混凝土耐久性試驗(yàn)研究與應(yīng)用

1 概述

混凝土耐久性是困擾當(dāng)今世界混凝土行業(yè)的普遍問題，我國是世界上最大的水泥生產(chǎn)國，混凝土工程量也居世界之首，近年來對于混凝土技術(shù)研究雖然發(fā)展較快，但經(jīng)調(diào)查，混凝土耐久性的研究卻存在下降的趨勢。

我國地域遼闊，有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶，致使不少水工建筑物出現(xiàn)了凍融破壞現(xiàn)象，根據(jù)全國水工建筑物耐久性調(diào)查資料，在32座大型混凝土壩工程，40座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題，因此，混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長期使用和安全運(yùn)行，為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用和效益，各部門每年都耗資巨額的維修費(fèi)用，而這些維修費(fèi)用為建設(shè)費(fèi)用的1倍～3倍。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)和建筑規(guī)模迅速擴(kuò)大，地處歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離海洋的伊犁也在發(fā)生著日新月異的變化，水利水電等建筑工程也日益增多，對工程質(zhì)量要求也越來越高，因此，混凝土抗凍的試驗(yàn)與研究是本地區(qū)亟待解決的問題，該項(xiàng)試驗(yàn)將提高水利水電等建筑工程的質(zhì)量，從而提高使用壽命，以解決混凝土抗凍在伊犁地區(qū)存在的問題和缺點(diǎn)，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為伊犁工程建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

2 試驗(yàn)研究

2．1 原材料

1)水泥:新疆南崗黃鴨42．5普通硅酸鹽水泥，實(shí)測28 d抗壓強(qiáng)度48．6 MPa，其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB 175-1999規(guī)范要求。

2)水洗砂:察縣蘇阿蘇砂場，細(xì)度模數(shù)2．7，屬Ⅱ區(qū)中砂級配，含泥量2．1%，泥塊含量0．0%，飽和面干視密度為2．67 g/cm3，飽和面干吸水率0．82%，其堿活性屬B類。

3)卵石(5 mm ～20 mm):含泥量 0．3%，泥塊含量 0．0%，針片狀顆粒含量0．1%，壓碎指標(biāo)0．3%，其堿活性屬B類。

4)卵石(20 mm ～40 mm):含泥量0．2%，泥塊含量0．0%，針片狀顆粒含量0．1%，石子平均飽和面干視密度為2．68 g/cm3，飽和面干吸水率0．80%。

5)外加劑。該工程新采用的外加劑為JC-1引氣減水劑，由新疆玉鑫蕊科技開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到GB 8076-1997技術(shù)要求。

2．2 混凝土配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2．2．1 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)采用絕對體積法計(jì)算單位體積混凝土各項(xiàng)材料用量，粗、細(xì)骨料均以飽和面干狀態(tài)為準(zhǔn)，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)充分體現(xiàn)了安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，即在滿足抗壓強(qiáng)度、抗凍、抗?jié)B三大指標(biāo)的前提下，還要考慮混凝土的工作性，以方便施工。

2．2．2 混凝土配合比試驗(yàn)

1)試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)采用JC-1引氣型減水劑，分別配制水膠比為0．35，0．40，0．45 的二級配混凝土，混凝土的配合比如表 1 所示，在試驗(yàn)中混凝土的坍落度控制在3．5 cm～5 cm，引氣減水劑摻量根據(jù)要求的含氣量進(jìn)行調(diào)整，出機(jī)含氣量控制在4．5%～5．5%，在拌合完成后測試混凝土的初始含氣量和容重，然后將混凝土裝入器皿中，在混凝土振動(dòng)臺上對混凝土進(jìn)行振動(dòng)。振動(dòng)完畢后，測試含氣量和容重，成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體進(jìn)行凍融試驗(yàn)，混凝土凍融試驗(yàn)采用SL 352-2006中規(guī)定的快速凍融法進(jìn)行，φ175 mm×180 mm×150 mm的圓柱體進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，150 mm×150 mm×150 mm立方體進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

2)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。混凝土主要有C20二級配(F200 W6)，為提高混凝土性能，在混凝土中均摻入了較高的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以改善混凝土的和易性，增強(qiáng)混凝土密實(shí)性，提高混凝土的抗凍、抗?jié)B性能，通過大量試驗(yàn)初選后和易性好，抗壓強(qiáng)度滿足配制混凝土強(qiáng)度要求的配合比見表1。

表1 混凝土初選配合比與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3)混凝土抗凍試驗(yàn)?；炷量箖鲂阅艿暮脡?，是判定混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，要使混凝土滿足抗凍要求，在混凝土中必須摻加引氣劑或引氣減水劑，SL/T 191-96水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范4．4．7“抗凍混凝土必須摻加引氣劑”，SL 22-98水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范4．14“抗凍混凝土必須使用有引氣作用的外加劑”，此混凝土配合比摻入適量的引氣減水劑，以保證混凝土的抗凍要求，混凝土抗凍試驗(yàn)采用快凍法進(jìn)行。

4)抗?jié)B試驗(yàn)?？?jié)B試驗(yàn)采用逐級加壓進(jìn)行，經(jīng)0．8 MPa壓力，6個(gè)試件均無滲水現(xiàn)象，說明抗?jié)B性良好，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混凝土抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

2．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，目前國際上已廣泛認(rèn)識到高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性能和高強(qiáng)度等特性，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)能大幅度地增加混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，同時(shí)具有顯著的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)外專家對高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土的認(rèn)識尚不統(tǒng)一，但對高性能混凝土突出耐久性的認(rèn)識是一致的。大量工程實(shí)踐表明，因混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致工程破壞的實(shí)例甚為少見，而因混凝土處于嚴(yán)酷環(huán)境中由于耐久性不足致使混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞的實(shí)例頗為多見。因此，混凝土耐久性日益倍受關(guān)注。將來有可能不再是以強(qiáng)度而是以耐久性作為設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)。

2．3．1 水膠比對混凝土的影響

水膠比是決定混凝土組織結(jié)構(gòu)致密性與孔結(jié)構(gòu)特征的基本因素，隨著水膠比的減小，膠凝材料用量增加，單位膠凝材料所附著的引氣劑數(shù)量減少，混凝土粉度隨之增大，也造成包裹空氣的能力相應(yīng)減小。因此，混凝土隨著水灰比的減小而提高，對C20非泵送混凝土為0．35～0．45三個(gè)水灰比進(jìn)行對比試驗(yàn)，并對混凝土拌合物性能與抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)資料進(jìn)行綜合分析，最后優(yōu)選出合理的水膠比。

2．3．2 水泥對混凝土抗凍性能的影響

試驗(yàn)所采用的南崗生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥42．5符合GB 175-1999的技術(shù)要求，且熟料中的C3A較低，＜1%，早期強(qiáng)度較高，與外加劑的適應(yīng)性較好，對水泥適應(yīng)性好的外加劑，能顯著改善混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度，這對混凝土的抗凍和抗?jié)B非常有利。

2．3．3 引氣劑對混凝土抗凍性能的影響

長期的工程實(shí)踐與室內(nèi)研究資料表明，提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑，引氣劑是具有憎水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡，這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管路，能使混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路，使外界水分不易浸入，減少了混凝土的滲透性，從而可提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和抗?jié)B等耐久性。

試驗(yàn)中所摻入引氣減水劑，試驗(yàn)結(jié)果說明所推薦的混凝土配合比其力學(xué)性能及抗凍、抗?jié)B等耐久性均滿足設(shè)計(jì)要求。

2．3．4 粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響

優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用，能夠在一定程度上降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，提高混凝土的電阻率，摻入一定量的粉煤灰能有效改善混凝土的工作及混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑得以細(xì)化和均化，提高混凝土的密實(shí)度，從而提高混凝土的抗?jié)B與抗凍性能。

2．3．5 骨料對混凝土抗凍性的影響

骨料內(nèi)部孔隙過多過大，吸水率偏大，堅(jiān)固性差，凍融時(shí)骨料內(nèi)存在的脹壓力就大，對骨料自身的破壞性也越大。破壞時(shí)，骨料與水化硅酸之間出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)骨料自身破裂，表面砂漿嚴(yán)重剝離，因而，吸水率較大的骨料對混凝土抗凍性能的影響同樣不可忽視。

綜上試驗(yàn)研究，影響混凝土強(qiáng)度及耐久性的因素很多，選擇優(yōu)質(zhì)的引氣劑及其他原材料，在合理水膠比、砂率、粉煤灰摻量的前提下，按照嚴(yán)格的生產(chǎn)工序，結(jié)合施工現(xiàn)場工作條件，我們才能生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)要求的抗凍混凝土。

3 工程應(yīng)用

1)工程概況。察縣綽霍爾鄉(xiāng)安全飲水工程，位于察縣綽霍爾鄉(xiāng)，主要著眼于農(nóng)村生產(chǎn)生活用水工程，包括新建防滲渠道、維修灌溉系統(tǒng)、高效節(jié)水工程、改造中低產(chǎn)田等項(xiàng)目，逐步解決農(nóng)業(yè)用水體系。

2)實(shí)際所用原材料與試驗(yàn)研究用的原材料一致，如前所述。

3)設(shè)計(jì)配合比。

通過試驗(yàn)，得出試驗(yàn)室配合比見表1。

4)試配結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果說明所推薦的混凝土配合比其分別生成其抗凍、抗?jié)B等設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

混凝土凍融破壞是水工混凝土建筑物在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的主要病害之一，而提高混凝土抗凍性的重要途徑是增加混凝土的密實(shí)性，阻斷混凝土中的開口連通孔隙。因此，該項(xiàng)目的研究，只要適當(dāng)減小水灰比，摻入適量的引氣減水劑和選擇吸水率較小的堅(jiān)固骨料，就能滿足混凝土的抗凍要求。

［1］李麗慧，李肇新．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)淺議［J］．山西建筑，2009，35(14):147-148．