寒冷地区水工混凝土掺大吸水率粗骨料的试验研究

冯宝君

(葫芦岛市绥中县水利建筑工程公司，辽宁 葫芦岛 125200)

混凝土是水利工程建设中最主要的建筑材料之一，骨料作为基本原材料占混凝土体积的70%以上，这也是组成混凝土的重要成分[1-2]。北方寒冷地区天然骨料吸水率(1.8-3.5%)一般超过《水工混凝土施工规范》中的规定：对于有侵蚀作用或抗冻要求的混凝土，骨料吸水率≤1.5%[3-5]。因此，针对天然骨料吸水率超标问题，文章设计了不同掺配比例的人工骨料与天然骨料混凝土，结合微观结构特征、抗压强度、抗渗和抗冻性能提出满足工程需求的混凝土配合比，并论证了寒冷地区水利工程大吸水率骨料应用的科学性和可行性。

1 试验材料

1)水泥。试验选用P·O 42.5级“渤海牌”普通硅酸盐水泥，经检测水泥性能符合GB175-2017技术要求，水泥性能检测表，见表1。

表1 水泥性能检测表

2)粉煤灰。试验选用大连恒翔生产Ⅱ级灰，经检测粉煤灰性能符合DL/T5055-2018Ⅱ级粉煤灰要求，粉煤灰性能检测表，见表2。

表2 粉煤灰性能检测表

3)粗、细骨料。本试验选用天然砂作为细骨料，经检测其物理性能符合《水工混凝土施工规范》要求，细骨料性能检测表，见表3。试验按照不同比例将人工骨料和吸水率较高的料场天然骨料混合作为粗骨料，其物理性能，粗骨料性能检测表，见表4。

表3 细骨料性能检测表

表4 粗骨料性能检测表

4)外加剂和水。试验选用中铝聚能MA高效引气剂和科诺QW-10缓凝高效减水剂，试验用水选择饮用水。

2 试验方案设计

2.1 技术要求

试验配置C30F300W4常态混凝土，控制水胶比处于0.30-0.45之间，砂率处于32-35%之间，设计骨料级配0.5∶0.5，粉煤灰掺量25%，引气剂产量0.012%，减水剂产量1.0%，混凝土强度为38.0MPa，考虑拌合物实际情况适当调整外加剂掺量，控制拌合物含气量4.0-7.0%和塌落度7-9cm。

2.2 配合比设计

本试验设计4种不同水胶比和4个粗骨料方案，配合比设计，见表5。通过测试不同试件的抗冻性能和抗压强度，探讨混凝土性能与骨料吸水率之间的关系。

表5 配合比设计

3 结果与分析

3.1 对混凝土强度的影响

试验检测水胶比为0.43、0.38、0.33四种骨料配比的混凝土7d和28d抗压强度，抗压强度检测表，见表6。

表6 抗压强度检测表

由表6可知，在水胶比相同的条件下，人工骨料占比越大则混凝土强度越高，这是由于骨料吸水率越大则内部分布的缺陷或孔隙就越多，从而降低了混凝土强度；此外，达到饱和面干状态时内部含缺陷或孔隙的骨料可能吸收相对较多的水分，在水化过程中这部分水分被释放出来，并使得计算水胶比要低于实际水胶比，这也是导致混凝土强度差异的关键因素。

结合表6试验数据，各水胶比下编号T、编号6T4S的28d抗压强度均不满足设计配置强度38.0MPa的要求。因此，本试验重新设计、配置、成型、检测编号T、6T4S、2T8S三种骨料方案混凝土，编号T-4、6T4S-4、6T4S-5、2T8S-4试件的水胶比分别为0.28、0.31、0.29、0.35，配置混凝土7d抗压强度依次为29.1MPa、29.5MPa、32.0MPa、32.8MPa，28d抗压强度依次为38.6MPa、38.8MPa、46.2MPa、39.5MPa，按照以上方案配置的混凝土状态良好，其水胶比和28d抗压强度均符合设计要求。

3.2 对混凝土抗冻性影响

冻融循环达到300次时各组试件的状态良好，只有部分试件表面出现一定剥落，按设计方案配置的混凝土抗冻性和抗渗性较好。研究认为，混凝土良好的界面结构决定了其优异的抗渗和抗冻性能，界面结构越密实则外部水分侵入内部的难度越大，宏观上表现为混凝土的耐久性优良[6]。

3.3 对微观结构的影响

本试验拟利用扫描电镜观测分析编号T-4、6T4S-4、2T8S-4、S-2试件的界面结构，对混凝土宏观性能从微观角度上进行分析。

结果显示，编号2T8S-4、S-2试件具有均匀密实的界面结构，能够清楚地观测到针棒状钙矾石和水化硅酸钙凝胶；编号T-4、6T4S-4试件也具有均匀密实的界面结构，但水化产物相对相对较少，这是由于凝胶材料比例较低或水化程度较差[7]。总体而言，混凝土界面结构受不同骨料掺配比例的影响无明显差异，各组试件均具有均匀密实的界面结构，这在很大程度上决定了混凝土宏观性能，主要表现为优异的抗渗、抗冻性能和较高的抗压强度。

由于骨料内部存在相对较多的孔隙使得其吸水率较高，拌合成型过程中水泥浆体会渗入骨料内部，从而增强粗骨料与水泥砂浆的胶合效应，改善了结构整体性和界面密实性，因此抗冻性能得到加强。然而，骨料内部孔隙多会降低混凝土的抗压强度和整体力学性能，抗压强度逐渐替代抗冻等级成为高吸水率混凝土配置的主控指标[8-13]。

4 结 论

施工过程中要应用以上试验研究成果，还要注意骨料清洁、加强骨料质量控制、实时掌握品质的变化。现有研究还较少涉及大吸水率骨料的普遍适用性问题，因此以上研究成果只适用于寒冷地区特定骨料，要揭示混凝土性能与吸水率之间的一般性规律仍需开展进一步深入研究。