探討低強(qiáng)度抗凍抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)及其力學(xué)特性

1、<p>　　探討低強(qiáng)度抗凍抗?jié)B混凝土配合比設(shè)計(jì)及其力學(xué)特性</p><p>　　摘要：通過(guò)對(duì)低強(qiáng)度混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開展混凝土的抗凍、抗?jié)B和力學(xué)等性能的試驗(yàn)研究。分別研究了最優(yōu)水灰比、引氣劑摻量等因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響，并在上述條件下研究了其對(duì)強(qiáng)度和抗?jié)B等性能的影響，以及飽和與自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度變化特點(diǎn)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：低強(qiáng)度；抗凍；抗?jié)B；

2、混凝土；配合比設(shè)計(jì)；力學(xué)特性 </p><p>　　中圖分類號(hào)： TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　西北寒冷地區(qū)，年平均冰凍期長(zhǎng)，晝夜溫差大，為保證水利水電工程質(zhì)量，所用水工混凝土必須具備良好的抗凍性能。1985年原水電部組織的全國(guó)性水工混凝土病害調(diào)查結(jié)果顯示，水利工程混凝土凍融破壞是我國(guó)北方地區(qū)水利工程建設(shè)的突出問(wèn)題之一，而西北地區(qū)的混凝土凍融破壞問(wèn)題尤其嚴(yán)重。青海省某裝機(jī)

3、容量為3×500kW的水電站地處高原大陸氣候區(qū)，多年平均氣溫在零度以下，最低溫度-31.1℃。因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和施工對(duì)混凝土抗凍抗?jié)B指標(biāo)考慮不足，致使電站建成后運(yùn)行不到2 年，就因多部位混凝土發(fā)生嚴(yán)重凍融破壞而致使整個(gè)工程陷入癱瘓，給當(dāng)?shù)卦斐删薮蠼?jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。因此，在西北地區(qū)提高混凝土的抗凍性，對(duì)保證水利工程運(yùn)行安全尤為重要。 </p><p>　　為了充分獲得和利用水資源，采用混凝土防滲渠道和

4、各類灌溉輸水系統(tǒng)進(jìn)行輸水以減少在長(zhǎng)線輸水過(guò)程中的滲漏損失來(lái)提高輸水效率。我國(guó)從20世紀(jì)50-60 年代開始興建各類混凝土輸水防滲工程，其主要形式為混凝土防滲渠道，但在西北寒區(qū)這些混凝土防滲渠道存在著嚴(yán)重的凍脹破壞，不僅直接影響渠道的正常使用，而且增加了運(yùn)行管理難度和工程修復(fù)費(fèi)用，故在寒區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展上，要想提高渠系水利用率，就必須正視渠道凍脹耐久性問(wèn)題。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，各地極為關(guān)注渠道防滲工程的凍脹問(wèn)題，開展了多項(xiàng)試驗(yàn)研究

5、，取得了一系列的研究成果，但是要想從本質(zhì)上解決上述問(wèn)題，必須從混凝土的配合比設(shè)計(jì)上著手，尋求適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)的抗凍抗?jié)B混凝土深入研究混凝土力學(xué)特性。 </p><p>　　目前，對(duì)高抗凍抗?jié)B混凝土的研究大多是以高強(qiáng)混凝土(強(qiáng)度等級(jí)在C50或 C60以上) 為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改性來(lái)達(dá)到提高抗凍抗?jié)B性能的目的。一般來(lái)講，這種混凝土多采用較小水灰比(一般不大于0.30)，混凝土中不僅要摻入高效引氣劑和減水劑，還需加入

6、超細(xì)硅粉或其他優(yōu)質(zhì)礦物質(zhì)摻料，而且對(duì)所用粉煤灰的質(zhì)量要求較高，必須達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。也有人用低熱、高強(qiáng)度且孔隙率低的第二、三系列水泥，如鐵鋁水泥或貝利特低熱硅酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥配制高抗凍抗?jié)B混凝土，但由于這種高抗凍混凝土造價(jià)較高，大多還處于試驗(yàn)階段，導(dǎo)致其實(shí)際推廣應(yīng)用受到限制。另外，西北地區(qū)常年氣候偏干燥，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)占有的面積較大，且待建的水利設(shè)施大多屬中、小型水利工程，這部分混凝土結(jié)構(gòu)往往受力較小，目的多為輸水建筑物，這類工程

7、對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的要求相對(duì)較低(根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，通常將C30以下混凝土稱為低強(qiáng)度混凝土，C30～C40混凝土為中等強(qiáng)度混凝土，C50以上為高強(qiáng)度混凝土)，但卻對(duì)混凝土的抗凍抗?jié)B等級(jí)要求很高，因此如何獲得低標(biāo)號(hào)、高抗凍抗?jié)B混凝土是一個(gè)重要課題。為此，本文結(jié)合引黃灌溉工程(主要為輸水襯砌和護(hù)坡結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度要求不高) 通過(guò)配</p><p><b>　　行提供參考。 </b></p>&

8、lt;p><b>　　1 原材料 </b></p><p>　　水泥為中水泥P. O42. 5R級(jí)水泥。砂子細(xì)模2. 2，含泥量2. 0%，屬III區(qū)細(xì)沙。石子為清水河(1～2) +( 2～4) cm各50%碎石。引氣劑選用杭州中野天然植物科技有限公司研制的ZY－99或者 ZY－100新型引氣劑。 </p><p><b>　　2 試驗(yàn)方法 </

9、b></p><p>　　混凝土強(qiáng)度試件制作成15cm×15cm×15cm，空氣中養(yǎng)護(hù)1d后拆模，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至各個(gè)齡期，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試?；炷量箖鲂栽囼?yàn)按SD105－82《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，制作標(biāo)準(zhǔn)試件，試件標(biāo)養(yǎng)28d，在到達(dá)齡期前4d將需凍融試件放入(20±3)℃的水中浸泡，對(duì)比試件仍在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。凍融試驗(yàn)在上海砼瑞儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的試驗(yàn)箱中進(jìn)行，

10、混凝土中心的凍融溫度為(－20±2)～(20±2)℃，一個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間為6h左右，1d凍融4次，連續(xù)不斷試驗(yàn)。拌和混凝土含氣量測(cè)定采用氣壓法，硬化混凝土氣泡參數(shù)、大小和間距測(cè)定采用直線導(dǎo)線法。 </p><p><b>　　3 混凝土配合比 </b></p><p>　　根據(jù)工程實(shí)際情況，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C15。依據(jù)混凝土抗凍設(shè)計(jì)相關(guān)要求，基準(zhǔn)混凝

11、土配合比按有關(guān)規(guī)范由試驗(yàn)確定，水泥用量280kg/m3，砂率35%，坍落度(60±10)mm；摻引氣劑混凝土，含氣量控制在4%～6%。引氣劑摻量0.15%， </p><p>　　水泥用量280 kg。 </p><p>　　水泥用量、引氣劑摻量一定條件下混凝土含氣量隨W/C增加呈先增加，后遞減趨勢(shì)，在水灰比W/C= 0.55左右時(shí)含氣量最大。水泥用量、引氣劑摻量一定條件下混凝土

12、坍落度隨著W/C增大而增大。 </p><p>　　3. 1 最優(yōu) W /C 試驗(yàn)的確定 </p><p>　　從研究混凝土配合比的要求看，滿足坍落度在(60±10)mm的配合比有3組，即W/C比分別為0.50，0.55，0.60，為了獲得最優(yōu)W/C，將上述3組混凝土配合比分別配置混凝土做凍融試驗(yàn)。混凝土抗凍性一般以抗凍等級(jí)來(lái)表示?？箖龅燃?jí)是采用齡期28 d的試塊在吸水飽和后，承

13、受反復(fù)凍融循環(huán)，以抗壓強(qiáng)度下降不超過(guò)25%，而且質(zhì)量損失不超過(guò)5%時(shí)所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定的。GBJ 50164—92 將混凝土劃分為以下抗凍等級(jí)：F10，F(xiàn)15，F(xiàn)25，F(xiàn)50，F(xiàn)100，F(xiàn)150，F(xiàn)200，F(xiàn)250，F(xiàn)300 等9個(gè)等級(jí)，分別表示混凝土能夠承受反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)為10，15，25，50，100，150，200，250和300次。抗凍等級(jí)≥F50的混凝土稱為抗凍混凝土。因研究的混凝土配合比應(yīng)用地在西北，屬嚴(yán)寒地

14、區(qū)，為提高混凝土耐久性，提高抗凍標(biāo)準(zhǔn)，以凍融150次結(jié)果為依據(jù)，由于渠道常年過(guò)水，也需要承受滲水壓力和提高抗?jié)B性能(采用無(wú)錫市生產(chǎn)的HS－40型混凝土抗?jié)B儀進(jìn)行試驗(yàn))，因渠道水深一般較淺，根據(jù)規(guī)范和工程實(shí)際W4標(biāo)準(zhǔn)以滿足設(shè)計(jì)要求，因此W4標(biāo)準(zhǔn)作為下限進(jìn)行優(yōu)選，引氣劑摻量仍為0.15%。 </p><p>　　水泥用量、引氣劑摻量一定條件下混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨W/C增大而逐漸降低，特別是W/C超過(guò)0. 53左右，

15、強(qiáng)度下降更快，主要原因是水體增長(zhǎng)較多，占住混凝土材料體積。 </p><p>　　隨著W/C增大，盡管強(qiáng)度有所降低，但是混凝土含氣量逐漸增大，到W/C </p><p>　　接近0.55時(shí)，含氣量逐漸增大，主要原因是引氣劑在水體中發(fā)揮很好的摻氣效果，當(dāng)W/C超過(guò)0.55后，含氣量隨W/C增大而逐漸減少，其主要原因是水體增加較大后，盡管摻引氣劑但含氣量增加不如水體增加幅度大。 </p&

16、gt;<p>　　在W/C不大時(shí)，隨著含氣量增加，混凝土強(qiáng)度逐漸加大，其原因是W/C發(fā)揮強(qiáng)度原因超過(guò)引氣劑，當(dāng)含氣量增加到5%左右時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的混凝土配合比為0.55左右，超過(guò)0. 55后，含氣量逐漸減少，混凝土強(qiáng)度相應(yīng)減少，主要原因是含氣量受水體和骨料影響，且氣體占據(jù)混凝土體積，削弱混凝土整體強(qiáng)度，影響混凝土結(jié)構(gòu)整體性和強(qiáng)度。 </p><p>　　盡管凍融后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度普遍

17、降低，但是在含氣量為5%左右時(shí)，混凝土試件強(qiáng)度降低幅度最小。引氣劑摻量為0. 15%時(shí)3組混凝土試樣抗?jié)B等級(jí)都在W4以上，這對(duì)于渠道和灌區(qū)小水頭工作條件是合適的。 </p><p>　　在W/C=0.53～0.55，引氣劑摻量為0.15%時(shí)，所用混凝土配合各項(xiàng)指標(biāo) </p><p>　　較好。為了更好比較W/C=0.53和W/C=0.55兩組試驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)為了適當(dāng)提高強(qiáng)度，在原有混凝土水

18、泥用量280kg基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加5kg水泥，以提高混凝土強(qiáng)度。引氣劑摻量仍為0.15%，W/C= 0.53配合比混凝土結(jié)果更優(yōu)，各項(xiàng)指標(biāo)。 </p><p>　　3. 2W/C和水泥用量一定情況下最優(yōu)引氣劑摻量 </p><p>　　根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，W/C=0.53和水泥用量285kg結(jié)果較好，但是引氣劑摻量對(duì)混凝土抗凍和抗?jié)B影響并不清楚，為此選擇引氣劑摻量分別為0.025%， <

19、/p><p>　　0. 050%，0.100%，0.150%，0.200%五組試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。 </p><p>　　可以看出，當(dāng)W/C和水泥用量一定時(shí)，混凝土含氣量和坍落度隨W/C增加而逐漸增大。但是，含氣量在引氣劑摻量為0.15%～0.20%增加幅度不大，而坍落度在引氣劑摻量為0.10%～0.15%變化也不十分顯著。可以發(fā)現(xiàn)：引氣劑摻量不同時(shí)，所得混凝土配合比不同，各項(xiàng)指標(biāo)也不盡相同。

20、</p><p>　　為了尋求最佳引氣劑摻量，W/C= 0.53、水泥用量285kg，選擇0.10%，0.15%和0.20%三種摻量的混凝土做試驗(yàn)。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)證明，隨著引氣劑摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降，經(jīng)過(guò)50，100，150次凍融后，摻量為0.15%的混凝土強(qiáng)度最高，而摻量分別為0.10%和0.20%的混凝土強(qiáng)度反而低于摻量0.15%的試樣，綜合各試驗(yàn)結(jié)果，C15

21、F150W6混凝土標(biāo)準(zhǔn)配合比如下： W/C=0. 53，水泥用量 285 kg，砂率 35%，砂子 688. 3 kg，石子1 277. 9 kg，ZY－99引氣劑摻量0.15%。 </p><p>　　當(dāng)W/C= 0.53，水泥用量285kg和引氣劑摻量為0.15%時(shí)，研究了飽和條件下(試件養(yǎng)護(hù)4d后放在水中浸泡至7，28，90，180d) 混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。 </p><p>　　

22、可以看出來(lái)：混凝土配合比完全相同條件下，由于養(yǎng)護(hù)工況不同，飽和條件下混凝土強(qiáng)度比自然養(yǎng)護(hù)條件下所測(cè)強(qiáng)度偏低，混凝土強(qiáng)度的降低是由于在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷處水的吸附滲入作用。隨著多孔結(jié)構(gòu)的充水，水的滲入作用效應(yīng)減緩。此外，由于單分子層厚度的增加，降低了在狹小縫隙結(jié)構(gòu)中的表面能量。水是一種表面活性介質(zhì)，隨著它對(duì)混凝土作用的增加，降低了由于已產(chǎn)生的收縮和潮濕區(qū)不均勻分布而引起的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，而且促使水泥石凝膠膨脹和結(jié)構(gòu)密實(shí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，這時(shí)混凝

23、土水化硬化過(guò)程不大可能有迅速的進(jìn)展，因?yàn)?，這時(shí)大部分水泥顆粒實(shí)際上已經(jīng)水化，而對(duì)于齡期較長(zhǎng)的混凝土來(lái)說(shuō)，已水化的部分占絕大多數(shù)。當(dāng)然也不能完全排除水泥在繼續(xù)水化后會(huì)使混凝土強(qiáng)度有所提高，但是這種水化過(guò)程的影響只有在長(zhǎng)期水浸下才能發(fā)生，這也就是為什么隨著時(shí)間延長(zhǎng)，飽和混凝土強(qiáng)度逐漸增大，后期與自然養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度接近。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>&