郝維維，曹福興

（勝利油田營(yíng)海實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257087）

不同配合比混凝土的抗凍融性能試驗(yàn)研究

郝維維，曹福興

（勝利油田營(yíng)海實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257087）

本文對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同環(huán)境中進(jìn)行 0～300 次凍融循環(huán)，然后測(cè)得其凍融前后試件的質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，300 次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失不明顯，相對(duì)動(dòng)彈模量在 175～200 次是顯著分界點(diǎn)；通過(guò)在自來(lái)水和海水溶液中凍融循環(huán)對(duì)比，海水加速混凝土的腐蝕速度。

質(zhì)量損失；動(dòng)彈模量；海洋環(huán)境；水膠比

0 前言

我國(guó)地域遼闊，有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶，四季和晝夜溫差大，最低溫度低，一些鹽湖地區(qū)含鹽量高，在這種嚴(yán)酷的環(huán)境中，致使不少水工建筑物發(fā)生了凍融破壞和鹽腐蝕侵害。根據(jù)全國(guó)水工建筑物耐久性調(diào)查資料，在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物都存在凍融破壞問(wèn)題。大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區(qū)，尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū)，興建的水工混凝土建筑物，幾乎100%工程局部或大面積的遭受不同程度的凍融破壞。

凍融破壞和鹽腐蝕使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)散裂、剝落等現(xiàn)象嚴(yán)重?fù)p壞建筑物的耐久性，為保證在嚴(yán)酷環(huán)境中工程質(zhì)量和耐久性，試驗(yàn)探尋適合抗侵蝕抗凍性能的混凝土。本文通過(guò)快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究混凝土不同水膠比、含氣量、不同骨料、不同溶液中混凝土的抗凍融性能，為制造適合寒冷地帶含鹽量高的海域湖區(qū)等嚴(yán)酷環(huán)境下的高耐久性建筑材料提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：山東省東營(yíng)市勝利油田水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥，其質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

礦粉：山東省東營(yíng)市勝利油田水泥廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，燒失量0.39%，比表面積374kg/m3，7天活性指數(shù)79%，8天活性指數(shù)109%。

粉煤灰：山東省東營(yíng)市勝利油田勝利發(fā)電廠粉煤灰，比表面積215kg/m3，45μm篩余25.0%，燒失量5.93%，28天活性指數(shù)75 %。

骨料：青州東升石料廠水洗機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.2， 80μm以下的石粉含量3%，亞甲藍(lán)0.5；機(jī)制干砂，細(xì)度模數(shù)3.0，80μm以下的石粉含量12%，亞甲藍(lán)1.0；石子為青州東升石料廠5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配的石灰石碎石，壓碎值為15.8%。

外加劑：西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率22.5%，引氣劑為西卡公司生產(chǎn)的高性能復(fù)合減水引氣劑。

拌合水：自來(lái)水。

海水溶液：取自山東東營(yíng)環(huán)渤海灣近海岸線的海水，其成分見(jiàn)表2。

表2 海水成分 mg/L

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表3。

試驗(yàn)主要研究了普通混凝土、加引氣劑的混凝土分不同型號(hào)在不同溶液中的抗凍融循環(huán)作用，采用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗凍性能。

抗凍試驗(yàn)采用快凍法，以 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以三個(gè)試件為一組，凍融試驗(yàn)以混凝土28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件在到達(dá)齡期前4天取出放入(20±3)℃的水中浸泡，試件尺寸是100mm×100mm×400mm，每進(jìn)行25次凍融循環(huán)后更換一次溶液。混凝土力學(xué)性能按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，含氣量按DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用氣壓法進(jìn)行測(cè)試，采用的是日本生產(chǎn)的LC-615A型含氣量測(cè)定儀；混凝土動(dòng)彈模量采用 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試橫向自振頻率的方法，測(cè)試儀器為天津天璣科技有限公司 DT—16型動(dòng)彈儀。

表3 配合比及性能

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土試件在清水中和海水中的300次凍融循環(huán)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 質(zhì)量損失 %

表5 動(dòng)彈模量損失 %

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》和 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)抗凍等級(jí)的規(guī)定是同時(shí)滿足相對(duì)動(dòng)彈模量不小于60%和質(zhì)量損失率不超過(guò)5%時(shí)的凍融次數(shù)。通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，普通中等強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的質(zhì)量損失率基本滿足300次凍融循環(huán)，但海水中明顯大于淡水中的質(zhì)量損失，在淡水中，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均不大于 2%，但在海水中，質(zhì)量損失率將近4%；從動(dòng)彈模量的變化看（見(jiàn)圖1，圖中橫坐標(biāo) 1～12 對(duì)應(yīng)表5 中25～300 次凍融循環(huán)試驗(yàn)），水膠比0.45的混凝土在海水中僅滿足F200的抗凍循環(huán)，相對(duì)動(dòng)彈模量在175～200次是顯著分界點(diǎn)；通過(guò)在清水和海水溶液中凍融循環(huán)對(duì)比，海水加速混凝土的腐蝕速度；水膠比越低，抗凍性越好；含氣量提高到4%～5%之間增加混凝土的抗凍性；混凝土的骨料級(jí)配越密實(shí)，抗凍性越好。

提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管通路，能使混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時(shí)大量的氣泡還能起到潤(rùn)滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內(nèi)部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，大大提高混凝土的抗凍耐久性。這通過(guò)GS2和GS3對(duì)比明顯看出，含氣量相比普通的提高到4.6%的情況下，抗凍性提高百次凍融循環(huán)。

通過(guò) C30 和C40的對(duì)比，水灰比在0.4的混凝土，比同樣條件下水灰比0.45的抗凍融性能好。

對(duì)比GS1和GS2，混凝土中配入部分干砂，能增加混凝土的密實(shí)性，同時(shí)抗凍性能比單純用石粉量少的濕砂抗凍性強(qiáng)。

通過(guò)GS5和GS6的對(duì)比，海水環(huán)境下，隨著海中鹽類(lèi)的結(jié)晶壓力和冰凍膨脹壓力的共同作用，加速了混凝土試件表面毛細(xì)孔膨脹，混凝土的質(zhì)量損失率增大明顯，試件表面凍脹剝落的程度嚴(yán)重，表明海水加速了混凝土的腐蝕速度。

4 結(jié)論

（1）普通中等強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的質(zhì)量損失率基本滿足300次凍融循環(huán)，但海水中明顯大于淡水中的質(zhì)量損失，在淡水中，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均不大于2%，但在海水中，質(zhì)量損失率將近4%。

（2）動(dòng)彈模量的變化：水膠比0.45的混凝土在海水中僅滿足F200的抗凍循環(huán)，相對(duì)動(dòng)彈模量在175～200次是顯著分界點(diǎn)。

圖 1 不同配比凍融曲線

（3）通過(guò)在清水和海水溶液中凍融循環(huán)對(duì)比，海水加速混凝土的腐蝕速度；水膠比越低，抗凍性越好；含氣量提高到 4%～5% 之間增加混凝土的抗凍性；混凝土的骨料級(jí)配越密實(shí)，抗凍性越好。

[1] GB/T 50082—2009．普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法[S]．

[2] DL/T 5151—2001．水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[3] 張煒．海洋環(huán)境中混凝土劣化的五個(gè)因素[J]．水運(yùn)工程，1997(1): 54-57．

［通訊地址］山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)西四路 958#（257000）

郝維維（1976—），女，中心實(shí)驗(yàn)室副主任。