水工钢球相变混凝土抗冻融性能试验研究

2022-08-19周燏城

水利科技与经济 2022年8期

周燏城

(吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆吐鲁番 838000)

0 引言

由于混凝土制备材料来源丰富、容易加工，因此被广泛应用于各类建筑中，成为工程建设的主要材料。随着社会的发展和进步，混凝土的使用量不断攀升，同时对混凝土的质量也提出了更高的要求。从混凝土自身的材料属性来看，由于为多种材料混合而成，因此其内部存在一定的孔隙，表面也不可避免存在一些微裂缝[1]。在北方寒区，混凝土表面的微裂缝会加速冻融破坏，造成表层脱落。在混凝土的内部，由于孔隙水的存在也会造成冻胀破坏。上述作用的循环和叠加，会造成混凝土力学性能的不断降低，最终导致建筑物的结构性损坏，影响建筑物的使用寿命。由于水工建筑的特殊应用环境，其混凝土结构受冻融作用的影响更为显著[2]。因此，提高水工混凝土的抗冻融能力成为相关领域专家和学者关注的重点。

相变材料是利用潜热储存能量的材料种类，可以在一定的温度区间内通过自身形态变化实现吸热或放热，继而达到调节温度的目的[3]。对水工大体积混凝土而言，将相变材料掺入混凝土中，可以大幅降低混凝土施工过程中的水化热，减少混凝土表面和内部的温度裂缝，对提高混凝土的耐久性和抗冻融性具有重要价值。目前，在相变混凝土的制作领域，主要采用浸泡法和微胶囊封装法[4]。其中，浸泡法工艺相对简单，但是相变材料在相变循环中会逐渐泄露失效；微胶囊封装技术加工工艺复杂，施工成本高，若封装不完善也会造成相变材料渗漏。基于上述原因，有学者提出将相变材料封装进体积较大的钢球，制作出钢球相变混凝土，并取得良好的效果。因此，本文通过室内试验的方式，探讨水工钢球相变混凝土抗冻融性能，并根据计算结果，提出相关的工程建议。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用水泥为普通P.O42.5普通硅酸盐水泥，经测试，其初凝时间为98 min，终凝时间为153 min，28 d抗压强度为39.3 MPa，抗折强度为6.2 MPa，主要指标满足相关规范要求。试验用粉煤灰为电厂一级粉煤灰，其烧失量为43.0%，含水量为0.56%，需水量为92%。试验用粗骨料为人工石灰岩碎石，在实验前进行清洗。试验用细骨料为普通河砂，其细度模数为2.58，属于中砂。试验用外加剂为山东鼎鑫建筑材料有限公司生产的高效减水剂和引气剂。试验用水为普通自来水。

此次试验使用的相变材料为十四烷，其材料占比为95%以上，该材料的相变温度为2℃，相变潜热为191.52 J/g。该相变材料具有良好的化学稳定性，热化学性质在多次相变循环后仍能保持稳定。同时，该材料还具有容易生产、成本低的优势，可以大规模推广使用。试验用钢球为直径25 mm的空心钢球，开孔直径为3 mm，内径23 mm。试验中，将相变材料注入钢球内部，注满之后再利用焊接技术将开孔密封。与其他材料相比，钢球具有密封效果好、强度高、不易泄露的优势。在钢球相变混凝土的制作过程中，添加一定比例封装好相变材料的钢球，以探讨不同掺加比例对混凝土抗冻融性质的影响。

1.2 试验方案

为了探讨相变钢球掺加比例对混凝土抗冻融性能的影响，研究中设置利用相变钢球取代粗骨料的比例分别为0%、3%、6%、9%和12%等5种不同的掺加比例，试验方案设计见表1。

表1 试验方案设计表

1.3 试件制作和试验方法

按照上节设计的试验方案制作25个试件，每组5个，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，以5个试件试验结果的均值作为每组方案的最终试验结果，以提高试验结果的准确性[5]。在试验过程中，首先将试件放在清水中浸泡4d，然后取出试件进行冻融试验；在冻融试验之前和结束之后，测量其质量损失、相对动弹模量和强度损失测试[6]。其中，冻融试验采用GT-TH-S-1000冻融试验机进行100次冻融循环的冻融试验；抗压强度采用万能试验机；弹性模量采用DT-20动弹仪。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

混凝土在冻融循环之后，其表面会产生剥落现象，因此试验中利用质量损失率来衡量其冻融破坏情况[7]。其计算公式如下：

(1)

其中：ΔW为试件的质量损失率；W0为试件的初始质量，g；Wi为第i次冻融试验后的试件质量，g。

利用式(1)和试验中获取的数据，计算出不同试验方案下试件的质量损失率，并绘制质量损失率随相变钢球掺量的变化曲线，见图1。由图1可以看出，水工钢球相变混凝土的质量损失率随着相变钢球掺量的增加呈现出不断减小的变化特征，这说明在水工混凝土中掺加相变钢球可以有效降低混凝土在冻融循环下的质量损失，对提高水工混凝土的抗冻性能有利。从具体的变化特征来看，当相变钢球的掺量小于6%时，水工钢球相变混凝土的质量损失率随着相变钢球掺量的增加而迅速下降；当相变钢球的掺量大于6%时，水工钢球相变混凝土的质量损失率随着相变钢球掺量的增加下降较为有限。结合试验结果和工程经济性考虑，建议相变钢球的掺量以6%为宜。

图1 质量损失率随相变钢球掺量变化曲线

2.2 相对动弹模量

试验中，水工钢球相变混凝土的相对动弹模量的计算公式如下：

(2)

其中：Pm为试件的相对动弹模量；fi为第i次冻融循环之后试件的横向基频；Hz；f0为冻融循环试验之前试件的横向基频初值，Hz。

利用式(2)和试验中获取的数据，计算出不同试验方案下水工钢球相变混凝土的相对动弹模量，并绘制相对动弹模量随相变钢球掺量的变化曲线，见图2。由图2可以看出，水工钢球相变混凝土的相对动弹模量随着相变钢球掺量的增加呈现出不断增大的变化特征，这说明在水工混凝土中掺加相变钢球有利于提升水工混凝土的抗冻性能。从具体的变化特征来看，当相变钢球的掺量小于6%时，水工钢球相变混凝土的相对动弹模量随着相变钢球掺量的增加而迅速增大；当相变钢球的掺量大于6%时，水工钢球相变混凝土的质量损失率随着相变钢球掺量的增加而缓慢增加。结合试验结果和工程经济性考虑，建议相变钢球的掺量以6%为宜。

图2 相对动弹模量随相变钢球掺量变化曲线

2.3 抗压强度

混凝土在经过一定次数的冻融循环之后，其强度均会产生比较明显的下降，其下降幅度一般通过抗压强度损失率评价[8]。利用试验中获取的数据，对不同方案下的试验抗压强度损失率进行计算，根据计算结果绘制抗压强度损失率随相变钢球掺量的变化曲线，见图3。由图3可以看出，水工钢球相变混凝土的抗压强度损失率随着相变钢球掺量的增加呈现出不断减小的变化特征，这说明在水工混凝土中掺加相变钢球可以有效减缓水工混凝土在冻融循环情况下的抗压强度损失，显著提升混凝土的抗冻融性能。从具体的变化特征来看，当相变钢球的掺量小于6%时，水工钢球相变混凝土的抗压强度损失率随着相变钢球掺量的增加而迅速下降；当相变钢球的掺量大于6%时，水工钢球相变混凝土的抗压损失率随着相变钢球掺量的增加下降较为有限。从抗压强度试验结果来看，当相变钢球的掺量大于6%时，再增加相变钢球的掺量对控制抗压强度损失的效果较为有限，但会大幅增加工程成本，因此建议相变钢球的掺量为6%。