0#膠晶對渠道混凝土襯砌抗凍脹性影響的試驗(yàn)研究

史長瑩,劉歡歡

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

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0#膠晶對渠道混凝土襯砌抗凍脹性影響的試驗(yàn)研究

史長瑩,劉歡歡

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

摘要：渠道襯砌的凍脹破壞不僅影響渠道的正常使用，而且增加了工程費(fèi)用和修復(fù)次數(shù)，因此渠道襯砌的防凍脹技術(shù)研究成為一個(gè)非常嚴(yán)峻的工程問題。0#膠晶是為配制生產(chǎn)水泥基灌漿料而研制的一種有機(jī)高分子添加劑，其所具有的許多特性可對混凝土渠道襯砌的抗凍脹性起到改善作用。對普通混凝土和添加了0#膠晶的混凝土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以探求0#膠晶對混凝土抗凍脹性的改善效果。

關(guān)鍵詞：0#膠晶；混凝土；抗凍脹性；試驗(yàn)

0引言

國內(nèi)現(xiàn)有的許多渠道襯砌工程，特別是東北的季節(jié)性、永久性凍土地區(qū)和華北西北的季節(jié)性凍土地區(qū)的襯砌渠道工程，有很多出現(xiàn)了不同程度的凍脹破壞，渠道襯砌的凍脹破壞不但直接影響了渠道的正常使用，而且增加了工程費(fèi)用和修復(fù)次數(shù)，渠道襯砌的防凍脹成為了一個(gè)非常嚴(yán)峻的工程問題。因此，人們一直在尋求和探索改善其缺點(diǎn)的途徑，以保證混凝土能夠達(dá)到工程要求。

0#膠晶是為配制生產(chǎn)水泥基灌漿料而研制的一種有機(jī)高分子添加劑，其所具有的許多特性可對混凝土渠道襯砌的抗凍脹性起到改善作用。本文將南水北調(diào)工程一期二線工程的混凝土渠道襯砌防治凍脹破壞的措施作為重點(diǎn)研究對象，針對0#膠晶對混凝土強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，以探求0#膠晶對混凝土特性的改善機(jī)理和改善效果。

1室內(nèi)試驗(yàn)研究

本文對添加5 kg/m3的0#膠晶和未添加0#膠晶的混凝土分別進(jìn)行了強(qiáng)度特性、變形特性、抗折韌性及微觀試驗(yàn)，為工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1.1試驗(yàn)用原材料及配合比

試驗(yàn)用原材料：①水泥：冀中能源水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5水泥。②粉煤灰：邯鄲熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰。③細(xì)集料：河砂。④粗集料：碎石，粒徑為5～20 mm。⑤減水劑：DpG。⑥引氣劑：DH9。⑦0#膠晶：有機(jī)高分子添加劑。⑧水：地下水。

本次試驗(yàn)將兩組試件進(jìn)行對比，D組為未添加0#膠晶的混凝土試件，E組為添加0#膠晶的混凝土試件，各組的原材料配合比見表1。

表1　混凝土配合比

1.20#膠晶對混凝土流動(dòng)性的影響

混凝土由于坍落度和坍落擴(kuò)展度較大，往往產(chǎn)生泌水、離析等不良現(xiàn)象[1]。添加了0#膠晶的混凝土其流動(dòng)性可能會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[2]，本次試驗(yàn)使用坍落度筒、鋼尺等儀器，試驗(yàn)按照規(guī)定步驟進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果： D組坍落度為58 mm，E組坍落度為60 mm。結(jié)果表明，添加0#膠晶對提高混凝土的流動(dòng)性有一定幫助。

1.30#膠晶對混凝土含氣量的影響

混凝土的耐久性與混凝土的含氣量有關(guān)[3]，混凝土拌合物的含氣量試驗(yàn)按文獻(xiàn)[2]進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果：D組和E組含氣量均為4.5% 。結(jié)果表明，是否添加0#膠晶對混凝土的含氣量沒有影響。

1.40#膠晶對混凝土抗凍性的影響

抗凍性作為混凝土耐久性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，是大體積混凝土的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一[4]。本節(jié)抗凍性試驗(yàn)依據(jù)GB50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]中的慢凍法進(jìn)行。試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，E組質(zhì)量損失率明顯低于D組。因此，摻加0#膠晶能明顯地提高混凝土的抗凍性。

1.50#膠晶對混凝土抗?jié)B性的影響

混凝土的抗?jié)B性能對混凝土的耐久性起著重要作用，除關(guān)系到混凝土的擋水及防水外，還直接影響混凝土的抗凍性及抗侵蝕性等[6]。本節(jié)抗?jié)B試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行，分別通過逐級(jí)加壓法和滲水高度法來比較兩組試件的抗?jié)B性。結(jié)果如下：

1)逐級(jí)加壓法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：D組與E組抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的W6，兩組的抗?jié)B性能無明顯差距。

2)滲水高度法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：E組滲水高度為10.5 mm，較D組14.3 mm有明顯的降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，添加0#膠晶可提高混凝土的抗?jié)B性能。

1.60#膠晶對混凝土強(qiáng)度特性的影響

混凝土能夠承受荷載的能力大小是其強(qiáng)度和耐久性的一個(gè)重要表現(xiàn)，對D組和E組的混凝土強(qiáng)度特性的變化進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1.6.10#膠晶對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度分為立方體抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗壓強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的規(guī)定，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成型了兩組150 mm×150 mm×150 mm的立方體共18塊，試驗(yàn)測試在YE-2000型數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程參照GB/T50081-2002《普通混凝土土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行，試驗(yàn)試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。試驗(yàn)結(jié)果取各組平均值見表3。

表3　抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：0#膠晶會(huì)降低混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度，對立方體抗壓強(qiáng)度影響不大。

1.6.20#膠晶對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

混凝土彎曲性能是影響結(jié)構(gòu)使用的重要因素，而混凝土的抗折強(qiáng)度是其彎曲性能的一個(gè)綜合指標(biāo)[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，本次試驗(yàn)共成型兩組試件，試件的尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：添加0#膠晶可提高混凝土的抗折強(qiáng)度。

1.70#膠晶對混凝土彈性模量的影響

彈性模量是混凝土重要的力學(xué)性能之一，是計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和大體積混凝土的溫度應(yīng)力所必需的參數(shù)之一[9]?；炷恋膹椥阅Ａ糠譃檩S心抗壓彈模和抗折彈模。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，軸心抗壓彈模試驗(yàn)和抗折彈模試驗(yàn)的試件尺寸與抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的試件尺寸相同。試驗(yàn)采用BX120-100A型混凝土應(yīng)變片來測定混凝土的變形，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　彈性模量(104 MPa)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：添加0#膠晶會(huì)降低混凝土的抗壓和抗折彈模性模量。

1.80#膠晶對混凝土抗折韌性的影響

韌性是指混凝土開裂后能繼續(xù)保持承受較大荷載的能力，是評(píng)價(jià)混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)[9]。本節(jié)試驗(yàn)采用上節(jié)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，試驗(yàn)方法采用能量比值法。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)，取1.1和1.3倍應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6　抗折韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見，添加了0#膠晶的E組混凝土抗折韌性好于未添加0#膠晶的D組普通混凝土。

1.9混凝土的微觀試驗(yàn)

混凝土是一種典型的多孔介質(zhì)材料，孔隙分布錯(cuò)綜復(fù)雜，孔徑分布也較廣泛[10]。混凝土的孔隙率和孔徑分布等微觀結(jié)構(gòu)也決定著其宏觀力學(xué)性能[11]。本節(jié)試驗(yàn)分別采用壓汞測孔法(MIP)和掃描電鏡法(SEM)對兩組混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和探討。

1)壓汞法：試驗(yàn)直接從硬化混凝土中取樣。將規(guī)定齡期的混凝土破碎成3～5 mm的顆粒，清洗干凈后用烘箱烘干，選擇其中的砂漿顆粒進(jìn)行測試[12-13]?；炷恋目讖椒譃?級(jí)：孔徑<20 nm的為無害孔，20～100 nm為少害孔，100～200 nm為有害孔，>200 nm為多害孔，壓汞法試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7　壓汞法試驗(yàn)結(jié)果

2)掃描電鏡法：試件直接取自硬化混凝土，試驗(yàn)前將兩組試件用小錘分別輕輕敲下類似5分硬幣大小薄厚的樣品并在烘箱烘干備用。對成型的兩組試件進(jìn)行電鏡掃描，拍出的SEM照片見圖1和圖2。

圖1　D組和E組混凝土試件SEM照片(放大2 000倍)Fig.1　SEM photos of concrete specimen (magnified 2 000 times)

圖2　D組和E組混凝土試件SEM照片(放大5 000倍)Fig.2　SEM photos of concrete specimen (magnified 5 000 times)

綜合以上兩種試驗(yàn)方法可見：

1)添加了0#膠晶后混凝土孔結(jié)構(gòu)有了很大改善。從混凝土的孔徑分布來看，混凝土中添加0#膠晶后，混凝土中有害孔比例明顯下降。

2)添加了0#膠晶的樣品，其結(jié)構(gòu)連續(xù)性好，孔隙率較低，強(qiáng)度較高，因此其力學(xué)性能和耐久性均大幅度提高。

2結(jié)論

經(jīng)上述室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論：0#膠晶可以改善混凝土的流動(dòng)性、抗凍性和抗?jié)B性，并且能夠提高混凝土的抗折強(qiáng)度和抗折韌性等強(qiáng)度特性。0#膠晶對提高混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)也起到了明顯的作用。因此，0#膠晶確實(shí)對混凝土襯砌的防凍脹性有明顯的改善，且其實(shí)用性也較好。該項(xiàng)試驗(yàn)成果，可以為南水北調(diào)中線工程的其他高含水率土壤地區(qū)的渠道襯砌工程提供經(jīng)驗(yàn)，并可供同類工程的設(shè)計(jì)和施工單位借鑒。

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Experimental study of the influence of 0# crystal glue on channel concrete lining anti-freezing performance

SHI Chang-Ying,LIU Huan-Huan

(CollegeofHydraulicandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Frost heaving destruction of canal liner engineering not only affected the normal working of channels, but also increased project cost and times of restoration. Study on anti-freezing technology becomes a very serious engineering problem. 0# crystal glue is a kind of organic polymer additives that developed for production of cement grouting materials, many features of 0# crystal glue may improve the effect of concrete channel lining anti-freezing. We did indoor experiments with common concrete and concrete with 0# crystal, to explore the 0# crystal’s improvement for concrete anti-freezing performance.

Key words：0# crystal glue; concrete; anti-freezing performance; experiment

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.002

收稿日期：2015-12-29；修改日期：2016-01-21

基金項(xiàng)目：河北省南水北調(diào)工程科技項(xiàng)目；黑龍江大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目資金資助(YJSCX2015-034HLJU)

作者簡介：史長瑩(1964-)，男，河北樂亭人，教授，博士，研究方向：水利工程，E-mail:shicy2004@126.com。

中圖分類號(hào)：TV431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-008X(2016)01-0007-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160309.0909.002.html