中的重要性能指標，對于防止混凝土內部發生水化、凍脹等問題具有重要意義。因此，研究水工建筑混凝土的抗滲抗凍性能，對于提高水工建筑的使用壽命及其耐久性具有重要的理論和實踐價值。本文以某水工建筑項目為背景，對不同配合比的混凝土抗滲抗凍性能進行了試驗研究，旨在為水工建筑混凝土的優化設計提供理論依據和實踐參考。

1 試驗材料及方案

1.1 工程概況

本研究針對位于中國北方某濕潤寒冷地區的一個水庫大壩項目展開，該地區冬季氣溫較低，季節交替時的溫差較大，這些因素可能對大壩混凝土的抗凍性和抗滲性產生影響。水庫大壩的高程為202m，壩長300m。項目涉及攔水壩、泄洪道、引水渠等多個水工建筑物。

在本實驗中，所選用的水泥等級為P·O42.5，混凝土的坍落度范圍在25～55mm之間。實驗采用了三種不同粒度的花崗巖石粉：0～40(I)、0～90(II)、0～160(III)μm，它們的比表面積和平均粒徑分別是1127、812、425m2/kg以及2.141、7.992、20.134μm。實驗中使用的河砂粒徑范圍為0～5.22mm，表觀密度為2697kg/m3；碎石為8～27mm的級配礫石，表觀密度為2774kg/m3。此外，實驗中還使用了一種高效的減水劑，其最大減水率可以達到30%[1]。

表1展示了所使用水泥的力學和物理性質數據。本研究致力于分析不同配合比混凝土在該水庫大壩項目中的抗滲抗凍性能，為實際工程提供有價值的理論依據和實踐參考。

表1 水泥力學和物理性質表

1.2 試驗方法

本研究選取了C30、C35和C40三種不同強度等級的混凝土進行試驗。每種強度等級的混凝土按照0.5、0.45和0.4三種水膠比進行配制，共計9組試樣，試樣編號為C0。為了深入探討花崗巖石粉粒度對混凝土耐久性和抗滲性能的影響，設定了三個細度范圍：01～50、0～80、0～45μm。每個細度范圍被視為一個組別，分別設置了10種石粉摻入量，依次為30%、27.50%、25%、22.50%、20%、17.50%、15%、12.50%、10%、7.50%。各組試樣的編號為：G θ～ε，其中石粉摻入量表示為θ，石粉細度表示為ε[2]。

抗滲性能測試采用了國家標準GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[3]中的水壓法進行，抗凍性能測試采用了JTG E30-2005《公路工程技術標準》[4]中的快速凍融法進行。通過本研究，旨在探討花崗巖石粉在水工混凝土中的摻入量和細度對混凝土抗滲抗凍性能的影響，為水工建筑混凝土的優化設計提供有益的理論依據和實踐指導。

1.3 試驗步驟

（1）混凝土試樣制備：按照設計的配合比，分別將水泥、細骨料、粗骨料、水和外加劑進行混合，攪拌至均勻后，將混凝土澆筑入標準試模中，進行振實。待其自然養護至規定的試驗齡期后，取出試樣進行后續試驗。

（2）抗滲性能試驗：按照GB/T 50082-2009標準，將試樣置于水壓滲透儀中，施加壓力，測量不同齡期下混凝土試樣的滲透高度，并計算其抗滲性指標。

（3）抗凍性能試驗：按照JTG E30-2005標準，將試樣置于快速凍融試驗機中，設置凍融循環條件，對試樣進行100次凍融循環。在凍融過程中，測量試樣的質量和尺寸變化，并計算其抗凍性能指標[5]。

1.4 試驗指標

本研究主要關注混凝土的抗滲性和抗凍性，所以選取以下兩個指標進行評價：

（1）抗滲性指標：滲透高度。該指標反映了混凝土抗滲性能的高低，滲透高度越低，抗滲性能越好。

（2）抗凍性指標：相對動彈性模量、質量損失率和強度損失率。這些指標綜合反映了混凝土在凍融環境下的抗凍性能。相對動彈性模量越大、質量損失率和強度損失率越小，表明抗凍性能越好。

2 試驗結果和分析

2.1 抗滲性能結果分析

這項研究對水泥混凝土的抗滲性進行了詳細分析。發現花崗巖添加劑的濃度和粒徑對抗滲性有著重要影響。首先，將樣品置于1.20MPa的恒定水壓條件下，然后測量一天的滲水率，據此估算其相對滲透率（Kr）。通過比較圖1（圖1）中的結果，觀察到當花崗巖石粉摻量在0～30%范圍內時，三種細度的水工混凝土滲透系數呈現出一致的趨勢，即先緩慢下降，然后迅速上升。

圖1 石粉比例和混凝土Kr關系圖

對于不同細度的水工混凝土，可以發現在某個特定的摻量下，其抗滲性能達到最佳值。具體而言，細度為I、II、III的水工混凝土，在石粉摻量分別為17.50%、20%和22.20%時，防滲效果最佳。由此可見，在適當的石粉摻量下，水工混凝土的抗滲性能能夠得到顯著提高，尤其是第三種細度的水工混凝土提高效果最為明顯。然而，當石粉摻量過大時，由于石粉自身并不具備膠結能力，會降低混凝土的密實度，增加孔隙數量，從而使抗滲性能降低[6]。

為了深入了解石粉細度對抗滲性能的影響通過對比了在不同石粉含量下，各細度混凝土間的Kr值。可以發現，當石粉細度越小時，混凝土抗滲性能越好。這是因為細度較小的石粉能夠更有效地填充混凝土中的孔隙，提高其密實度。此外，石粉細度對水工混凝土抗滲能力的影響還與石粉含量有關。在不同石粉含量下，各細度混凝土的抗滲性能表現出一定差異。

花崗巖石粉因其優異特性而成為理想的填補材料，不僅具有優秀的填補效果，還含有大量的鈣質成分和多種活性成分。水化反應可使鐵鋁酸四鈣（C4AF）和鋁酸三鈣轉化為具有較高強度的單碳鋁酸鈣，為水泥提供一種新的結構材料。利用這種水化產物，可顯著提高混凝土的密實度，并增強其抗滲性。隨著石粉粒徑的減小，其活性顯著增強，有助于提升水泥混凝土的耐滲透性。

當石粉含量不超過15%時，II級花崗巖石粉的粒徑分布范圍較寬，能更有效地填補孔洞，且活性優于III級石粉。因此，在晶核效應、填充效應和水化作用的共同作用下，II級混凝土的抗滲性能得到顯著提高。然而，隨著石粉含量增加，20%以上的混凝土能有效利用填充作用，而I和II級混凝土具有更高的比表面積，能有效吸附水分子。但這會增加水化反應，降低混凝土密實度，從而迅速削弱抗滲性。

綜上所述，在水工混凝土中添加適量的花崗巖石粉，可以有效提高其抗滲性能。然而，過量的石粉摻量可能導致抗滲效果不佳。此外，石粉細度對混凝土抗滲性能的影響與其含量密切相關。通過對不同細度和含量的花崗巖石粉進行混凝土試驗，我們可以得到更具有實際意義的研究結果，為工程實踐提供有價值的參考[7]。

2.2 水膠比、混凝土強度等級影響

試驗中還分析了水膠比、混凝土強度等級等因素對抗滲性能的影響。試驗結果表明，降低水膠比能顯著提高混凝土的抗滲性能。為了定量分析水膠比對抗滲性能的影響，采用Darcy定律計算混凝土的滲透系數K：K=(Q * L)/(A

*ΔP)，其中，Q為滲透流量，L為試樣厚度，A為試樣截面積，ΔP為壓差。根據試驗數據，計算得到不同水膠比下混凝土的滲透系數K。結果顯示，隨著水膠比的減小，滲透系數K呈現明顯的下降趨勢。這是由于水膠比的降低導致混凝土中水泥凝膠體含量增加，孔隙率降低，從而提高混凝土的抗滲性能。

混凝土強度等級試驗結果表明，混凝土強度等級越高，其抗滲性能越好。為了更深入地了解強度等級對抗滲性能的影響，我們可以通過以下公式計算混凝土的強度等級與滲透系數K之間的關系：K=k *(f_c)^(-α)，其中，k為常數，f_c為混凝土抗壓強度，α為常數。根據試驗數據，擬合得到k和α的值，從而得出不同強度等級混凝土的滲透系數K。結果顯示，隨著混凝土強度等級的提高，滲透系數K呈現明顯的下降趨勢。這主要是因為強度等級較高的混凝土中水泥凝膠體含量較多，孔隙率較低，從而提高了抗滲性能[8]。

綜上所述，花崗巖石粉的適量摻入、適當的水膠比以及較高的混凝土強度等級均可以提高水工混凝土的抗滲性能。而石粉細度的降低同樣有助于提高抗滲性能。在實際工程應用中，應根據實際情況綜合考慮這些因素，以達到優化混凝土抗滲性能的目的。

2.3 抗凍結果分析

通過凍融試驗發現，不同細度和含量的花崗巖石粉中，水工混凝土耐寒性能存在顯著差異。實驗測量表明，隨著凍融循環次數增多，各組混凝土的質量損失率和相對動彈性模量都有所改善，且這種改善趨勢相似。

當摻入成分和細度保持不變時，混凝土質量損失率會顯著增加，但其相對動力學特性會減弱。經過深入研究發現，在不同粒徑的混凝土中，都存在具有卓越抗凍性能的組別。具體而言，I類細度下，最佳抗凍能力的混凝土花崗巖石粉摻量為17.50%；Ⅱ類細度下，最佳摻量為20%；III類細度下，最佳摻量為22.50%。

在最大凍融次數（350次）下的實驗范圍內，具有最優抗凍性能的三組混凝土分別表現出4.06%、3.57%、2.85%的質量損失率和66.52%、68.34%、70.44%的動彈性模量。相較于基準對照組（質量損失率為7.05%），這三組混凝土的質量損失率分別降低了42.41%、49.36%、59.57%；與基準對照組的動彈性模量（45.24%）相比，這三組混凝土的動彈性模量分別提高了21.28%、23.10%、25.20%，顯著改善了抗凍性能。

研究表明，適當的花崗巖石粉摻入可以顯著提高水化反應效果，填補較大空洞，進一步減少混凝土中的水分，從而降低水凍結引發的膨脹壓力。采取這些措施大大減少了混凝土的剝落和裂縫發展，顯著提高了動態彈性模量和質量。

盡管在相同摻入量下，不同粒徑的花崗巖石粉會導致混凝土耐寒性發生明顯變化，這一點十分關鍵。在細度為III的條件下，花崗巖石粉的適宜摻量范圍為7.50%～27.50%；細度為II時，適宜摻量范圍為7.50%～25%；細度為I時，適宜摻量范圍為12.50%～22.50%。只有在這些范圍內，混凝土的抗凍等級才能高于F350[9]。

此外，研究結果揭示了一個有趣現象：當花崗巖石粉摻量不高于17.50%且摻量相同時，II類細度的混凝土質量和相對模量損失率均低于其他兩種細度的混凝土，表現出較優越的抗凍能力。而當石粉比例高于20%且摻量相同時，III類細度的混凝土抗凍性能較為優異[10]。

綜上所述，本研究通過凍融試驗評估了不同細度和含量的花崗巖石粉對水工混凝土抗凍性能的影響。結果表明，適當比例的花崗巖石粉能顯著提高混凝土的抗凍能力。在不同細度下，存在一組抗凍性能最優的混凝土，其中I類細度最佳摻量為17.50%，II類細度最佳摻量為20%，III類細度最佳摻量為22.50%。此外，不同細度的花崗巖石粉對混凝土抗凍能力具有顯著差異，因此在實際應用中，需充分考慮花崗巖石粉的細度和摻量對混凝土抗凍性能的影響。本研究為實際工程中混凝土抗凍性能優化提供了參考依據[11]。

3 結論

綜上所述，本研究通過開展滲透試驗和凍融循環試驗，系統分析了不同細度和含量的花崗巖石粉對水工混凝土抗凍防滲能力的影響。研究結果表明，在適當的摻量下，花崗巖石粉可以顯著提高混凝土的抗凍防滲性能。具體而言，當石粉含量分別為17.5%，20%，和22.5%時，I類、Ⅱ類和III類細度的水工混凝土的抗凍性能均達到最優。實際工程應用中需注意花崗巖石粉的細度與摻量的搭配，以實現混凝土抗凍性能的最佳優化，并延長其使用壽命。本研究為工程實踐中混凝土抗凍性能優化提供了有益的參考依據。