大體積水工混凝土抗壓強度及耐久性能影響研究

孫墅隆

(河南省豫北水利勘測設(shè)計院有限公司遼寧分公司,遼寧 大連 116000 )

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,大體積混凝土在港工、橋梁、大壩等重大工程中的應(yīng)用日益廣泛,然而由于其結(jié)構(gòu)尺寸厚大,水化散熱速率較慢,導(dǎo)致早期硬化溫度較高,一般達到40～75℃,遠高于標(biāo)養(yǎng)測定的試驗溫度[1-2]。不同溫度條件下,礦物摻合料和水泥的水化速率不同,從而對基體的微觀結(jié)構(gòu)和性能發(fā)展產(chǎn)生差異。有研究表明,高溫養(yǎng)護對早期強度的發(fā)展有積極作用,但不利于后期強度的提升[3]。為了控制溫升并減少裂縫的形成,往往會摻入一定比例的礦渣粉和粉煤灰,或者較大比例的粉煤灰。然而,目前混凝土強度檢驗評定通常是在同樣條件下進行養(yǎng)護,沒有考慮強度受內(nèi)部溫度歷程影響的因素,因此摻入粉煤灰的試件在標(biāo)養(yǎng)條件下會出現(xiàn)強度尤其是早期強度下降的情況,并且研究還發(fā)現(xiàn),粉煤灰摻量越高,早期強度下降越明顯[4-8]。這種觀點對于在大體積混凝土中應(yīng)用礦渣粉和粉煤灰復(fù)合摻合料或大比例粉煤灰的影響很大,導(dǎo)致設(shè)計的配合比較保守,不利于溫度控制、防止裂縫的形成以及提高實體結(jié)構(gòu)的耐久性[9]。為了評估和分析混凝土實際強度增長過程,溫度匹配養(yǎng)護的概念被提出,它是指在與實體結(jié)構(gòu)溫度變化過程相同的條件下,對相同配合比混凝土試件進行養(yǎng)護,這種養(yǎng)護方式可以用于評估實際強度的增長情況[10-11]。對于大體積混凝土耐久性能及其受礦物摻合料的影響研究,有必要考慮養(yǎng)護方式的影響作用,而現(xiàn)有研究大多數(shù)側(cè)重于恒定高溫或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件。鑒于此,本研究通過模擬碾壓混凝土重力壩的內(nèi)部溫變過程,探討水工混凝土抗壓強度受溫度匹配養(yǎng)護的影響,并進一步對比分析了標(biāo)養(yǎng)條件下的試件性能。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗選用沈陽冀東P·O 42.5級水泥,標(biāo)稠用水量26.8%,比表面積335m2/kg;黑龍江火電廠提供的Ⅱ級粉煤灰,需水量比99%,細度25.7%;大連金橋超細粉廠生產(chǎn)的S95級礦渣粉,流動度比97%,燒失量0.82%,活性指數(shù)102%;大連莊沙砂石場提供的砂和碎石,砂細度模數(shù)2.8,碎石級配5～20mm;外加劑選用西卡聚羧酸高效減水劑(液態(tài)),減水率28.0%,拌和水用自來水。

1.2 試驗配合比

控制拌合物坍落度為(180±20)mm,通過調(diào)整減水劑用量使其具有良好的工作性,固定水膠比0.35和膠凝材料用量460kg/m3,固定膠材總用量不變,以5%、10%、25%、30%的粉煤灰和礦渣粉等量替代水泥,試驗配合比如表1所示。

表1 試驗配合比 kg/m3

1.3 測試方法

本研究以太子河干流某碾壓混凝土重力壩的內(nèi)部溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為依托,通過模擬其溫度環(huán)境設(shè)計溫度匹配養(yǎng)護方式(0～2d溫升較快,2～4d相對較慢,4d達到最高溫度值65℃,4d后溫度逐漸下降),如表2所示。溫度匹配養(yǎng)護(TMC):試件成型后先室內(nèi)靜置2～4h脫模,然后利用塑料薄膜覆蓋試件表面,移入濕熱交變養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定齡期;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(SC):試件成型24h后脫模,移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護至設(shè)計齡期。

表2 溫度匹配養(yǎng)護方式

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

溫度匹配和標(biāo)養(yǎng)條件下的強度測試值如圖1所示。

圖1 抗壓強度試驗值

由圖1可知各標(biāo)養(yǎng)下的強度變化特征基本一致。溫度匹配(TMC)相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(SC)下的S1組試件28d抗壓強度有所增大,但90d齡期強度呈現(xiàn)小幅下降趨勢。溫度匹配養(yǎng)護下的S2～S5組試件強度相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護均有所提升,并以S4組試塊強度增幅最高達到4.40%,其90d齡期時達到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護同齡期試塊強度的103.3%。因此,水工混凝土未摻礦渣粉和粉煤灰情況下,雖然溫度匹配養(yǎng)護有利于增大28d強度,但不利于后期強度的發(fā)展;水工混凝土摻礦渣粉和粉煤灰情況下,溫度匹配養(yǎng)護有利于促進后期強度的提升。

試驗測定溫度匹配和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下S1、S2、S4組試件的化學(xué)結(jié)合水測試值如表3所示,結(jié)果顯示溫度匹配相比于標(biāo)養(yǎng)能夠更加明顯地提升結(jié)合水量,這說明溫度越高越有利于促進二次水化,減少水泥基體內(nèi)的硅鈣比,提高混凝土水化產(chǎn)物數(shù)量及整體抗壓強度[12]。

表3 漿體化學(xué)結(jié)合水含量

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)100次和125次時,溫度匹配和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下的試件強度損失率如圖2。

圖2 強度損失率變化特征

從圖2可以看出,對于S1組試件,硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)100次和125次時,溫度匹配下均高于標(biāo)養(yǎng)時的強度損失率,說明溫度匹配養(yǎng)護下對硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生了明顯的負(fù)面影響。對于S2～S5組試件,干濕循環(huán)次數(shù)相同時溫度匹配均低于標(biāo)養(yǎng)時試件的強度損失率,說明溫度匹配可以改善摻礦粉或粉煤灰試件的抗侵蝕性,其中S4組試件的抗侵蝕性表現(xiàn)最好,干濕循環(huán)125次的損失率僅為11.7%。

溫度匹配會激發(fā)摻合料的活性,通過消耗Ca(OH)2大大減少鈣礬石生成量,從而提升其對微觀孔隙的優(yōu)化作用,改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性和骨料界面特性,對有害離子向混凝土內(nèi)部侵蝕起到有效的阻礙作用,從而增強其抗侵蝕能力[13]。

2.3 抗氯離子侵蝕性能

試驗測定溫度匹配和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下各組試件的電通量如圖3所示,從圖3可以看出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下S1組試件的電通量最高,說明該組的抗氯離子侵蝕性最低;此外,28d、90d齡期時S2～S5組試件的電通量均有所下降,這表明S2～S5組試件的抗氯離子侵蝕性較好,并以S2組最優(yōu),其28d、90d齡期電通量分別為1306C和882C。溫度匹配養(yǎng)護下S1組試件的電通量有所增加,說明該養(yǎng)護條件下加劇了氯離子滲透;此外,28d、90d齡期時S2～S5組試件的電通量有所減少,這表明溫度匹配養(yǎng)護有利于改善摻礦渣粉與粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕性,并以S4組試件的抗侵蝕性最優(yōu),該組試件的28d、90d電通量最小分別為922C和500C。

圖3 混凝土電通量

對于溫度匹配養(yǎng)護未摻礦渣粉與粉煤灰的水工混凝土,由于28d齡期內(nèi)部水化產(chǎn)物的不均勻分布使其內(nèi)部很容易形成大孔,不利于抗氯離子侵蝕性的提升。研究認(rèn)為,溫度匹配養(yǎng)護具有激發(fā)礦渣粉、粉煤灰活性的作用,能夠有效降低基體的電通量[14]。因此,對于摻礦渣粉與粉煤灰的水工混凝土,溫度匹配養(yǎng)護能夠在一定程度上增強其抗氯離子侵蝕性。

3 結(jié) 論

溫度匹配養(yǎng)護有利于提升大體積水工混凝土的早期水化速率和程度,增強礦物摻合料優(yōu)化基體微觀孔隙的作用,改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性和骨料界面特性,對有害離子的侵蝕產(chǎn)生有效阻礙作用,并且對后期水化和強度發(fā)展不會造成不利影響。溫度匹配相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護有利于改善內(nèi)部界面特性,在很大程度上提升混凝土的致密性和耐久性能。