聚合物改性閘底板硅粉混凝土抗鹽凍試驗研究

周 翔

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

新疆地區(qū)每年都會經(jīng)歷比較漫長的嚴(yán)寒期，同時還廣泛分布著鹽堿地。這些地區(qū)的建筑物不可避免會受到鹽凍侵蝕損傷破壞，對于建筑物結(jié)構(gòu)的長期耐久性和安全性造成極大影響，因而有必要對這些地區(qū)混凝土的抗鹽凍力學(xué)行為展開研究。

摻合料是目前改善混凝土力學(xué)性能最常用的方法，如粉煤灰、礦渣粉、纖維、硅粉等均可以對混凝土的力學(xué)性能起到明顯的改善作用。但在鹽侵蝕環(huán)境下，單獨(dú)摻入這些摻合料的混凝土難以達(dá)到長期耐久性的要求[1-3]。聚合物改性混凝土相比普通混凝土而言，具有耐磨損性好、耐腐蝕性強(qiáng)、電絕緣性好、耐水性能佳、抗凍性強(qiáng)以及與其他材料黏結(jié)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時與其他摻合料混凝土相比，還具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因而逐漸在交通、水利工程中普及。而在眾多聚合物改性材料中，以環(huán)氧樹脂與混合乳液改性效果最佳[4-6]。

本文以民生引水樞紐閘底板硅粉混凝土為例，將聚合物摻入混凝土，配制不同聚灰比的聚合物改性硅粉混凝土，并進(jìn)行強(qiáng)度、抗凍和抗氯離子滲透試驗，以期能為提升閘底板混凝土的抗鹽凍性能提供參考與借鑒。

1 工程概況

民生引水樞紐是葉爾羌河流域規(guī)劃中的第五級引水樞紐，始建于1987年，并于1989 年投入運(yùn)行。該引水樞紐規(guī)模為大(Ⅱ)型工程，工程等別為Ⅱ等，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇，水庫以灌溉為主，兼顧防洪，控制灌溉面積4.847×104hm2。民生引水樞紐工程原總布置由4部分組成：進(jìn)水沖砂閘、泄洪閘、新建泄洪閘、潰壩段及攔河堤，位于河道引水彎道的凹岸，從河岸左側(cè)向右側(cè)依次排列。經(jīng)多年運(yùn)行，現(xiàn)樞紐整體引水和過洪能力不能滿足運(yùn)行要求，必須對原進(jìn)水閘、沖砂閘、泄洪閘進(jìn)行除險加固，對原標(biāo)準(zhǔn)較低的攔河壩和潰壩段拆除重建。根據(jù)地形新增孔7泄洪閘，其中老泄洪閘閘室、老引水閘及沖砂閘下部硅粉混凝土底板補(bǔ)強(qiáng)施工內(nèi)容主要為拆除原有的底板，采用C40硅粉混凝土閘底板補(bǔ)強(qiáng)。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

水泥：PO42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積340 m2/kg，平均燒失量1.69%，氯離子含量為0.025%，MgO和SO3含量分別為3.5%和2.5%，初凝和終凝時間分貝為193和251 min，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為50和5.6 MPa。

硅粉：比表面積為24 000 m2/kg，密度305 kg/m3，需水量比108%，平均燒失量2%，氯離子含量0.016%，SiO2含量為95.3%。

骨料：粗骨料粒徑為4.75～19.5 mm，4.75～9.5和9.5～19.5 mm的碎石占比分別為30%和70%，泥塊含量0.2%，表觀密度2 740 kg/m3，碎石壓碎值13.5%；細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.67，表觀密度2 670 kg/m3，含泥量1.2%，空隙率為45%。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%，含氣量2.7%，泌水比38，初凝和終凝時間為64和86 min，推薦摻量為1%。

本固化劑：DY-157 型水性環(huán)氧固化劑，淺棕色，具有一定黏稠度(6 500～9 000 Pa·s)，黏聚力好，常溫下可固化，耐久性好，適用于鹽霧環(huán)境，固含量為50%，pH值為9.5～10.5。

有機(jī)消泡劑：SN-154型有機(jī)硅消泡劑，乳白色，固含量為505，黏度1 500～2 000 Pa·s，pH值為11～13，胺值為270±30。

2.2 試驗配合比

按照C40混凝土設(shè)計要求，初步確定混凝土的基準(zhǔn)配合比為水泥∶硅粉∶砂∶石∶水=296∶18∶764∶1146∶126，水膠比為0.4，砂率為40%，硅粉摻量為5%；水性環(huán)氧樹脂∶固化劑=1∶0.25，聚灰比共設(shè)置5種，分別為0%、5%、10%、15%和20%，各組試驗配比方案見表1。

表1 試驗配比方案

2.3 試驗內(nèi)容及方法

按照混凝土試驗配合比進(jìn)行試件制作，并放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，進(jìn)行鹽凍融循環(huán)試驗，鹽溶液為3%濃度的氯化鈉鹽溶液，凍融循環(huán)溫度為-18℃～5℃，-18℃環(huán)境下2 h，5℃環(huán)境下2 h，每一次凍融循環(huán)時間為4 h，總凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為200次。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0、50、100、150和200次時，分別對混凝土進(jìn)行抗壓試驗、相對動彈性模量試驗以及抗氯離子滲透試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度試驗結(jié)果

不同鹽凍次數(shù)下改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨聚灰比的變化關(guān)系曲線見圖1。從圖1中可知，相同聚灰比情況下，隨著鹽凍融次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度均呈逐漸減小的變化趨勢，表明混凝土的損傷劣化與鹽凍融循環(huán)次數(shù)呈正比。當(dāng)鹽凍次數(shù)為0次時，混凝土強(qiáng)度隨聚灰比增大呈逐漸減小的變化特征；當(dāng)鹽凍次數(shù)為50、100和150次時，混凝土強(qiáng)度隨聚灰比增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢；當(dāng)鹽凍次數(shù)為200次時，混凝土強(qiáng)度隨聚灰比呈先增大后減小的變化特征。聚灰比越大，混凝土的強(qiáng)度下降幅度越小，當(dāng)聚灰比為0、5%、10%、15%、20%時，經(jīng)200次鹽凍循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度下降幅度分別為31.4%、20.8%、19.7%、14.5%和17.2%，表明聚合物可以抑制硅粉混凝土的鹽凍損傷。這是因為聚合物的聚合反應(yīng)以共價鍵形式形成高分子量化合物，并且以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穿插在水泥凝膠材料中，再加上硅粉的填充作用，使得聚合物改性混凝土結(jié)構(gòu)的密實性得到大大提升，對于抗凍侵蝕具有積極作用。

圖1 不同鹽凍次數(shù)下抗壓強(qiáng)度隨聚灰比變化特征

3.2 抗鹽凍試驗結(jié)果

不同鹽凍次數(shù)下聚合物改性硅粉混凝土的質(zhì)量損失率隨聚灰比變化特征見圖2。從圖2中可知，相同聚灰比下，鹽凍次數(shù)越多，混凝土的質(zhì)量損失越大，表明損傷程度隨鹽凍次數(shù)增加而增大；相同鹽凍系數(shù)下，隨著聚灰比的增大，混凝土質(zhì)量損失率有逐漸減小的變化特征。這是因為聚合物中小分子的水性環(huán)氧樹脂附著在水泥的水化產(chǎn)物表面上，隨著混凝土中水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，這些小分子逐漸連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并填充在混凝土的毛細(xì)孔隙中，同時與膠凝材料交叉從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)密實性提升，透水性降低，聚合物摻量越高，這種作用就越明顯，混凝土結(jié)構(gòu)越不容易遭受鹽凍的侵蝕。

圖2 不同鹽凍次數(shù)下質(zhì)量損失率隨聚灰比變化特征

不同鹽凍次數(shù)下聚合物改性硅粉混凝土的相對動彈性模量隨聚灰比變化特征見圖3。從圖3中可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對動彈性模量逐漸降低，相同鹽凍次數(shù)下，隨著聚灰比的增大混凝土的相對動彈性模量逐漸增大。經(jīng)歷200次凍融循環(huán)后，聚灰比為5%、10%、15%和20%的混凝比未摻入聚合物的混凝土的相對動彈性模量提升2.5%、3.8%、3.8%和4.9%；當(dāng)聚灰比達(dá)到10%以后，經(jīng)過200次鹽凍后混凝土的相對動彈性模量還能保持在95%以上。

圖3 不同鹽凍次數(shù)下相對動彈性模量隨聚灰比變化特征

3.3 抗氯離子滲透試驗結(jié)果

不同鹽凍次數(shù)下聚合物改性硅粉混凝土的電通量隨聚灰比變化特征見圖4。從圖4中可以看到，相同鹽凍次數(shù)下，隨著聚灰比的增大，電通量呈逐漸減小的變化趨勢，且前期下降幅度大于后期。當(dāng)聚灰比大于10%以后，對混凝土抗氯離子滲透性的影響不再明顯；在10%聚灰比下，在經(jīng)過0、50、100、150和200次鹽凍之后，電通量相比不摻入聚合物的試驗組分別降低45.6%、62.9%、68%、60.6%和64.5%。由此可見，聚合物對于混凝土鹽凍之后抗氯離子的滲透性改善有較大幅度提升，聚合物的摻入改善了混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，有害孔明顯降低，聚合物網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上阻止氯離子的侵入。但隨著鹽凍次數(shù)增多，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會逐漸破壞，抗氯離子滲透性將逐漸減弱。

圖4 不同鹽凍次數(shù)下電通量隨聚灰比變化特征

在整個鹽凍試驗過程中，未摻入聚合物的混凝土，在經(jīng)歷0、50、100、150和200次鹽凍之后，分別滿足抗氯離子滲透性的Ⅳ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ級要求；在5%聚灰比下，分別滿足Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅴ級要求；在10%～20%聚灰比下，均滿足Ⅴ級要求。由此可見，只要聚灰比達(dá)到10%，就可以使硅粉混凝土在200次鹽凍之后的抗氯離子滲透性依然滿足Ⅴ級要求。

4 結(jié) 論

1) 聚合物在混凝土中形成的高分子量化合物以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穿插在膠凝材料中，可以大大提升混凝土的結(jié)構(gòu)密實性，從而有利于混凝土的抗鹽凍侵蝕。

2) 隨著聚灰比的增加，混凝土強(qiáng)度下降幅度、質(zhì)量損失率、電通量逐漸減小，相對動彈性模量逐漸增大。

3) 根據(jù)試驗結(jié)果，綜合強(qiáng)度、抗凍和抗氯離子滲透試驗結(jié)果認(rèn)為，聚灰比達(dá)到10%以后，硅粉混凝土將具有較好的抗鹽凍侵蝕性能，因此建議使用閘底板硅粉混凝土聚灰比≥10%。