水工建筑混凝土抗?jié)B抗凍性能的試驗(yàn)分析

鄭志文

廣州市欣茂物業(yè)管理有限公司 廣東 廣州 510000

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水利工程建設(shè)日益受到重視。在這些工程中，混凝土作為一種重要的建筑材料，其性能直接關(guān)系到工程的質(zhì)量和安全?？?jié)B性和抗凍性是混凝土在水工建筑中的重要性能指標(biāo)，對(duì)于防止混凝土內(nèi)部發(fā)生水化、凍脹等問題具有重要意義。因此，研究水工建筑混凝土的抗?jié)B抗凍性能，對(duì)于提高水工建筑的使用壽命及其耐久性具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。本文以某水工建筑項(xiàng)目為背景，對(duì)不同配合比的混凝土抗?jié)B抗凍性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在為水工建筑混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 工程概況

本研究針對(duì)位于中國北方某濕潤寒冷地區(qū)的一個(gè)水庫大壩項(xiàng)目展開，該地區(qū)冬季氣溫較低，季節(jié)交替時(shí)的溫差較大，這些因素可能對(duì)大壩混凝土的抗凍性和抗?jié)B性產(chǎn)生影響。水庫大壩的高程為202m，壩長300m。項(xiàng)目涉及攔水壩、泄洪道、引水渠等多個(gè)水工建筑物。

在本實(shí)驗(yàn)中，所選用的水泥等級(jí)為P·O42.5，混凝土的坍落度范圍在25～55mm之間。實(shí)驗(yàn)采用了三種不同粒度的花崗巖石粉：0～40(I)、0～90(II)、0～160(III)μm，它們的比表面積和平均粒徑分別是1127、812、425m2/kg以及2.141、7.992、20.134μm。實(shí)驗(yàn)中使用的河砂粒徑范圍為0～5.22mm，表觀密度為2697kg/m3；碎石為8～27mm的級(jí)配礫石，表觀密度為2774kg/m3。此外，實(shí)驗(yàn)中還使用了一種高效的減水劑，其最大減水率可以達(dá)到30%[1]。

表1展示了所使用水泥的力學(xué)和物理性質(zhì)數(shù)據(jù)。本研究致力于分析不同配合比混凝土在該水庫大壩項(xiàng)目中的抗?jié)B抗凍性能，為實(shí)際工程提供有價(jià)值的理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

表1 水泥力學(xué)和物理性質(zhì)表

1.2 試驗(yàn)方法

本研究選取了C30、C35和C40三種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。每種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土按照0.5、0.45和0.4三種水膠比進(jìn)行配制，共計(jì)9組試樣，試樣編號(hào)為C0。為了深入探討花崗巖石粉粒度對(duì)混凝土耐久性和抗?jié)B性能的影響，設(shè)定了三個(gè)細(xì)度范圍：01～50、0～80、0～45μm。每個(gè)細(xì)度范圍被視為一個(gè)組別，分別設(shè)置了10種石粉摻入量，依次為30%、27.50%、25%、22.50%、20%、17.50%、15%、12.50%、10%、7.50%。各組試樣的編號(hào)為：G θ～ε，其中石粉摻入量表示為θ，石粉細(xì)度表示為ε[2]。

抗?jié)B性能測試采用了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[3]中的水壓法進(jìn)行，抗凍性能測試采用了JTG E30-2005《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中的快速凍融法進(jìn)行。通過本研究，旨在探討花崗巖石粉在水工混凝土中的摻入量和細(xì)度對(duì)混凝土抗?jié)B抗凍性能的影響，為水工建筑混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1.3 試驗(yàn)步驟

（1）混凝土試樣制備：按照設(shè)計(jì)的配合比，分別將水泥、細(xì)骨料、粗骨料、水和外加劑進(jìn)行混合，攪拌至均勻后，將混凝土澆筑入標(biāo)準(zhǔn)試模中，進(jìn)行振實(shí)。待其自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的試驗(yàn)齡期后，取出試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（2）抗?jié)B性能試驗(yàn)：按照GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)，將試樣置于水壓滲透儀中，施加壓力，測量不同齡期下混凝土試樣的滲透高度，并計(jì)算其抗?jié)B性指標(biāo)。

（3）抗凍性能試驗(yàn)：按照J(rèn)TG E30-2005標(biāo)準(zhǔn)，將試樣置于快速凍融試驗(yàn)機(jī)中，設(shè)置凍融循環(huán)條件，對(duì)試樣進(jìn)行100次凍融循環(huán)。在凍融過程中，測量試樣的質(zhì)量和尺寸變化，并計(jì)算其抗凍性能指標(biāo)[5]。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)

本研究主要關(guān)注混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，所以選取以下兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）抗?jié)B性指標(biāo)：滲透高度。該指標(biāo)反映了混凝土抗?jié)B性能的高低，滲透高度越低，抗?jié)B性能越好。

（2）抗凍性指標(biāo)：相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率。這些指標(biāo)綜合反映了混凝土在凍融環(huán)境下的抗凍性能。相對(duì)動(dòng)彈性模量越大、質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率越小，表明抗凍性能越好。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 抗?jié)B性能結(jié)果分析

這項(xiàng)研究對(duì)水泥混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了詳細(xì)分析。發(fā)現(xiàn)花崗巖添加劑的濃度和粒徑對(duì)抗?jié)B性有著重要影響。首先，將樣品置于1.20MPa的恒定水壓條件下，然后測量一天的滲水率，據(jù)此估算其相對(duì)滲透率（Kr）。通過比較圖1（圖1）中的結(jié)果，觀察到當(dāng)花崗巖石粉摻量在0～30%范圍內(nèi)時(shí)，三種細(xì)度的水工混凝土滲透系數(shù)呈現(xiàn)出一致的趨勢，即先緩慢下降，然后迅速上升。

圖1 石粉比例和混凝土Kr關(guān)系圖

對(duì)于不同細(xì)度的水工混凝土，可以發(fā)現(xiàn)在某個(gè)特定的摻量下，其抗?jié)B性能達(dá)到最佳值。具體而言，細(xì)度為I、II、III的水工混凝土，在石粉摻量分別為17.50%、20%和22.20%時(shí)，防滲效果最佳。由此可見，在適當(dāng)?shù)氖蹞搅肯?，水工混凝土的抗?jié)B性能能夠得到顯著提高，尤其是第三種細(xì)度的水工混凝土提高效果最為明顯。然而，當(dāng)石粉摻量過大時(shí)，由于石粉自身并不具備膠結(jié)能力，會(huì)降低混凝土的密實(shí)度，增加孔隙數(shù)量，從而使抗?jié)B性能降低[6]。

為了深入了解石粉細(xì)度對(duì)抗?jié)B性能的影響通過對(duì)比了在不同石粉含量下，各細(xì)度混凝土間的Kr值?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉細(xì)度越小時(shí)，混凝土抗?jié)B性能越好。這是因?yàn)榧?xì)度較小的石粉能夠更有效地填充混凝土中的孔隙，提高其密實(shí)度。此外，石粉細(xì)度對(duì)水工混凝土抗?jié)B能力的影響還與石粉含量有關(guān)。在不同石粉含量下，各細(xì)度混凝土的抗?jié)B性能表現(xiàn)出一定差異。

花崗巖石粉因其優(yōu)異特性而成為理想的填補(bǔ)材料，不僅具有優(yōu)秀的填補(bǔ)效果，還含有大量的鈣質(zhì)成分和多種活性成分。水化反應(yīng)可使鐵鋁酸四鈣（C4AF）和鋁酸三鈣轉(zhuǎn)化為具有較高強(qiáng)度的單碳鋁酸鈣，為水泥提供一種新的結(jié)構(gòu)材料。利用這種水化產(chǎn)物，可顯著提高混凝土的密實(shí)度，并增強(qiáng)其抗?jié)B性。隨著石粉粒徑的減小，其活性顯著增強(qiáng)，有助于提升水泥混凝土的耐滲透性。

當(dāng)石粉含量不超過15%時(shí)，II級(jí)花崗巖石粉的粒徑分布范圍較寬，能更有效地填補(bǔ)孔洞，且活性優(yōu)于III級(jí)石粉。因此，在晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)和水化作用的共同作用下，II級(jí)混凝土的抗?jié)B性能得到顯著提高。然而，隨著石粉含量增加，20%以上的混凝土能有效利用填充作用，而I和II級(jí)混凝土具有更高的比表面積，能有效吸附水分子。但這會(huì)增加水化反應(yīng)，降低混凝土密實(shí)度，從而迅速削弱抗?jié)B性。

綜上所述，在水工混凝土中添加適量的花崗巖石粉，可以有效提高其抗?jié)B性能。然而，過量的石粉摻量可能導(dǎo)致抗?jié)B效果不佳。此外，石粉細(xì)度對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響與其含量密切相關(guān)。通過對(duì)不同細(xì)度和含量的花崗巖石粉進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，我們可以得到更具有實(shí)際意義的研究結(jié)果，為工程實(shí)踐提供有價(jià)值的參考[7]。

2.2 水膠比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)影響

試驗(yàn)中還分析了水膠比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素對(duì)抗?jié)B性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，降低水膠比能顯著提高混凝土的抗?jié)B性能。為了定量分析水膠比對(duì)抗?jié)B性能的影響，采用Darcy定律計(jì)算混凝土的滲透系數(shù)K：K=(Q * L)/(A

*ΔP)，其中，Q為滲透流量，L為試樣厚度，A為試樣截面積，ΔP為壓差。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同水膠比下混凝土的滲透系數(shù)K。結(jié)果顯示，隨著水膠比的減小，滲透系數(shù)K呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這是由于水膠比的降低導(dǎo)致混凝土中水泥凝膠體含量增加，孔隙率降低，從而提高混凝土的抗?jié)B性能。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗?jié)B性能越好。為了更深入地了解強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗?jié)B性能的影響，我們可以通過以下公式計(jì)算混凝土的強(qiáng)度等級(jí)與滲透系數(shù)K之間的關(guān)系：K=k *(f_c)^(-α)，其中，k為常數(shù)，f_c為混凝土抗壓強(qiáng)度，α為常數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到k和α的值，從而得出不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的滲透系數(shù)K。結(jié)果顯示，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，滲透系數(shù)K呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這主要是因?yàn)閺?qiáng)度等級(jí)較高的混凝土中水泥凝膠體含量較多，孔隙率較低，從而提高了抗?jié)B性能[8]。

綜上所述，花崗巖石粉的適量摻入、適當(dāng)?shù)乃z比以及較高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均可以提高水工混凝土的抗?jié)B性能。而石粉細(xì)度的降低同樣有助于提高抗?jié)B性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮這些因素，以達(dá)到優(yōu)化混凝土抗?jié)B性能的目的。

2.3 抗凍結(jié)果分析

通過凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同細(xì)度和含量的花崗巖石粉中，水工混凝土耐寒性能存在顯著差異。實(shí)驗(yàn)測量表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，各組混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量都有所改善，且這種改善趨勢相似。

當(dāng)摻入成分和細(xì)度保持不變時(shí)，混凝土質(zhì)量損失率會(huì)顯著增加，但其相對(duì)動(dòng)力學(xué)特性會(huì)減弱。經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，在不同粒徑的混凝土中，都存在具有卓越抗凍性能的組別。具體而言，I類細(xì)度下，最佳抗凍能力的混凝土花崗巖石粉摻量為17.50%；Ⅱ類細(xì)度下，最佳摻量為20%；III類細(xì)度下，最佳摻量為22.50%。

在最大凍融次數(shù)（350次）下的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，具有最優(yōu)抗凍性能的三組混凝土分別表現(xiàn)出4.06%、3.57%、2.85%的質(zhì)量損失率和66.52%、68.34%、70.44%的動(dòng)彈性模量。相較于基準(zhǔn)對(duì)照組（質(zhì)量損失率為7.05%），這三組混凝土的質(zhì)量損失率分別降低了42.41%、49.36%、59.57%；與基準(zhǔn)對(duì)照組的動(dòng)彈性模量（45.24%）相比，這三組混凝土的動(dòng)彈性模量分別提高了21.28%、23.10%、25.20%，顯著改善了抗凍性能。

研究表明，適當(dāng)?shù)幕◢弾r石粉摻入可以顯著提高水化反應(yīng)效果，填補(bǔ)較大空洞，進(jìn)一步減少混凝土中的水分，從而降低水凍結(jié)引發(fā)的膨脹壓力。采取這些措施大大減少了混凝土的剝落和裂縫發(fā)展，顯著提高了動(dòng)態(tài)彈性模量和質(zhì)量。

盡管在相同摻入量下，不同粒徑的花崗巖石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土耐寒性發(fā)生明顯變化，這一點(diǎn)十分關(guān)鍵。在細(xì)度為III的條件下，花崗巖石粉的適宜摻量范圍為7.50%～27.50%；細(xì)度為II時(shí)，適宜摻量范圍為7.50%～25%；細(xì)度為I時(shí)，適宜摻量范圍為12.50%～22.50%。只有在這些范圍內(nèi)，混凝土的抗凍等級(jí)才能高于F350[9]。

此外，研究結(jié)果揭示了一個(gè)有趣現(xiàn)象：當(dāng)花崗巖石粉摻量不高于17.50%且摻量相同時(shí)，II類細(xì)度的混凝土質(zhì)量和相對(duì)模量損失率均低于其他兩種細(xì)度的混凝土，表現(xiàn)出較優(yōu)越的抗凍能力。而當(dāng)石粉比例高于20%且摻量相同時(shí)，III類細(xì)度的混凝土抗凍性能較為優(yōu)異[10]。

綜上所述，本研究通過凍融試驗(yàn)評(píng)估了不同細(xì)度和含量的花崗巖石粉對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)比例的花崗巖石粉能顯著提高混凝土的抗凍能力。在不同細(xì)度下，存在一組抗凍性能最優(yōu)的混凝土，其中I類細(xì)度最佳摻量為17.50%，II類細(xì)度最佳摻量為20%，III類細(xì)度最佳摻量為22.50%。此外，不同細(xì)度的花崗巖石粉對(duì)混凝土抗凍能力具有顯著差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需充分考慮花崗巖石粉的細(xì)度和摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響。本研究為實(shí)際工程中混凝土抗凍性能優(yōu)化提供了參考依據(jù)[11]。

3 結(jié)論

綜上所述，本研究通過開展?jié)B透試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了不同細(xì)度和含量的花崗巖石粉對(duì)水工混凝土抗凍防滲能力的影響。研究結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)膿搅肯?，花崗巖石粉可以顯著提高混凝土的抗凍防滲性能。具體而言，當(dāng)石粉含量分別為17.5%，20%，和22.5%時(shí)，I類、Ⅱ類和III類細(xì)度的水工混凝土的抗凍性能均達(dá)到最優(yōu)。實(shí)際工程應(yīng)用中需注意花崗巖石粉的細(xì)度與摻量的搭配，以實(shí)現(xiàn)混凝土抗凍性能的最佳優(yōu)化，并延長其使用壽命。本研究為工程實(shí)踐中混凝土抗凍性能優(yōu)化提供了有益的參考依據(jù)。