不同骨料品質(zhì)對(duì)水工混凝土抗凍性的影響分析

徐 飛

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000)

由于具有力學(xué)性能好、成本造價(jià)低、施工操作簡(jiǎn)單、成型多樣等諸多優(yōu)勢(shì)，混凝土逐漸成為工程領(lǐng)域用量最大、使用最廣的建筑材料，隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，我國已成為最大的混凝土消費(fèi)國和水泥生產(chǎn)國[1-2]。然而，受原材料性能、制備技術(shù)和環(huán)境條件等因素限制，與發(fā)達(dá)國家相比我國混凝土服役年限仍有較大差距，究其原因主要與混凝土抗碳化、侵蝕、滲透和凍融能力較低有關(guān)[3]。結(jié)合實(shí)際情況，我國仍有55%的國土位于凍融影響區(qū)，尤其是北方寒區(qū)大壩凍融破壞問題十分突出，水工混凝土幾乎會(huì)都受到凍融破壞作用。因此，對(duì)于寒冷地區(qū)切實(shí)增強(qiáng)水工混凝土抗凍性能具有重要的工程實(shí)踐和理論價(jià)值。骨料是水工混凝土用量最多的材料，其重量占比一般達(dá)到80%，骨料的性能和特征直接決定了水工混凝土的性能[4]。目前，相關(guān)研究主要集中于再生骨料和輕骨料等領(lǐng)域，探討混凝土抗凍性與骨料之間相互關(guān)系的還鮮有報(bào)道。鑒于此，文章利用凍融循環(huán)試驗(yàn)，從相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率、氣泡間距和含氣量的角度探討了五種不同骨料對(duì)水工混凝土抗凍性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1)水泥。試驗(yàn)選用大連天瑞P·O 42.5通用硅酸鹽水泥，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，水泥樣品的化學(xué)成分和物理性能均符合《通用硅酸鹽水泥》有關(guān)要求。

2)粉煤灰。試驗(yàn)選用鞍山成達(dá)Ⅰ級(jí)粉煤灰，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，粉煤灰樣品的各項(xiàng)性能均符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

3)外加劑。試驗(yàn)選用天津雙旭SY-1高效引氣劑和青島華鐵HT-300聚羧酸高效減水劑，這兩種產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且應(yīng)用技術(shù)成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域，經(jīng)檢測(cè)其各項(xiàng)性能均符合《混凝土外加劑規(guī)范》要求。

4)粗細(xì)集料?？紤]試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)范要求，試驗(yàn)選用砂板巖、卵石、凝灰?guī)r、石灰?guī)r和花崗巖5種巖性的骨料，骨料為5～10mm、10～20mm、20～30mm三級(jí)配；細(xì)骨料選用天然河砂，石粉含量4.6%，細(xì)度模數(shù)2.60，表觀密度2780kg/m3，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DLT 5144-2018)要求。

1.2 試驗(yàn)方案

為揭示水工混凝土抗凍性能受不同骨料品質(zhì)的影響特征，試驗(yàn)選用砂板巖、卵石、凝灰?guī)r、石灰?guī)r和花崗巖5種不同骨料，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和施工規(guī)范確定水工混凝土配合比，粉煤灰摻量30%，水膠比0.40，具體見表1。為保證混凝土的坍落度和含氣量符合施工設(shè)計(jì)要求摻入適量的減水劑、引氣劑，然后利用混凝土試件開展凍融循環(huán)試驗(yàn)。

表1 不同骨料的混凝土配合比 kg/m3

本試驗(yàn)利用機(jī)械攪拌的方式配制混凝土試件，控制拌合時(shí)間180s，為確?；炷翑嚢杈鶆蛐裕瑱C(jī)械拌合后再人工翻拌幾次。然后向100mm×100mm×400mm試模內(nèi)裝入拌制好的拌合物，并用振搗臺(tái)振實(shí)，試件成型后沿模面抹平，放入室內(nèi)靜置24h后終凝拆模[5]。先標(biāo)養(yǎng)24d，然后浸泡4d，以保證試件處于飽水狀態(tài)，按要求開展凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)利用快凍法進(jìn)行水工混凝土凍融循環(huán)檢測(cè)，主要流程如下：①浸水飽和后將試件取出，并擦拭干凈表面水分，測(cè)定自振頻率和初始質(zhì)量作為評(píng)價(jià)抗凍性的初始值。②在試驗(yàn)筒內(nèi)放入試件并注水，注水高度以淹沒試件20mm為準(zhǔn)，啟動(dòng)溫度控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按每?jī)鋈谘h(huán)25次測(cè)定一次自振頻率和試件質(zhì)量，以凍融循環(huán)達(dá)到200次或質(zhì)量損失率達(dá)到5%以及相對(duì)動(dòng)彈模量減小到初始值的60%作為試驗(yàn)終止條件，從而完成整個(gè)凍融試驗(yàn)。文章利用下式計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈模量P(%)，即：

P=fn2/f02×100%

(1)

式中：fn為凍融循環(huán)達(dá)到n次時(shí)；f0為試件的初始自振頻率，Hz。然后沿垂直于澆筑面的方向?qū)⒃嚰M(jìn)行切割，并拋光研磨切面，采用Rapid Ari457分析儀確定表面氣泡及氣孔結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗凍試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，測(cè)試水工混凝土摻不同巖性骨料的抗凍性能，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試件的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率變化曲線，如圖1所示。

(a)相對(duì)動(dòng)彈模量 (b)質(zhì)量損失率

從圖1(a)可以看出，試驗(yàn)過程中各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出變化不大、小幅下降和快速下降的變化趨勢(shì)。具體而言，凍融循環(huán)達(dá)到25次時(shí)各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量變化不大，超過25次后開始緩慢減小，凍融循環(huán)達(dá)到150次時(shí)開始快速減小，凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)的損失率超過60%。因此，使用不同巖性骨料的水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量具有明顯差異，從小到大各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量排序?yàn)椋荷鞍鍘r組<凝灰?guī)r組<卵石組<灰?guī)r組<花崗巖組。

從圖1(b)可以看出，凍融循環(huán)達(dá)到25次時(shí)各組試件的質(zhì)量損失率小幅上升，凍融循環(huán)達(dá)到50次時(shí)各組試件的質(zhì)量損失率仍保持小幅上升趨勢(shì)，而凍融循環(huán)達(dá)到100次時(shí)各組試件的質(zhì)量損失率呈明顯上升趨勢(shì)，表明混凝土表面的剝蝕速度不斷加快；此外，保持其它參數(shù)不變的條件下，使用不同巖性骨料的水工混凝土抗凍性具有明顯差異，凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，從小到大各組試件的質(zhì)量損失率排序?yàn)椋夯◢弾r組<灰?guī)r組<卵石組<凝灰?guī)r組<砂板巖組。

因此，綜合考慮相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率反映混凝土試件的抗凍性能，從小到大排序依次為：砂板巖組<凝灰?guī)r組<卵石組<灰?guī)r組<花崗巖組。在保持其它條件不變的情況下，使用灰?guī)r和花崗巖的混凝土抗凍性性能相對(duì)更優(yōu)。

2.2 表面氣泡測(cè)試結(jié)果

根據(jù)前文所述試驗(yàn)方法，采用Rapid Air457分析儀切片觀測(cè)不同巖性骨料的試件表面氣孔結(jié)構(gòu)，如表2所示。

表2 表面氣泡測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，使用花崗巖的混凝土試件含氣量最高為7.21%，而使用砂板巖的混凝土試件含氣量最低為4.80%?？紤]到實(shí)際測(cè)定的氣泡包含混凝土自身空隙的情況，所以拌合物實(shí)際含氣量略低于測(cè)試值。從平均弦長(zhǎng)的角度上，氣泡平均弦長(zhǎng)最小的是花崗巖混凝土試件的0.982mm，氣泡平均弦長(zhǎng)最大的是灰?guī)r混凝土試件的1.116mm，總體而言各組試件的氣泡平均弦長(zhǎng)相差不明顯。從間距系數(shù)的角度上，氣泡間距系數(shù)越小則混凝土試件的含氣量越高。例如，花崗巖混凝土試件的含氣量最高而其氣泡間距系數(shù)最小為0.093mm，砂板巖混凝土試件的含氣量最低而其氣泡間距系數(shù)最大為0.176mm。

一般地，大概內(nèi)容循環(huán)時(shí)混凝土的剝蝕量會(huì)隨著含氣量的增加而減小。所以，從含氣量的角度上，從低到高混凝土抗凍性能排序?yàn)樯鞍鍘r組<凝灰?guī)r組<卵石組<灰?guī)r組<花崗巖組。此外，氣泡間距系數(shù)越小則混凝土的抗凍性能越優(yōu)，從氣泡間距系數(shù)的角度上，從低到高混凝土抗凍性能排序?yàn)樯鞍鍘r組<凝灰?guī)r組<卵石組<灰?guī)r組<花崗巖組。因此，抗凍性能最優(yōu)組是使用灰?guī)r和花崗巖骨料的混凝土。從側(cè)面上，文章也證明了對(duì)于混凝土抗凍性利用氣泡間距系數(shù)判定的可行性和有效性，可為混凝土抗凍性的判定提供一種新的途徑。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)以骨料為變量，通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了水工混凝土抗凍性與骨料品質(zhì)之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1)采用相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率來判定時(shí)，使用灰?guī)r和花崗巖骨料的混凝土抗凍性性能相對(duì)較好。

2)采用氣泡間距和含氣量來判定時(shí)，使用灰?guī)r和花崗巖骨料的混凝土具有最佳的抗凍性能。此外，對(duì)于混凝土抗凍性利用氣泡間距系數(shù)判定具有一定可行性和有效性，可為混凝土抗凍性的判定提供一種新的途徑。

3)對(duì)于北方寒冷地區(qū)，為保證水工混凝土抗凍性能，在混凝土施工時(shí)建議選用灰?guī)r和花崗巖骨料。