摘 要:水庫、水閘、渡槽等水位波動區(qū)域的混凝土,在正負溫交替變化情況下會因頻繁凍融循環(huán)而受到剝蝕。現(xiàn)針對這種凍融剝蝕的破壞機理,分析影響混凝土抗凍性能的幾種因素,并列舉在工程上的應用實例以說明可以正確規(guī)避相關因素的影響,防止混凝土因頻繁凍融而受到剝蝕。
關鍵詞:混凝土;抗凍性能;凍融;含氣量;質量損失;相對動彈性模量
中圖分類號: TU528; TU502 + 4 文獻標識碼: B 文章編號: 1008 - 3707 (2007) 05 - 0050 - 03
近年來,隨著人們對混凝土耐久性認識的日益提高,在各種設計規(guī)程中,均把耐久性列為混凝土的一項重要指標,尤其在一些大中型工程中,更加重視混凝土的耐久性問題。耐久性指標包括抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化、抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等,各項指標之間密切相關,本文主要探討的是抗凍性能。
根據(jù)現(xiàn)有研究成果,混凝土凍融破壞機理是:在0°C以下時,凍害從溫度較低的表層開始,表層毛細管中的水先凍結,伴隨這種相變產(chǎn)生膨脹壓力;剩余的水分遷移至附近的孔隙和毛細管中,在水的運動過程中,產(chǎn)生液體壓力;隨溫度的進一步降低,內(nèi)部混凝土與孔徑更小孔隙中的水分也開始凍結,混凝土體積持續(xù)膨脹。解凍后,有一部分膨脹仍然殘留下來,產(chǎn)生凍融劣化,硬化水泥石的組織結構發(fā)生破壞,動彈性模量下降,抗拉強度降低,嚴重的時候產(chǎn)生剝蝕破壞。
1 影響因素分析
通過一組試驗,我們來分析各種因素對混凝土抗凍性能的影響,找出提高混凝土抗凍性能的有效方法。
1. 1 試驗設計原理
本次試驗以混凝土實體試件進行,采用二級配混凝土。試驗設備能達到《水工混凝土試驗規(guī)程(DL /T 515022001) 》的要求;試驗方法也按《水工混凝土試驗規(guī)程》進行[ 1 ] 。試驗采用同品種水泥,當水灰比、骨料、外加劑中的一個發(fā)生變化時,來分析上述三種因素對混凝土抗凍性能的影響。
1. 2 試驗中的原材料
(1)水泥:浙江尖峰42. 5級普通硅酸鹽水泥,試驗結果見表1。
(2)砂石料: 采用碎石與卵石兩種,試驗結果見表2。
(3)外加劑為杭州國力混凝土外加劑廠生產(chǎn)的LN22000高效減水劑, 河北省混凝土外加劑廠的DH9及普通木鈣引氣劑,試驗結果見表3。
1. 4 抗凍性能試驗結果
經(jīng)過凍融循環(huán)后,上述混凝土配合比的相對動彈性模量與質量損失率有了明顯的差異,結果見表5。
1. 5 試驗結果探討
表5數(shù)據(jù)顯示,水灰比小于0. 5時質量損失在100個循環(huán)內(nèi)都能達到要求,影響抗凍性能的關鍵指標為相對動彈性模量。下面僅以相對動彈性模量為依據(jù)來分析各因素對混凝土抗凍性能的影響。
(1)水灰比是決定混凝土組織結構致密性與孔結構特征的基本因素,水灰比越小,養(yǎng)護越好,混凝土越致密,其中的孔隙與毛細管越少,滲水通道越少。一般情況下,混凝土的抗凍性能隨著水灰比的減小而提高。圖1中SY3與SY4曲線可證明上述論點。
(2)混凝土中加入引氣劑后,產(chǎn)生了均勻穩(wěn)定、互不相通的微小氣泡。這些小氣泡不僅部分阻斷了混凝土內(nèi)的開口連通孔隙,同時在混凝土孔隙中的自由水凍結膨脹時,小氣泡被壓縮,從而可以緩沖冰凍給孔隙帶來的脹壓力,溶解時氣泡又可恢復原狀。
木鈣對提高抗凍性能不理想的原因是:混凝土摻加減水劑與DH9后,混凝土內(nèi)形成的是微小密閉的氣泡,氣泡間隔系數(shù)約為200 μm;而加入木鈣的混凝土內(nèi)產(chǎn)生的氣泡直徑較大,氣泡間隔系數(shù)約為430μm。在含氣量一定時,氣泡、間隔系數(shù)越大,則氣泡數(shù)量就少,因而在阻斷開口孔隙與緩沖脹壓力方面的效果就越差。
圖1中SY2與SY3曲線,說明在加入同一種外加劑時,含氣量越大,抗凍性能越好。
圖1中SY1與SY3曲線,盡管SY1的含氣量略低,但還是能說明氣泡性質是影響混凝土抗凍性的重要因素。
(3)骨料內(nèi)部孔隙過多過大,吸水率偏大,堅固性差,凍融時骨料內(nèi)存在的脹壓力就越大,對骨料自身的破壞性也越大。破壞時,骨料與水化硅酸鈣間出現(xiàn)裂縫,嚴重時骨料自身破裂,表面砂漿嚴重剝離。因而吸水率較大的骨料對混凝土抗凍性能的影響同樣不可忽視。圖1中SY3與SY5曲線很清晰的說明了上述觀點。
綜合以上分析可知,影響混凝土抗凍性能的主要因素為: ①混凝土內(nèi)的氣泡情況; ②水灰比; ③骨料情況。
2 工程應用
浙江義烏巧溪水庫除險加固工程是浙江省重點水利工程之一,大壩為混凝土面板堆石壩。堆石體空隙大,不具備防滲能力,防滲功能主要由面板來承擔;同時,混凝土面板又處在水位波動區(qū),存在遭受凍融剝蝕的可能。因此,面板的耐久性將直接影響到整個工程使用年限。
面板混凝土設計強度等級為C25W8F100,采用浙江尖峰42. 5級普通硅酸鹽水泥,吸水率較小的天然砂和碎石,以及杭州國力混凝土外加劑廠生產(chǎn)的LN22000高效減水劑和河北省混凝土外加劑廠的DH9,原材料試驗均能達到相應規(guī)范的要求。通過試驗,得出的實驗室配合比見表6,
28 d后,測得的立方體抗壓強度為34. 5 MPa;耐久性試驗中,抗?jié)B、抗凍均超過設計等級。
3 結 語
混凝土凍融破壞是水工混凝土建筑物在運行過程中產(chǎn)生的主要病害之一,而提高混凝土抗凍性的重要途徑是增加混凝土密實性,阻斷混凝土中的開口連通孔隙[ 2, 3 ] 。因此,在設計混凝土配合比時,只要適當減小水灰比,摻入適量的減水劑和優(yōu)質引氣劑,就能滿足混凝土的抗凍要求。與此同時,選擇吸水率較小的堅硬骨料,對提高混凝土抗凍性則有事半功倍的作用。
參考文獻
[ 1 ] 李金玉,曹建國. 水工混凝土耐久性的研究和應用[M ]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2004.
[ 2 ] 馮乃謙. 高性能混凝土結構[M ]. 北京: 中國電力出版社,2004.
[ 3 ] 蒲心誠. 超高強高性能混凝土[M ]. 重慶:重慶大學出版社,2004.
