掺火山灰碾压混凝土的耐久性研究*

左俊卿

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080 2. 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 201114

0 引言

近年来，一些路、桥、坝等混凝土构筑物因环境变化、材质劣化等因素而致使其性能失效，导致构架倒塌、沉陷等事故时有发生。一些大型工程，未达到设计使用年限便老损退化，对老损建筑物的修缮补救工作达到高峰，人力、物力、财力损失重大。考虑到混凝土的耐久性是其长期性能的最重要部分，世界各国都对混凝土耐久性进行了大量的研究，以期不断提高混凝土的耐久性，延长工程使用寿命，确保结构的稳定性和良好的服务安全性[1-3]。

碾压混凝土（Roller Compacted Concrete，简称RCC）是一种通过振动碾压工艺而达到高密实度、高强度的水泥混凝土（或沥青混凝土）。碾压混凝土可以使用搅拌设备进行拌和，用传统的施工设备进行运装、铺筑、压实，硬化后的性能也与传统方式浇筑成型的常规混凝土基本相同。因此，碾压混凝土的施工工序简单、机械化使用效率高、工程周期短，同时，它还具备常规混凝土的强度和耐久性的优点。本文根据大体积混凝土工程对碾压混凝土耐久性要求的实际情况，对C10、C15、C20碾压混凝土进行了抗渗、抗冻性能试验研究。

1 试验过程

1.1 试验原材料及试件制备

试验所用水泥为P.O 42.5水泥，掺合料为火山灰及磨细磷矿渣，试验细骨料为天然砂，粗骨料为天然河卵石，试验用水为饮用水，外加剂为瑞沃HC-3缓凝高效减水剂和HC-9引气剂，试件配比见表1。配合比编号中的大写字母“A”表示强度等级为C10，“B”表示强度等级为C15，“C”表示强度等级为C20；大写字母后的数字“1”表示为单掺天然火山灰，“2”表示为双掺火山灰和磷矿渣；“-数字”为试验配合比编号。试验前采用HITACHI-3400N型扫描电子显微镜测试掺合料微观形貌。试验混凝土拌和采用机械搅拌，设计VC值5～7 s。试件成型24 h后拆模，并将试件放置标准养护室（温度22 ℃±3 ℃，相对湿度≥90%）养护至90 d龄期。

表1 碾压混凝土的试验配合比

1.2 试验方法及测试

本试验根据《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）中“碾压混凝土抗渗试验”进行，试验仪器采用HS-40X型混凝土渗透仪。试验过程中，应控制好装模时的压力，以免试件被压坏，对于2个抗渗面要用毛刷将表面的1层水泥浆体薄膜刷毛。同时，要注意在试验前期往备水箱加水，以保证渗透压力的递增。试验分别将C10、C15各组试件加压到0.90 MPa，C20各组试件加压到1.10 MPa，此时，观察所有试件抗渗表面均未出现渗水的现象，停止试验。对抗渗试件进行劈拉，将其劈开测试各试件的渗水高度，最终混凝土抗渗性能以抗渗等级和渗水高度来综合评价。

碾压混凝土抗冻性能试验主要根据工程的设计抗冻要求，对C10、C15、C20碾压混凝土进行90 d抗冻性能试验。试验依据SL 352—2006中“碾压混凝土抗冻试验”进行，采用快冻法。

试验过程中，当达到下列3种情况之一时，即可停止试验：

1）已达到300次循环；

2）相对动弹模量下降到60%以下；

3）质量损失率达5%。

由于本次试验的C10、C15试件只进行100次循环，而C20试件进行150次循环，因此，试验主要参照后2个条件对结果进行分析，满足其中任意1条，则停止试验，并认为混凝土已经冻坏，记录下对应的抗冻循环次数。混凝土试件的相对动弹模量可按下式（1）计算：

式中：P——经n次冻融循环后试件的相对动弹模量，%；

fn——n次冻融循环后试件的横向基频，Hz；

f0——冻融循环试验前测得的试件横向基频初始值，Hz。

混凝土试件冻融后的质量损失率应该按下式（2）计算：

式中：ΔWn——n次冻融循环后试件的质量损失率，%；

G0——冻融循环试验前的试件质量，kg；

Gn——n次冻融循环后的试件质量，kg。

混凝土耐快速冻融循环次数应以同时满足相对动弹模量值不小于60%和质量损失率不超过5%时的最大循环次数来表示。

混凝土耐久性系数应按下式（3）计算：

式中：Kn——混凝土耐久系数；

N——达到规定要求时的冻融循环次数；

P——经n次冻融循环后试件的相对动弹模量，%。

因频率为周期的倒数，故在本试验中，可以将相对动弹模量的计算公式作如下变形，方便计算：

2 试验结果与分析

2.1 掺合料微观形貌

火山灰质掺合料不但能改善新拌水泥基材料的性能，且能改善其硬化水泥基材料的性能。而在这一系列的作用过程中，火山灰质材料的形貌效应则主要针对新拌水泥基材料的流动性及硬化后基材料的强度起影响。传统的掺合料粉煤灰的球形形貌具有助滑减水作用，而矿渣的表层光滑致密玻璃体状外观则不利于其减水，甚至影响到其拌合物的和易性。图1（a）为试验所用磷矿渣的SEM图像，其外貌光滑致密，具玻璃体状外观，颗粒棱角分明[4,5]。

相比于粉煤灰和磷矿渣的外貌特征，天然火山灰没有粉煤灰那样的球形圆滑外貌，也没有磷矿渣棱角分明的光滑外貌特点，它的外貌介于二者之间，呈现为大量的不规则体，外观粗糙，较多的棱角，大多为玻璃体状，具有较大的不等度性。如图1（b）所示，因为天然火山灰多是由火山石经粉磨生产工艺加工而得，故而其颗粒表面存在着一定量的微屑，有些微屑没有脱离母体，附着在颗粒表面，使得母体表面外观参差不齐，有的棱角较为分明，有的则较为圆滑，基本没有棱角。

2.2 混凝土抗渗性能

表2所示为各组碾压混凝土试件抗渗性能试验结果。

图1 掺合料微观形貌对比

表2 C10、C15和C20碾压混凝土抗渗试验结果

由表中数据分析可知：

1）C10、C15各组试件的抗渗等级均大于W8，C20组试件的抗渗等级大于W10，说明各组配合比碾压混凝土的抗渗等级均能满足工程设计的要求。

2）比较C10、C15和C20碾压混凝土的抗渗性能，明显可以看出，随着混凝土强度等级的提高，其抗渗性能也得到一定的改善。研究表明，硬化水泥浆体的孔结构是影响其抗渗性能的重要因素，其孔隙主要由凝胶孔、毛细孔和大孔3部分组成。相比而言，凝胶孔的孔径要比其他2种小得多，且多为封闭孔，故对渗透性影响不大，有时也称之为无害孔，而毛细孔和大孔则是水迁徙的主要通道，是造成混凝土渗水的主要原因。水胶比的降低能有效地减少这2种孔的数量，同时会使水泥浆基体和骨料之间的过渡区黏结地更加密实，所以能显著地提高混凝土的抗渗性能，这在数据上表现为水胶比较小的，其抗渗性能也较优。

3）对C10、C15、C20各组单掺料和双掺料的抗渗性能进行比较，发现双掺料的抗渗性能都要稍好于单掺料的，但二者相差不是很明显，可见，双掺料的颗粒级配以及填充密实性能都要好于单掺料的，而单掺料的抗渗等级也能满足试验设计的要求值。

2.3 混凝土抗冻性能

表3所示为混凝土抗冻试验结果及计算结果。

表3 混凝土抗冻试验及计算结果

由表中数据可以看出，各组试件的最终动弹模量及质量损失率均较小，C10、C15的质量损失率均不超过2%，C20的动弹模量损失不超过50%，质量损失不超过2.50%。可见，各强度等级碾压混凝土均具有较好的抗冻性能，能够满足工程设计提出的C10、C15要求F50，C20要求F100的抗冻等级要求。碾压混凝土的抗冻性能可随着火山灰的掺入而提高，究其原因，主要是掺加火山灰后改善了混凝土的引气量和水泥的水化程度。火山灰混凝土的抗冻性能高于普通混凝土的，并且随着磷矿渣、胶凝材料总用量的增加，碾压混凝土抗冻性能提高效果更为明显[6-8]。

3 结语

从耐久性试验结果可以看出，掺火山灰碾压混凝土抗渗、抗冻性能在规定龄期的等级均能满足设计的要求，且有所富余。在抗渗性能方面，各试件在达到规定的抗渗压力情况下，其抗渗深度平均值都不超过80 mm，C10、C15混凝土抗渗等级大于W8，C20混凝土则超过W10；180 d抗冻性能试验的各试件质量、动弹模量损失值均较小，分别不超过3%、50%，C10、C15抗冻等级达到F75，C20抗冻等级达到F150。