混凝土抗凍性能影響因素探討

摘　要:水庫(kù)、水閘、渡槽等水位波動(dòng)區(qū)域的混凝土,在正負(fù)溫交替變化情況下會(huì)因頻繁凍融循環(huán)而受到剝蝕?，F(xiàn)針對(duì)這種凍融剝蝕的破壞機(jī)理,分析影響混凝土抗凍性能的幾種因素,并列舉在工程上的應(yīng)用實(shí)例以說(shuō)明可以正確規(guī)避相關(guān)因素的影響,防止混凝土因頻繁凍融而受到剝蝕。

關(guān)鍵詞:混凝土;抗凍性能;凍融;含氣量;質(zhì)量損失;相對(duì)動(dòng)彈性模量

中圖分類(lèi)號(hào): TU528; TU502 + 4　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B　　　文章編號(hào): 1008 - 3707 (2007) 05 - 0050 - 03

　　近年來(lái),隨著人們對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)的日益提高,在各種設(shè)計(jì)規(guī)程中,均把耐久性列為混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo),尤其在一些大中型工程中,更加重視混凝土的耐久性問(wèn)題。耐久性指標(biāo)包括抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化、抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等,各項(xiàng)指標(biāo)之間密切相關(guān),本文主要探討的是抗凍性能。

　　根據(jù)現(xiàn)有研究成果,混凝土凍融破壞機(jī)理是:在0°C以下時(shí),凍害從溫度較低的表層開(kāi)始,表層毛細(xì)管中的水先凍結(jié),伴隨這種相變產(chǎn)生膨脹壓力;剩余的水分遷移至附近的孔隙和毛細(xì)管中,在水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,產(chǎn)生液體壓力;隨溫度的進(jìn)一步降低,內(nèi)部混凝土與孔徑更小孔隙中的水分也開(kāi)始凍結(jié),混凝土體積持續(xù)膨脹。解凍后,有一部分膨脹仍然殘留下來(lái),產(chǎn)生凍融劣化,硬化水泥石的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,動(dòng)彈性模量下降,抗拉強(qiáng)度降低,嚴(yán)重的時(shí)候產(chǎn)生剝蝕破壞。

1　影響因素分析

　　通過(guò)一組試驗(yàn),我們來(lái)分析各種因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響,找出提高混凝土抗凍性能的有效方法。

1. 1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

　　本次試驗(yàn)以混凝土實(shí)體試件進(jìn)行,采用二級(jí)配混凝土。試驗(yàn)設(shè)備能達(dá)到《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL /T 515022001) 》的要求;試驗(yàn)方法也按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行[ 1 ] 。試驗(yàn)采用同品種水泥,當(dāng)水灰比、骨料、外加劑中的一個(gè)發(fā)生變化時(shí),來(lái)分析上述三種因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

1. 2　試驗(yàn)中的原材料

　　(1)水泥:浙江尖峰42. 5級(jí)普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

　　(2)砂石料: 采用碎石與卵石兩種,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

　　(3)外加劑為杭州國(guó)力混凝土外加劑廠(chǎng)生產(chǎn)的LN22000高效減水劑, 河北省混凝土外加劑廠(chǎng)的DH9及普通木鈣引氣劑,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

1. 4　抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,上述混凝土配合比的相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失率有了明顯的差異,結(jié)果見(jiàn)表5。

1. 5　試驗(yàn)結(jié)果探討

　　表5數(shù)據(jù)顯示,水灰比小于0. 5時(shí)質(zhì)量損失在100個(gè)循環(huán)內(nèi)都能達(dá)到要求,影響抗凍性能的關(guān)鍵指標(biāo)為相對(duì)動(dòng)彈性模量。下面僅以相對(duì)動(dòng)彈性模量為依據(jù)來(lái)分析各因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

　　(1)水灰比是決定混凝土組織結(jié)構(gòu)致密性與孔結(jié)構(gòu)特征的基本因素,水灰比越小,養(yǎng)護(hù)越好,混凝土越致密,其中的孔隙與毛細(xì)管越少,滲水通道越少。一般情況下,混凝土的抗凍性能隨著水灰比的減小而提高。圖1中SY3與SY4曲線(xiàn)可證明上述論點(diǎn)。

　　(2)混凝土中加入引氣劑后,產(chǎn)生了均勻穩(wěn)定、互不相通的微小氣泡。這些小氣泡不僅部分阻斷了混凝土內(nèi)的開(kāi)口連通孔隙,同時(shí)在混凝土孔隙中的自由水凍結(jié)膨脹時(shí),小氣泡被壓縮,從而可以緩沖冰凍給孔隙帶來(lái)的脹壓力,溶解時(shí)氣泡又可恢復(fù)原狀。

　　木鈣對(duì)提高抗凍性能不理想的原因是:混凝土摻加減水劑與DH9后,混凝土內(nèi)形成的是微小密閉的氣泡,氣泡間隔系數(shù)約為200 μm;而加入木鈣的混凝土內(nèi)產(chǎn)生的氣泡直徑較大,氣泡間隔系數(shù)約為430μm。在含氣量一定時(shí),氣泡、間隔系數(shù)越大,則氣泡數(shù)量就少,因而在阻斷開(kāi)口孔隙與緩沖脹壓力方面的效果就越差。

　　圖1中SY2與SY3曲線(xiàn),說(shuō)明在加入同一種外加劑時(shí),含氣量越大,抗凍性能越好。

　　圖1中SY1與SY3曲線(xiàn),盡管SY1的含氣量略低,但還是能說(shuō)明氣泡性質(zhì)是影響混凝土抗凍性的重要因素。

　　(3)骨料內(nèi)部孔隙過(guò)多過(guò)大,吸水率偏大,堅(jiān)固性差,凍融時(shí)骨料內(nèi)存在的脹壓力就越大,對(duì)骨料自身的破壞性也越大。破壞時(shí),骨料與水化硅酸鈣間出現(xiàn)裂縫,嚴(yán)重時(shí)骨料自身破裂,表面砂漿嚴(yán)重剝離。因而吸水率較大的骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響同樣不可忽視。圖1中SY3與SY5曲線(xiàn)很清晰的說(shuō)明了上述觀點(diǎn)。

　　綜合以上分析可知,影響混凝土抗凍性能的主要因素為: ①混凝土內(nèi)的氣泡情況; ②水灰比; ③骨料情況。

2　工程應(yīng)用

　　浙江義烏巧溪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是浙江省重點(diǎn)水利工程之一,大壩為混凝土面板堆石壩。堆石體空隙大,不具備防滲能力,防滲功能主要由面板來(lái)承擔(dān);同時(shí),混凝土面板又處在水位波動(dòng)區(qū),存在遭受凍融剝蝕的可能。因此,面板的耐久性將直接影響到整個(gè)工程使用年限。

　　面板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25W8F100,采用浙江尖峰42. 5級(jí)普通硅酸鹽水泥,吸水率較小的天然砂和碎石,以及杭州國(guó)力混凝土外加劑廠(chǎng)生產(chǎn)的LN22000高效減水劑和河北省混凝土外加劑廠(chǎng)的DH9,原材料試驗(yàn)均能達(dá)到相應(yīng)規(guī)范的要求。通過(guò)試驗(yàn),得出的實(shí)驗(yàn)室配合比見(jiàn)表6,

28 d后,測(cè)得的立方體抗壓強(qiáng)度為34. 5 MPa;耐久性試驗(yàn)中,抗?jié)B、抗凍均超過(guò)設(shè)計(jì)等級(jí)。

3　結(jié)　語(yǔ)

　　混凝土凍融破壞是水工混凝土建筑物在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的主要病害之一,而提高混凝土抗凍性的重要途徑是增加混凝土密實(shí)性,阻斷混凝土中的開(kāi)口連通孔隙[ 2, 3 ] 。因此,在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí),只要適當(dāng)減小水灰比,摻入適量的減水劑和優(yōu)質(zhì)引氣劑,就能滿(mǎn)足混凝土的抗凍要求。與此同時(shí),選擇吸水率較小的堅(jiān)硬骨料,對(duì)提高混凝土抗凍性則有事半功倍的作用。

參考文獻(xiàn)

　　[ 1 ] 　李金玉,曹建國(guó). 水工混凝土耐久性的研究和應(yīng)用[M ]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

　　[ 2 ] 　馮乃謙. 高性能混凝土結(jié)構(gòu)[M ]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2004.

　　[ 3 ] 　蒲心誠(chéng). 超高強(qiáng)高性能混凝土[M ]. 重慶:重慶大學(xué)出版社,2004.