不同巖性骨料水工混凝土的抗凍性能試驗研究

王明明

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 福海 836400)

混凝土材料自產生以來，就憑借其工藝簡單、成本低廉和優(yōu)良的力學性能等諸多優(yōu)勢，成為工程建設領域使用最為廣泛、用量最大的建筑材料[1]。隨著建筑科技的迅速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上最大的水泥生產國和混凝土消費國。但是，受到制備技術等諸多因素的影響，我國混凝土的服役期限較發(fā)達國家仍有巨大差距[2]。究其原因，主要是混凝土結構抗凍融、滲透、侵蝕以及碳化的能力較低[3]。從我國的實際情況來看，有55%的國土面積處于凍融影響區(qū)域，特別是北方寒區(qū)，大壩的凍融損害十分嚴重，幾乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的凍融破壞[4]。因此，提高寒冷地區(qū)水工混凝土的抗凍性能，具有重要的理論和工程實踐價值。骨料是水工混凝土中使用最多、占比最大的材料，其特征和性能必然會對水工混凝土的性能產生顯著乃至決定性的影響[5]。目前，關于骨料對水工混凝土抗凍性能的影響研究較少，且主要集中于輕骨料和再生骨料領域?；诖?，本次研究選用水工混凝土領域最常用的5種不同巖性骨料進行凍融循環(huán)試驗，探究骨料品種對水工混凝土抗凍性能的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，通過對水泥樣品的實驗室檢測，其物理性能和化學成分均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的相關技術指標要求。試驗中選用的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，樣品的品質檢驗結果顯示，其各項性能均滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》(DL/T 5055-2007)要求。研究中使用的混凝土外加劑為PCA-2型聚羧酸高性能減水劑，引氣劑選用的是南通新科有限公司生產的GYQ引氣劑，性能檢測結果顯示其完全滿足《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)的相關要求。

試驗用細骨料采用的是天然河沙，其表面密度為2 750 kg/m3，細度模數(shù)為2.77，石粉含量為5.2%，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2014)的相關技術要求；試驗用粗骨料根據(jù)試驗要求選用花崗巖、石灰?guī)r、凝灰?guī)r、卵石和沙板巖5種不同巖性的骨料，試驗采用4級骨料級配。

1.2 試驗方案

為了獲取不同種類骨料對水工混凝土抗凍性能的影響，本次研究選用花崗巖(HGY)、凝灰?guī)r(NHY)、灰?guī)r(HY)、卵石(LS)以及砂板巖(SBY)5種不同巖性骨料制作試件，進行凍融循環(huán)試驗[6]。試驗結合水工混凝土施工規(guī)范和相關工程經(jīng)驗確定配合比。其中，水膠比為0.4；粉煤灰摻量為29.5%；通過減水劑和引氣劑的適量摻入，使拌制好混凝土的含氣量和塌落度滿足相關設計施工要求，其具體設計見表1。

表1 不同骨料試驗方案

2 實驗過程

2.1 試件制作

試驗過程中，混凝土試件的制作采用機械拌和，拌和時間為2～3 min，對機械拌和后的混凝土拌和物再利用手工翻拌幾次，保證其均勻度。將拌制好的混凝土拌和物裝入規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm試模內，然后利用振動臺振實。在試件成型之后，將上表面沿著?？谀ㄆ?。在混凝土終凝后2 d后拆模，然后將試件利用標準條件養(yǎng)護24 d，然后放入水中浸泡4 d后即可進行凍融循環(huán)試驗。

2.2 試驗方法

研究中采用快凍法進行試件的凍融循環(huán)試驗[7]，具體方法為：將浸泡后的試件擦干凈表面的水分，測定初始質量和自振頻率，并將其作為抗凍性能評價的初始值。然后，將試件放入預先準備好的試驗盒內，并在盒內注水至沒過試件頂面約20 mm，并通過調節(jié)溫度進行凍融循環(huán)試驗，每25次凍融循環(huán)試驗進行一次質量和自振頻率測定。試驗停止的條件為試驗次數(shù)達到200次或相對動彈模量下降至初始值的60%[8]。其中，相對動彈模量的計算公式為：

(1)

式中：P為相對動彈模量，%；f0為試件的初始自振頻率，Hz；fn為n次凍融循環(huán)試驗后的試件自振頻率，Hz。

將試件沿著與澆筑面垂直的方向切割，并將切面研磨拋光，然后使用RapidAir 457 混凝土氣孔結構分析儀進行氣泡參數(shù)確定。

3 試驗結果與分析

3.1 抗凍試驗結果與分析

按照上節(jié)確定的試驗方案和方法進行試驗，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)進行計算，獲得圖1所示的試件質量損失率和圖2所示的相對動彈模量。

圖1 質量損失率變化曲線

由圖1可知，在進行25次凍融循環(huán)試驗之后，試件的質量損失率呈現(xiàn)出小幅增長；在試驗50次之后，質量損失率仍呈現(xiàn)出小幅提高的態(tài)勢；而試驗次數(shù)100次之后，試件的質量損失率成明顯的加速增長態(tài)勢，說明試件表面的剝蝕速度明顯加快。不同巖性骨料的混凝土試件在抗凍性能方面存在一定的差異，在相同試驗次數(shù)條件下，質量損失率由大到小的排列順序為SBY，NHY，LS，HY，HGY。

圖2 相對動彈模量變化曲線

由圖2可知，試件的相對彈模在試驗過程中呈現(xiàn)出基本不變、小幅降低和加速下降的態(tài)勢。具體而言，在前25次凍融循環(huán)試驗中，試件的相對動彈模量基本不變，然后開始緩慢下降；在150次凍融循環(huán)試驗后開始加速下降；在200次試驗之后損失率大于60%。從不同巖性骨料的對比來看，其相對動彈模量變化存在一定差異，試件的相對動彈模量從大到小排列順序為HGY，HY，LS，NHY，SBY。

總之，從質量損失率和相對動彈模量兩個主要指標來衡量試件的抗凍能力，其由大到小的排列順序為：HGY，HY，LS，NHY，SBY。因此，在其他條件相同時，花崗巖和灰?guī)r骨料制作的混凝土具有相對較好的抗凍融性能。

3.2 表面氣泡測試結果與分析

利用上節(jié)確定的試驗方法，利用RapidAir 457 混凝土氣孔結構分析儀對不同巖性骨料的混凝土試件進行進行切片觀測，結果見表2。

表2 試件表面氣泡測定結果

續(xù)表2

由表2中的數(shù)據(jù)可知，含氣量最高的是HGY混凝土試件，含氣量最低的是SBY混凝土試件，含氣量分別是7.31%和4.90%。由于儀器測試的氣泡涵蓋了混凝土自身空隙，因此結果略高；HGY混凝土試件的平均弦長值最小，為1.096 mm，HY混凝土試件的平均弦長值最大，為1.118 mm，相對而言，不同巖性骨料混凝土試件的氣泡平均弦長值差距不大；隨著混凝土試件的含氣量的增加，試塊內氣泡的間距系數(shù)會逐漸變小。例如，含氣量最高的HGY混凝土試件，其氣泡間距系數(shù)最小，為1.103 mm，含氣量最低的是SBY混凝土試件的氣泡間距系數(shù)最大，為0.185 mm。

一般情況下，混凝土的含氣量增加，則凍融循環(huán)過程中的剝蝕量會降低。因此，從含氣量的視角來看，試件抗凍性能由強到弱的排序為：HGY，HY，LS，NHY，SBY。另一方面，混凝土試件的氣泡間距系數(shù)越小，其抗凍性能越好，因此從氣泡間距系數(shù)來看，試件抗凍性能由強到弱的排序為：HGY，HY，LS，NHY，SBY。由此可見，花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土的抗凍性能最佳。此外，本次研究也說明，在進行水工混凝土的抗凍性判斷時，可以將氣泡間距系數(shù)作為重要的判斷依據(jù)。

4 結 論

本次研究以混凝土的骨料為切入點，利用試驗研究的方法對不同巖性骨料混凝土的抗凍性能進行試驗研究，并獲得如下主要結論：

1) 從質量損失率和相對動彈模量兩個指標來看，花崗巖和灰?guī)r骨料制作的混凝土具有相對較好的抗凍融性能。

2) 從含氣量和氣泡間距來看，花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土的抗凍性能最佳；在進行水工混凝土的抗凍性判斷時，可以將氣泡間距系數(shù)作為重要的判斷依據(jù)。

3) 花崗巖和灰?guī)r骨料混凝土具有較好的抗凍性能，在條件允許的情況下，建議在北方寒區(qū)水工混凝土施工中應用。