冻融循环下掺合料对大坝混凝土性能影响

李 娜，赵恒祥

(1.淄博市水利勘测设计院有限公司，山东 淄博 255000；2. 山东水利技师学院，山东 淄博 255000)

1 概 述

温度是影响混凝土强度的一个因素，大坝因工程量大、环境复杂，其混凝土强度极易受到温度的影响而改变。尤其对于寒冷地区而言，季节变换时温差较大，混凝土存在冻融循环的情况，这种情况会使混凝土内部出现微小裂缝，并不断扩散，对其强度和耐久性会造成严重影响[1-2]。冻融作用不仅会降低混凝土的耐久性和力学性能，还会导致其他因素对混凝土造成破坏，比如溶蚀和冲刷。这些破坏因素都会严重威胁到大坝的安全性和稳定性，国内多处大坝都因为冻胀、冻融作用而受到程度不同的破坏[3]。所以，怎样使大坝混凝土具有更好的抗冻性能，具有非常重要的经济意义和工程意义。

大坝混凝土抗冻性提升的关键点在于原材料的选用，科学合理的材料配比决定了混凝土的强度和耐久性的高低。在混凝土原材料中，粗骨料占比最大，而骨料的类型、粒径、吸水率等都会对混凝土性能产生影响。研究结果表明，相等情况下，原材料为砂岩的抗冻性最不好；玄武岩和花岗岩略强；灰岩最强。骨料的强度随其吸水能力的增强而减弱，骨料中水分含量越多，越容易受到冻融作用的破坏。所以选用优质骨料可以减少增强混凝土的抗冻性，并减少用水量[4]。再者可以向混合料中加入优质材料，改善混凝土的胶凝能力，提高结构密实性。如矿渣和粉煤灰，能够改善骨料和水泥砂浆的界面结构，从而提高其强度。所以在符合国家规定的情况时，合理科学地对混凝土配合比进行设计，对提高其抗冻性和力学强度是十分重要的。

随着纳米科技的完善，研究人员将混凝土与纳米材料相结合，探索了一条发展混凝土的新路径。 DU等[5]向混凝土中加入纳米二氧化硅，对其耐久性进行研究，发现混凝土的抗渗性能得到显著的提高。 BALAGURU[6]通过研究发现，纳米结构能够使混凝土的耐久性得到较好的改善。杜应吉等[7]研究了冻融条件下纳米材料的抗冻性，发现混凝土中气泡的数量因纳米材料的加入而大大减少，防止了孔隙中水分因被冻结胀开而引起的破坏，将混凝土的抗冻能力提高了至少50%。

近些年，纳米材料价格的降低和粒径的变小，为其应用在实际工程中提供了可能性。本文设计不同冻融次数下纳米材料混凝土的劈裂和抗压试验，研究纳米材料对混凝土的改良效果，为更多的大坝工程提供理论基础。

2 研究方法和设计试验

纳米材料作为一种不错的改良材料，因此研究冻融循环条件下，大坝纳米材料混凝土强度变化规律是十分重要的。本文以实际大坝工程为背景，通过向混凝土内添加纳米材料，设计了室内劈裂、抗压以及冻融循环试验，研究冻融循环条件下，纳米材料对混凝土力学性质的影响。为了试验结果更具有真实性、准确性，能够精准揭示大坝混凝土力学性质在冻融作用下的变化规律，制作试样样品时以实际大坝工程中所用的混凝土种类和配比为参考，并从宏观角度对试验数据进行分析，如纳米材料混凝土劈裂、抗压强度在冻融循环次数不同情况下的变化规律，以此来判断纳米材料对高寒地区混凝土力学性能的影响，为该类地区大坝工程建设提供指导。

2.1 原材料和配合比

为保证试验的准确性，原材料择优选取，纳米材料选用3 500元/t的无机有机复合型材料，主料是类Ⅰ级粉煤灰、人为破碎的花岗岩骨料和42.5低热硅酸盐水泥，辅以引气剂和高效减水剂。骨料级配是小石：中石：大石：特大石=20:20:30:30，其中最大骨料粒径是150mm。

在设计混凝土的配比时，初步选定两种类型的混凝土。第一种是添加纳米材料的改性水泥土(简称MCC)；第二种为普通混凝土(简称ODC)，强度等级为C18040，其被广泛应用在大坝建造工程中。表1为两类混凝土的配合比。从表1中的配合比数据能够看出，与不含纳米材料相比，向混凝土中加入纳米材料不仅可以保持相同的黏聚性，还可以减少水和水泥的用量，可降低大坝工程的材料成本。其中，每立方米水泥降低9kg，用水量减少7kg。表明砼加入纳米材料后，其中凝结材料的级配得到优化，强化了混凝土的结构，使其更加坚实。

表1 低热水泥全级配混凝土配合比

2.2 试验方案

2.2.1 试样制作

制作混凝土冻融试样的尺为100 mm×100 mm×400 mm(长×宽×高)，方法为湿筛法。试样经过冻融试验后取出，用切割机将其分割成圆柱体试样和立方体试样，尺寸分别为100 mm×50 mm(直径×高)与100 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)，将分割好的试样放置好，用作后续的氯离子扩散系数、劈裂以及抗压试验。

2.2.2 测试方法和仪器

冻融试验方法为室内进行的加速冻融法，选用的仪器是全自动快速冻融机，型号为CDR6-9。试样制作完成之后，养护满90d，放入快速冻融机内，冻融液的温度为-25℃～ 20℃，试样中心温度为(-18±2)℃～(5±2)℃，每次冻融过程时间为3.0±0.5h。

3 分析实验结果

3.1 劈裂试验分析

图1为MCC混凝土和ODC混凝土劈拉强度随冻融循环次数变化而改变的规律。从图1中可以看出，在冻融次数达到300、500及800次时，MCC混凝土劈拉强度降低19.4%～54.5%，ODC混凝土的劈拉强度降低24.5%～59.0%。当冻融次数一致时，与ODC混凝土相比，MCC混凝土劈拉强度增加幅度达到7.6% ～19.3%，说明随着冻融循环次数的提高，两类混凝土的劈拉强度都呈现出下降的趋势，且下降速度大致相同。尽管两类混凝土劈拉强度都在下降，但总体而言，MCC混凝土的劈拉强度一直大于普通混凝土的劈拉强度，表明纳米材料能够有效提高混凝土的劈拉强度；并且冻融循环并不会对这种提高效果造成影响，表明即使在温差较大、温度交替频繁的情况下，纳米材料仍能保持对混凝土较好的改良效果。但需要说明的是，虽然在不同次数的冻融循环下，纳米材料混凝土强度一直大于普通混凝土，但两者在循环次数同步增长的情况下，劈拉强度下降趋势相同，表明纳米材料并不能抑制冻融对混凝土自身劣化的趋势，仅能起到提高劈裂强度的效果。图2直观地反映出纳米材料可以对混凝土抗劈裂能力起到很好的改良效果。

图1 冻融循环和劈拉强度之间的关系

图2 冻融循环中MCC和ODC的劈拉强度比

3.2 抗压强度分析

图3为MCC混凝土和ODC混凝土抗压强度随冻融循环次数变化而改变的规律。从图3中可以看出，两类混凝土的抗压强度随着冻融次数的增加，都呈现出缓慢变大、在300次左右达到峰值后加速减小的趋势。出现这种现象的原因是冻融开始前期，混凝土内部不会受到太大的损伤，同时粉煤灰、纳米材料及水泥的持续反应会不断改善混凝土的结构，使其结构更加密实，强度提高。当冻融循环次数继续增加后，混凝土内部孔隙中的水分被冻结，体积发生膨胀，对混凝土结构造成影响，损伤不断积累，加速了混凝土内部的破坏。经历800次冻融以后，MCC混凝土抗压强度减少2.8%，而ODC混凝土降低幅度达到5.0%，说明纳米材料能够明显改善冻融对混凝土抗压强度的影响，削弱混凝土的降低幅度，这是劈裂强度所不具备的特点。当冻融次数一致时，与ODC混凝土相比，MCC混凝土对抗压强度的提高幅度要高出3.1%～8.0%。并且在冻融次数300次时，前者的抗压强度峰值点要远远大于后者，说明纳米材料具对混凝土抗压强度有非常显著的改良效果。从图4可以看出，与水泥和粉煤灰相比，混凝土内的纳米材料发挥了更好的填充作用、活化作用，改善了土体结构，降低了冻融对混凝土的破坏。

图3 抗压强度与冻融循环次数的关系

图4 冻融循环中MCC和ODC的抗压强度比

4 结 论

本文基于纳米材料活性高、尺寸小的特点，研究冻融作用下，纳米材料对混凝土力学性能的影响。通过设置MCC混凝土与ODC混凝土在不同冻融循环次数下的劈裂对比试验和抗压对比试验，准确评价纳米材料对混凝土的改良作用，结论如下：

1)纳米材料的增加可以减少混凝土中水和水泥的用量，其中每立方米水泥降低9kg、用水量减少7kg，可大大降低大坝工程的材料成本，利于大坝工程的发展。

2)随着冻融循环次数的提高，MCC和ODC混凝土的劈拉强度都呈现出下降的趋势，且下降速度大致相同；纳米材料能够有效提高混凝土的劈拉强度，对混凝土起到较好的改良效果，并且冻融循环不会对这种提高效果造成影响，但纳米材料不能抑制冻融对混凝土的劈裂劣化程度。

3)两类混凝土的抗压强度随着冻融次数的增加，都呈现出缓慢变大再逐渐降低的趋势，在300次左右达到峰值点。当冻融次数一致时，与ODC混凝土相比，MCC混凝土对抗压强度的提高幅度要高出3.1%～8.0%,并且前者的抗压强度峰值点要远远大于后者，说明纳米材料具对混凝土抗压强度有非常显著的改良效果，且能有效抑制冻融对混凝土抗压的劣化程度。