水工混凝土抗冻性能影响因素研究

2010-08-10温宝山王兴庭周明学

东北水利水电 2010年1期

温宝山，王兴庭，周明学

（1.中国长江三峡集团公司试验中心，湖北宜昌 443133；2.巴斯夫化学建材武汉分公司，湖北武汉 430000）

1 概述

冻融破坏是水工混凝土结构老化病害的主要原因之一，严重影响混凝土结构物的使用寿命和安全运行，因此抗冻性是评价寒冷地区混凝土结构耐久性的重要指标。混凝土遭受冻融侵蚀是一个较为复杂的物理劣化过程，包含渗透扩散、冻融循环、开裂破坏等次生过程，影响混凝土抗冻性能的因素也较为复杂。以下通过一系列室内快速冻融试验，研究混凝土在冻融循环作用下质量损失和相对动弹性模量的变化规律，探讨混凝土含气量、粗骨料种类及粒径、粉煤灰掺量、人工砂石粉含量及水胶比对混凝土抗冻性能的影响。

2 冻融试验

2.1 试验材料

试验采用中热水泥，I级粉煤灰，除“人工砂石粉含量对抗冻性能影响”部分试验外，其他试验所采用的人工砂细度模数为2.60。

2.2 试验方法

试验按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》进行，试件规格为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，冻融温度为-25～20℃，冻融循环一次历时2～4 h，在进行规定次数冻融循环后计算试件的相对动弹性模量损失或重量损失。

3 结果分析

3.1 含气量的影响

混凝土毛细孔里的水分结冰时，体积会随之增大，需要孔隙扩展结冰水体积，或者把多余的水沿试件边界排出，或者二者同时发生，这个过程形成水压力，其大小取决于结冰处至“逸出边界”的距离、材料的渗透性以及结冰速率。饱和的水泥浆体试件中，除非浆体里每个毛细孔距最近的逸出边界不超过75～100 m，否则就会产生破坏压力，这么小的间距可以通过掺用适当的引气剂来达到[1]，因此，引气剂能够有效地减小混凝土受冻损伤。有试验表明，冰冻至-24℃时，不引气的水泥浆体试件伸长约1 600×10-6m，溶解至初始温度时，可观测到500×10-6m的永久伸长；引气10%的试件在冰冻期间无明显膨胀，融解循环结束时无残余膨胀[2]。多数水工混凝土中掺加引气剂，以达到良好的抗冻耐久性，水工混凝土含气量与相对动弹性模量的关系见图1。

由图1可以看出，含气量对混凝土抗冻耐久性的影响十分显著，但含气量达到6.2%，混凝土相对动弹性模量的降低幅度与含气量为5.1%时基本相同，抗冻性能不再因含气量的增加而改善，说明含气量对抗冻性能的增强作用存在一个极限饱和点，在饱和点以下含气量对混凝土抗冻性能的贡献显著，但含气量超过了饱和点，抗冻性能不再随着含气量的增加而增强。

3.2 水胶比的影响

混凝土含气量为4.5%时，水灰比对混凝土抗冻性能的影响见图2。

图2 水灰比对混凝土抗冻性能的影响

由图2可以看出，相对动弹性模量和质量损失的变化说明，水胶比越大，混凝土的抗冻性能越差，这是因为硬化混凝土的孔结构是由水灰比所决定，一般情况下，水化程度一定时水灰比越大，硬化水泥浆体里的大孔体积越大，可冻水存在于大孔中，使得水灰比较高的水泥浆体中有较多的可冻水，因此抗冻性能较差，在冻融循环的过程中质量损失和相对动弹性模量降低较多。

3.3 粗骨料的影响

水泥浆基体引气的混凝土仍可能受到冻融的损伤，这种情况是否会发生，很大程度上取决于骨料对冰冻作用的反应，骨料饱和浆体结冰产生内部压力的机理同样适用于用岩石生产的骨料，同时骨料的粒径也会对混凝土的抗冻性能产生重要的影响。骨料种类对混凝土抗冻性能影响试验采用了白云岩、玄武岩和花岗岩3种骨料，骨料最大粒径对抗冻性能的影响试验采用的骨料为花岗岩，骨料粒径分别选用了水工混凝土常用的一级配(最大粒径为20 mm)和二级配（骨料最大粒径为40 mm，由于试件条件的限制，需对拌制好的混凝土进行湿筛，湿筛后实际骨料最大粒径为30 mm）2种混凝土，在含气量为4.5%左右条件下进行的冻融循环试验，骨料对抗冻性能影响见图3、图4。

图3 骨料种类对混凝土抗冻性能的影响

骨料的这种抗冻性能的差异主要是因为岩石本身的结构造成的，玄武岩和花岗岩同属于岩浆岩，而白云岩属于沉积岩，从结构上来说，沉积岩不如岩浆岩致密，表观密度小，孔隙率和吸水率大，强度较低，因此抗冻耐久性也就较差[3]。

图4 骨料粒径对相对动弹性模量的影响

由图4可以看出，随着骨料最大粒径的增加，混凝土的相对动弹性模量迅速下降，这是因为混凝土中骨料粒径愈大，在温度变化过程中骨料对水泥砂浆的变形约束愈大，同时骨料的增大使得砂浆与骨料间的界面增大，降低了混凝土的抗渗性能，因此大粒径混凝土随冻融循环次数的增加，相对动弹性模量急剧降低。另外，骨料在混凝土抗冻融过程中存在“临界骨料粒径”，即在一定的孔径分布、渗透性、饱和度与结冰速率条件下，大颗粒骨料可能会受冻害，但小颗粒则不会[4]。例如混凝土试件养护14 d后受到冻融循环时，粒径为12～25 mm燧石的混凝土弹性模量降低50%时需要183个循环，而5～12 mm燧石、养护条件相同的混凝土试件则需要448个循环。但对于同一种骨料，临界尺寸并非单一值，因为它还取决于结冰速率、饱和度和骨料的渗透性。

3.4 粉煤灰的影响

混凝土内部微孔结构是影响混凝土受冻融破坏的关键因素，掺加掺和料能够改善混凝土的孔结构。粉煤灰混凝土在含气量为5%时进行冻融循环试验，相对动弹性模量结果见图5。

图5 粉煤灰掺量对相对动弹性模量的影响

由图5可以看出，掺加20%粉煤灰混凝土试件的相对动弹性模量比不掺粉煤灰的略大，显示出了好的抗冻性能，这是因为粉煤灰具有火山灰活性，能与水泥水化过程中析出的氢氧化钙进行“二次反应”，形成紧密的混凝土微观结构，改善了混凝土的界面，减少了过渡区，因此能提高混凝土的抗冻性能。在粉煤灰掺量达到40%时，混凝土的相对动弹性模量迅速下降，粉煤灰的掺入能够细化混凝土内部空隙，增加结构总空隙率[5]，同时降低了混凝土孔隙水的冰点[6]，使冻融破坏方式由静水压侵蚀向渗透压侵蚀转变，总空隙率的增加及渗透压侵蚀会加速粉煤灰的冻融破坏，因此，粉煤灰掺量合适能够提高混凝土的抗冻性能，但掺量过大对混凝土抗冻性能就会有一定的负面影响。