張成哲

（營口市水利勘測建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 營口 115000）

中國東北地區(qū)具有干燥少雨、受鹽漬土侵蝕、晝夜溫差大等特點(diǎn)，這種不利環(huán)境對水工構(gòu)筑物耐久性能構(gòu)成嚴(yán)重影響。混凝土水化放熱引起的內(nèi)部溫度場變化以及所處環(huán)境的晝夜溫差極易導(dǎo)致混凝土收縮開裂，加之東北沿海地區(qū)土壤含有大量等侵蝕性離子，水工構(gòu)筑物長期處于鹽漬土環(huán)境下，其內(nèi)部缺陷或裂縫會(huì)加速有害離子的侵蝕，使得混凝土耐久性明顯下降[1-3]。因此，有必要深入探討鹽漬土大溫差不利環(huán)境下的混凝土耐久性能。

有研究表明，摻入適量的礦物摻合料有利于促進(jìn)水泥水化，在一定程度上降低混凝土的收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)[4-8]。周白林等[9]通過對比試驗(yàn)探討了礦物摻合料的影響作用，結(jié)果顯示復(fù)摻5%硅灰+30%礦渣+15%粉煤灰的抗侵蝕能力最優(yōu)；魏亞等[10]試驗(yàn)探討內(nèi)養(yǎng)護(hù)和普通混凝土的性能差異，結(jié)果表明內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)難以有效改善混凝土的抗裂性；王洪生等[11]以10%、20%、30%粉煤灰定量替代水泥，通過開裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量越高則混凝土的抗裂性能越好；陳有亮等[12]認(rèn)為混凝土的彈性模量、峰值應(yīng)力、力學(xué)性能均隨著高溫循環(huán)次數(shù)的增多和溫度的升高而降低；田帥等[13]研究認(rèn)為適量的礦粉和粉煤灰可以顯著改善混凝土抗氯離子侵蝕性能，但會(huì)降低其抗凍性能。通過分析現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，綜合考慮鹽漬土、大溫差不利環(huán)境下水工混凝土抗裂性能的研究還鮮有報(bào)道。因此，文章應(yīng)用環(huán)境試驗(yàn)箱模擬鹽漬土侵蝕及大溫差不利環(huán)境，探討不同礦粉和粉煤灰摻量各齡期混凝土力學(xué)性能、抗裂性能和微觀結(jié)構(gòu)變化特征，旨在為北方嚴(yán)寒及其它不利環(huán)境下礦物摻合料水工混凝土的應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1）水泥：山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 級水泥，比表面積375m2/kg，初、終凝時(shí)間195min 和248min，3d、28d 抗壓強(qiáng)度32MPa和56MPa，抗折強(qiáng)度6.6MPa 和8.9MPa。

2）礦物摻合料：綏中電廠生產(chǎn)的F 類Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度5.7%，需水量比98%，比表面積286m2/kg，密度2.30g/cm3，含水量0.50%，燒失量1.2%；大連亞泰科技新材料股份有限公司生產(chǎn)的S95 級礦粉，比表面積429m2/kg，密度3.10g/cm3，含水量0.25%，燒失量4.6%，7d、28d 活性指數(shù)85% 和108%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3）粗細(xì)骨料：粒徑5～20mm 的天然碎石，表觀密度2770kg/m3，堅(jiān)固性1.0%，壓碎指標(biāo)7.5%，細(xì)度模數(shù)2.5 的天然河砂，表觀密度2650kg/m3，石粉含量忽略不計(jì)。

4）外加劑：蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，經(jīng)檢測減水率28%。

5）拌合水：當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比

依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮汀端せ炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)規(guī)程》初步設(shè)計(jì)出4 種不同礦物摻合料摻量的混凝土，設(shè)計(jì)水膠比0.42，用礦粉和粉煤灰等量替代水泥。水工混凝土配合比，見表1。

表1 水工混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1）試驗(yàn)條件。水工混凝土試件的制備嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行，具體流程如下：將預(yù)先稱量好的原材料倒入SJD-60 攪拌機(jī)內(nèi)，干拌120s 加入減水劑，再混合攪拌120s 倒出裝入試模，機(jī)械振搗以保證內(nèi)部密實(shí)性，為防止試模表面水分散失用塑料薄膜覆蓋，并編號(hào)標(biāo)記。24h 成型后拆模，然后將混凝土試件置于環(huán)境模擬試驗(yàn)箱。控制試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度為-5～40℃，濕度40%，一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)包括5h 低溫(-5℃)、6h 高溫(40 ℃) 恒溫段和8h 升溫(-5～40 ℃)、5h 降溫(40～-5℃)變溫段，循環(huán)周期24h，配制5%Na2SO4+3%NaCl 復(fù)合溶液，為模擬鹽漬土侵蝕環(huán)境試驗(yàn)選用噴霧灑水的方式。環(huán)境模擬試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 環(huán)境模擬試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）測試方法。水工混凝土的抗壓與抗折強(qiáng)度測試方法參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓試件為100mm×100mm×100mm 立方體，采用WHY-2000 微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測試各組試件的抗壓強(qiáng)度；抗折試件為400mm×100mm×100mm棱柱體，利用相同試驗(yàn)機(jī)按“四點(diǎn)加載法”測試各組試件破壞時(shí)的峰值荷載，并計(jì)算確定其抗折強(qiáng)度?；炷恋臄嗔研阅軠y試方法參考《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》，斷裂性能測試試件為515mm×100mm×100mm 棱柱體，按照三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)法利用WAW-1000 型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，詳細(xì)流程為：試驗(yàn)之前先測量混凝土試件的預(yù)制裂縫長度、質(zhì)量、形狀尺寸等參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)采用夾式引伸計(jì)、位移傳感器和荷載傳感器測量試件的裂縫張開口位移值、跨中撓度及斷裂荷載，結(jié)合測量數(shù)據(jù)利用下式計(jì)算出斷裂能

式中：m、g、δ0為加載墊塊與試件總質(zhì)量，kg；重力加速度以及試件斷裂時(shí)的變形值，g取9.81m2/s；A、W0為斷裂帶橫截面積，m2；撓度與荷載曲線圍成的面積，N/m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下各組混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度，不利環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度，見圖2。結(jié)果顯示，齡期3d 時(shí)A0 組混凝土抗壓強(qiáng)度最高36.1MPa，A3 組混凝土抗壓強(qiáng)度最低29.3MPa，3～14d 期間A3 組混凝土抗壓強(qiáng)度增速最快，強(qiáng)度增長率較A0 組提高164.7%；14～28d 期間A3 組混凝土強(qiáng)度增速逐漸放緩，而其它組增速較快；A1、A2、A3 組試件28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到A0 組的86.46%、90.97%、88.89%，均小于未摻礦物摻合料的A0 組，這表明在鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下礦物摻合料的摻入會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，但降幅不大。

圖2 不利環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下各組混凝土不同齡期抗折強(qiáng)度，不利環(huán)境下混凝土抗折強(qiáng)度，見圖3。結(jié)果顯示，隨著齡期的增大混凝土抗折強(qiáng)度逐漸增加，齡期3～14d 時(shí)A0 基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度均高于摻礦物摻合料組，A1、A2、A3 組試件28d 抗折強(qiáng)度達(dá)到A0 組的95.74%、102.13%、104.26%，摻礦物摻合料組總體高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度增長率，約為基準(zhǔn)組的2 倍。

圖3 不利環(huán)境下混凝土抗折強(qiáng)度

2.2 抗裂性能

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下齡期28d 時(shí)各組混凝土裂縫張開口位移—荷載關(guān)系線，裂縫張開口位移-28d 荷載關(guān)系線，見圖4。結(jié)果顯示，摻礦物摻合料組的裂縫張開口位移—荷載關(guān)系線上升段斜率低于A0 組，下降段斜率相差不大并最終趨于平穩(wěn)，相比于其它摻礦物摻合料組A3 組的裂縫張開口位移—荷載關(guān)系線下降段更加平緩，但各組的關(guān)系曲線整體相差不明顯，應(yīng)結(jié)合SEM 微觀結(jié)構(gòu)、斷裂能和荷載峰值進(jìn)一步探討混凝土的抗裂性能。

圖4 裂縫張開口位移-28d 荷載關(guān)系線

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下各齡期混凝土斷裂荷載峰值，混凝土斷裂荷載峰值，見圖4。結(jié)果顯示，隨著齡期的延長混凝土荷載峰值逐漸增大，這說明28d 內(nèi)持續(xù)水化提高了混凝土的宏觀抗裂性能和力學(xué)性能；隨著齡期的延長荷載峰值之間的差距不斷減小，究其原因是礦粉和粉煤灰中的活性Al2O3、SiO2參與二次水化，從而減小了內(nèi)部孔隙率，改善了界面過渡區(qū)的粘結(jié)，促使抗裂性能具有較快的增長速率。另外，除A3 組28d 齡期略高于A0 組的斷裂峰值荷載外，其余組各齡期的斷裂荷載峰值均小于A0 基準(zhǔn)組，究其原因是初期礦粉和粉煤灰活性較低，從而限制了早期抗裂性能和強(qiáng)度的發(fā)展?？傮w而言，在鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下雖然摻入礦物摻合料會(huì)在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的發(fā)展，但其提高后期抗裂性能的積極作用更為顯著。

采用計(jì)算公式(1)確定不同齡期各組混凝土的斷裂能GF，混凝土斷裂荷載峰值，見圖5。結(jié)果顯示，初期A0 組混凝土的斷裂能較高，隨著齡期的延長其增速明顯放緩，基準(zhǔn)混凝土的斷裂能增長速率均低于摻礦物摻合料組；基準(zhǔn)混凝土齡期28d 時(shí)的斷裂能均小于摻礦物摻合料組，具體而言A3 組的斷裂能最高較基準(zhǔn)混凝土高出50.74%，故鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下?lián)饺脒m量礦物摻合料能夠改善混凝土的抗裂性能。究其原因，礦物摻合料的摻入相當(dāng)于減少了水泥用量，這在一定程度上降低了水化放熱以及大溫差循環(huán)下的溫差應(yīng)力，從而降低了內(nèi)部缺陷和開裂風(fēng)險(xiǎn)；另外，礦粉與粉煤灰的二次水化有利于減少內(nèi)部孔隙或缺陷，從而提高了混凝土密實(shí)度和抗裂性能。混凝土斷裂荷載峰值，見圖6。

圖5 混凝土斷裂荷載峰值

圖6 混凝土斷裂荷載峰值

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

通過SEM 掃描電鏡觀測A0 組和A3 組混凝土微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A0 組混凝土含大量裂縫、孔隙和水化產(chǎn)物團(tuán)簇，而A3 組發(fā)現(xiàn)少量鈣礬石，這是由于礦粉和粉煤灰的微集料效應(yīng)可以填充混凝土內(nèi)部孔隙，使得結(jié)構(gòu)整體更加密實(shí)；A0 組混凝土具有較高的孔隙率，這使得水化產(chǎn)物與更多的反應(yīng)生成鈣礬石晶體。通過觀察發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物、水泥及粉煤灰顆粒呈黏結(jié)狀態(tài)，由此認(rèn)為礦物摻合料的摻入可以減少內(nèi)部孔隙，從而改善混凝土抗裂性。齡期3d 時(shí)骨料與水泥漿體之間發(fā)現(xiàn)寬度明顯的裂縫，而水化28d 時(shí)寬度減小，說明富集于界面過渡區(qū)的Ca(OH)2發(fā)生反映省了石膏、鈣礬石等膨脹性物質(zhì)，從而改善了界面過渡區(qū)性能和混凝土的抗裂性能[15-19]。

3 結(jié)論

1）摻礦粉、粉煤灰組的28d 抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)對照組的86.46%～90.97%，前14d 基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度整體高于摻礦物摻合料組，但3～28d 期間摻礦物摻合料組總體高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度增長率，約為基準(zhǔn)組的2 倍。

2）在鹽漬土侵蝕和大溫差環(huán)境下雖然摻入礦物摻合料會(huì)在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的發(fā)展，但其提高后期抗裂性能的積極作用更為顯著。隨著齡期的延長混凝土斷裂荷載峰值和斷裂能均逐漸增大，摻20%礦粉+15%粉煤灰組的抗裂性能最高。

3）結(jié)合SEM 掃描電鏡觀測結(jié)果，隨著齡期的延長水化產(chǎn)物逐漸轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，礦物摻合料的摻入可以明顯減小28d 界面過渡區(qū)裂縫寬度。