[摘 要] 【目的】研制適用于西北寒冷地區(qū)水工高抗凍性混凝土?！痉椒ā颗渲撇煌冶取⑼饧觿?引氣劑,減水劑) 摻量和粉煤灰摻量的混凝土,對其進(jìn)行抗壓、抗拉強(qiáng)度和抗凍融試驗(yàn),分析以上因素對混凝土抗凍性能的影響,以優(yōu)化水灰比,外加劑和粉煤灰摻量。配制高抗凍混凝土并將其應(yīng)用于工程實(shí)踐中,測定其坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度和抗凍性,驗(yàn)證該混凝土的實(shí)用性?！窘Y(jié)果】在水膠比為0. 45 時,混凝土中加入0. 2 g/ kg 引氣劑、5. 0 g/ kg 減水劑和200 g/ kg 粉煤灰,其28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到33. 8 MPa ,抗凍次數(shù)300 次。經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,該混凝土實(shí)用性滿足C30F300 高抗凍混凝土要求?！窘Y(jié)論】在水膠比為0. 45 時,向普通混凝土中加入0. 2 g/ kg 引氣劑、5. 0 g/ kg減水劑和200 g/ kg 粉煤灰,其強(qiáng)度、抗凍耐久性完全能滿足高抗凍混凝土要求,適用于西北寒冷地區(qū)水電工程建設(shè)。
[關(guān)鍵詞] 抗凍混凝土;外加劑;摻量;抗凍耐久性
[中圖分類號] TV431 + . 9 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 167129387 (2008) 0320223205
西北寒冷地區(qū),年平均冰凍期長,晝夜溫差大, 為保證水電工程質(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性水工混凝土病害調(diào)查結(jié)果[ 1 ] 顯示,水利工程混凝土凍融破壞是我國北方地區(qū)水利工程建設(shè)的突出問題之一,而西北地區(qū)的混凝土凍融破壞問題尤其嚴(yán)重。
青海省某裝機(jī)容量為3 ×500 kW 的水電站[2 ] 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)和施工對混凝土抗凍指標(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工程陷入癱瘓,給當(dāng)?shù)卦斐删薮蠼?jīng)濟(jì)損失和社會負(fù)面影響。因此,在西北地區(qū)提高混凝土的抗凍性,對保證水電工程運(yùn)行安全尤為重要。
目前,對高抗凍混凝土的研究大多是以高強(qiáng)混凝土(強(qiáng)度等級在C50 或C60 以上) 為基礎(chǔ),通過對其進(jìn)行改性來達(dá)到提高抗凍性能的目的。一般來講,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,還需加入超細(xì)硅粉或其他優(yōu)質(zhì)礦物質(zhì)摻料,而且對所用粉煤灰的質(zhì)量要求較高, 必須達(dá)到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)[324 ] 。
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混凝土[1 ] ,但由于這種高抗凍混凝土造價較高,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)經(jīng)濟(jì)落后,且待建的水電工程大多屬中、小型水電工程,這類工程對混凝土強(qiáng)度等級的要求相對較低,但卻對混凝土的抗凍等級要求很高,因此急需配制成本較低、抗凍耐久性較好的混凝土來滿足工程建設(shè)要求。為此,本研究配制不同水灰比、外加劑(引氣劑,減水劑) 和粉煤灰摻量的混凝土進(jìn)行抗壓、抗拉強(qiáng)度和抗凍試驗(yàn),分析各種因素對混凝土抗凍性能的影響,并對水灰比和外加劑、粉煤灰摻量進(jìn)行了優(yōu)化選擇,以期為高抗凍混凝土的配制及相關(guān)工程的建設(shè)和安全運(yùn)行提供參考和技術(shù)支持。
1 材料與方法
1. 1 材 料
1. 1. 1 水 泥 水泥為拉薩牌42. 5R 普通硅酸鹽水泥,所檢的各項(xiàng)指標(biāo)滿足GB175 - 1999 要求,見表1 。
1. 1. 2 骨 料 粗骨料采用粒徑5～20 mm 和20～40 mm 2 種河卵石,比重2. 68 g/ cm3 ,試驗(yàn)確定2 種粗骨料最佳摻配比例1 ∶1 (質(zhì)量比) ,最大堆積密度為1 680 kg/ m3 ,混合后粗骨料顆粒組成符合5～40 mm 連續(xù)級配標(biāo)準(zhǔn)要求;細(xì)骨料為河砂,細(xì)度模數(shù)為2. 56 , 比重為2. 63 g/ cm3 , 含泥量為1. 2g/ kg。骨料各項(xiàng)指標(biāo)滿足DL/ T 514422001[5 ] 要求。
1. 1. 3 外加劑和摻合料 引氣劑選用咸陽安峽外加劑廠的CRS 復(fù)合引氣劑,其推薦摻量為0. 1～0. 3g/ kg ;減水劑選用咸陽宏達(dá)外加劑廠的FDN 高效減水劑,推薦摻量為5～10 g/ kg ;粉煤灰采用渭河熱電廠的Ⅱ級粉煤灰。
1. 1. 4 水 水為清潔自來水。
1. 2 試驗(yàn)方法
由于混凝土的抗凍性與水灰比、含氣量以及強(qiáng)度有關(guān)[6 ] ,因此本試驗(yàn)主要通過在不同水灰比及摻加不同比例的引氣劑、減水劑和粉煤灰情況下,分析混凝土的抗凍性和強(qiáng)度差異,從而篩選出高抗凍混凝土的最佳水灰比和外加劑摻量,混凝土的抗凍和強(qiáng)度等試驗(yàn)依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。
1. 2. 1 水灰比的確定 有資料表明,高抗凍要求的混凝土含氣量應(yīng)為4 %～6 %[ 728 ] 。因此,本研究首先從提高混凝土的含氣量入手,引氣劑摻量取其推薦量的上限0. 3 g/ kg ,控制坍落度在50～70 mm ,拌制水灰比分別為0. 40 ,0. 45 ,0. 50 ,0. 55 的混凝土,研究不同水灰比對混凝土抗凍性和強(qiáng)度影響,篩選最佳水灰比。試驗(yàn)中混凝土配合比見表2。
1. 2. 2 引氣劑摻量的確定 引氣劑過多不但會引起混凝土強(qiáng)度降低,而且會導(dǎo)致混凝土抗凍性減弱[9 ] 。因此在確定水灰比的基礎(chǔ)上,本研究對引氣劑的摻量進(jìn)行了篩選,在引氣劑摻量分別為0. 10 ,0. 15 ,0. 20 ,0. 25 ,0. 30 g/ kg 情況下拌制混凝土,研究不同引氣劑摻量對混凝土抗凍性能和強(qiáng)度的影響,選出最佳引氣劑摻量。
1. 2. 3 減水劑摻量的確定 在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,拌制減水劑摻量分別為2. 5 ,5. 0 ,7. 5 ,10. 0 g/ kg 的混凝土,研究減水劑摻量對混凝土抗凍性能和強(qiáng)度的影響。
1. 2. 4 粉煤灰摻量的確定 通過對引氣劑和減水劑摻量的研究,得到滿足高抗凍要求的混凝土配合比,但由于該配比水泥用量和強(qiáng)度偏大,導(dǎo)致工程的投資增加,帶來不必要的浪費(fèi);另外水工混凝土為大體積澆筑,水泥用量太大,過量的水泥水化熱會引起混凝土溫控裂縫,給工程質(zhì)量帶來負(fù)面影響。為避免以上問題,本研究進(jìn)一步分析了加入100 , 200 ,300 g/ kg粉煤灰對高抗凍混凝土性能影響,篩選滿足C30F300 混凝土要求的最佳粉煤灰摻量。
2 結(jié)果與分析
2. 1 水灰比對混凝土抗凍性能的影響
混凝土的抗凍性不僅與混凝土強(qiáng)度有關(guān),且受到混凝土含氣量的直接影響[10 ] ,因此對于有抗凍要求的混凝土其含氣量要求較高。由3 可知,摻加0. 30 g/ kg 引氣劑,混凝土的含氣量普遍較高;混凝土的強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度) 隨著水灰比的增大而逐漸降低; 水灰比為0. 40 的混凝土含氣量為4. 7 %,最大抗凍次數(shù)僅為225 次;水灰比為0. 50 和0. 55 的混凝土最大抗凍次數(shù)不足225 次;而水灰比為0. 45的混凝土抗凍次數(shù)超過225 次(此時失重率僅為3. 4 % ,相對動彈模量為87. 1 %) 。由以上結(jié)果可知,高抗凍混凝土的最優(yōu)水灰比為0. 45 。
2. 2 引氣劑摻量對混凝土抗凍性能的影響
由表4 可知,混凝土的含氣量隨著引氣劑摻量的增加而增大;當(dāng)引氣劑摻量由0. 10 g/ kg 增加到0. 20 g/ kg ,混凝土抗凍次數(shù)隨著引氣劑摻量的增加而增多,由200 次增大到了250 次; 引氣劑摻量由0. 20 g/ kg 增加到0. 30 g/ kg ,混凝土抗凍次數(shù)隨著引氣劑摻量的增加而減少,由250 次降低到200 次。
這是因?yàn)殡S著引氣劑摻量的增加,混凝土內(nèi)部不規(guī)則氣泡隨之增多,這些氣泡對混凝土的強(qiáng)度尤其抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生了負(fù)面影響,進(jìn)而引起混凝土抗凍性下降。因此在不加其他外加劑情況下,水灰比為0. 45的混凝土抗凍性能最佳的引氣劑摻量為0. 20 g/ kg。
2. 3 減水劑摻量對混凝土抗凍性能的影響
混凝土的抗凍性不僅與含氣量有關(guān),而且與混凝土的強(qiáng)度和水灰比也有直接的關(guān)系[11 ] ,同類混凝土水灰比越小,強(qiáng)度越高,混凝土的抗凍性越好。有研究表明,混凝土達(dá)到28 d 齡期時,水泥水化用水量僅為水泥量的20 %[12 ] ,而多余水分大多以游離狀態(tài)存在于混凝土的孔隙中,給混凝土的抗凍性構(gòu)成威脅。因此,降低水灰比、減少用水量可以減少混凝土空隙中游離態(tài)的水分,提高混凝土的抗凍性能。
據(jù)2. 2 節(jié)的研究結(jié)果可知, 水灰比為0. 45 , 摻入0. 20 g/ kg 的引氣劑后,如果要達(dá)到抗凍等級F300目標(biāo),可以采用降低水灰比的方法。降低水灰比有保持用水量不變加大水泥用量,或水泥用量不變減少用水量2 種辦法。前者因?yàn)樗嘈杷纫欢?水泥用量增加,用水量也會隨之增加,因此很難達(dá)到降低水灰比的目的,且會加大建設(shè)成本,一般不宜采用,后者為提高混凝土的抗凍性能的可行方法。加入減水劑是減少混凝土用水量最簡單有效的措施,其能在水泥量不變情況下減少用水量,從而達(dá)到降低水灰比的目的,起到提高混凝土抗凍性能的作用?！ ?/P>
由表5 可知,在水泥用量保持不變時,加入減水劑可減少用水量,混凝土實(shí)際水灰比降低;在引氣劑摻量一定時,減水劑摻量對混凝土含氣量的影響不大,但混凝土的強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加逐漸增大。當(dāng)減水劑摻量由0 g/ kg 增加到5. 0 g/ kg 時,混凝土的抗壓強(qiáng)度由38. 5 MPa 增大到41. 0 MPa ,抗凍次數(shù)由250 次提高到300 次;之后隨著減水劑摻量的增大,混凝土的強(qiáng)度雖然也在緩慢增大,但混凝土的最大抗凍次數(shù)卻沒有增加。這是因?yàn)榧尤霚p水劑后,用水量減少,混凝土的密實(shí)性增加,內(nèi)部游離態(tài)的水分含量降低,從而提高了混凝土的強(qiáng)度和抗凍性,但因?yàn)闇p水劑的減水程度有限,當(dāng)其摻量達(dá)到一定量時,水量減少就很困難,所以抗凍次數(shù)不再增加。由此選定減水劑的最佳摻量為5. 0 g/ kg ,此時混凝土強(qiáng)度達(dá)41. 0 MPa ,已遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)C30 要求。
2. 4 粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的影響
有抗凍要求的混凝土可以摻加質(zhì)量符合GBJ 146 - 90 標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰,且其摻量一般不超過膠凝材料總質(zhì)量的30 %[13 ] 。粉煤灰的適量摻入可以改善混凝土的和易性,降低水泥水化熱,保證工程質(zhì)量,并可以減少工程建設(shè)投資。
在保持總的膠凝材料用量不變情況下,粉煤灰替代部分水泥加入混凝土后,因?yàn)槠湫杷勘刃∮谒嘈杷勘?所以混凝土坍落度有所增加;且因水泥用量減少,水膠比不變,實(shí)際水灰比增大。由表6可知,混凝土的含氣量和強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增大而降低,這是因?yàn)榉勖夯抑形慈急M的部分活性炭顆?？晌揭欢康耐饧觿?從而減弱了外加劑的作用效果,但在一定的范圍內(nèi)粉煤灰對混凝土的抗凍性能影響不大。結(jié)果表明,當(dāng)粉煤灰的摻量增加到200 g/ kg 時,水膠比保持0. 45 ,水灰比增大到0. 47 ,混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到33. 8 MPa ,最大抗凍融次數(shù)300 次,能夠滿足高抗凍混凝土要求。由此可知,高抗凍混凝土粉煤灰的摻量宜為200 g/ kg。
3 工程應(yīng)用
利用所選水灰比和優(yōu)化后的外加劑及粉煤灰摻量,配制高抗凍混凝土用于青海某水電站工程[2 ] 的重建,在澆筑過程中,多次測量新拌混凝土的含氣量和坍落度,結(jié)果顯示含氣量平均為4. 5 % ,坍落度平均65 mm ,經(jīng)500 m 運(yùn)輸,含氣量和坍落度幾乎沒有損失。采用現(xiàn)場取樣法(取樣方式1) 和混凝土鉆芯取樣法(取樣方式2) [12 ] 對該混凝土抗壓強(qiáng)度及抗凍耐久性能進(jìn)行檢測,結(jié)果見表7 。表7 表明,在保證正常施工技術(shù)的條件下,混凝土的強(qiáng)度及抗凍性符合該地區(qū)工程耐久性設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié) 論
1) 在不摻入其他礦物質(zhì)摻料條件下,摻入適量的高效減水劑和引氣劑,也能配制出高抗凍混凝土。
2) 引氣劑和減水劑皆能改善和提高混凝土抗凍性能,但僅摻入一種外加劑并不能達(dá)到目的,只有對2 種外加劑的摻量優(yōu)化選擇后,通過2 種外加劑的復(fù)合作用,才能夠提高混凝土的抗凍性。
3) C30F300 高抗凍混凝土配合比為: 水膠比0. 45 (水灰比0. 47) ,引氣劑摻量0. 2 g/ kg ,減水劑摻量5. 0 g/ kg ,粉煤灰摻量200 g/ kg 。此混凝土既能保證抗凍耐久性要求,又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,易于推廣。
[參考文獻(xiàn)]
[1 ] 李金玉,曹建國. 水工混凝土耐久性研究和應(yīng)用[M] . 北京:中國電力出版社,2004 :522150.Li J Y,Cao J G. Research and application of concrete durabilityin hydraulic engineering [ M] . Beijing : Elect ric Power Press ofChina ,2004 :522150. (in Chinese)
[ 2 ] 曹四偉,馬少軍. 寒冷地區(qū)水工混凝土的凍害及防治對策[J ] .水利與建筑工程學(xué)報,2004 ,8 (4) :56258.Cao S W,Ma S J . Frost and prevention of hydraulic concrete incold zone [J ] . Journal of Water Resource and Architectural En2gineering ,2004 ,8 (4) :56258. (in Chinese)
[ 3 ] 朋改非,高 日. 高抗凍( F300) 的C50 和C60 混凝土試驗(yàn)研究[J ] . 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2004 ,2 (1) :14218.Peng G F , Gao R. An experimental investigation of concretecharacterized by high f rost resistance of F300 and st rengt hgrade C50 and C60 [ J ] . Journal of Railway Science and Engi2neering ,2004 ,2 (1) :14218. (in Chinese)
[ 4 ] Lydon F D. Effect of coarse aggregate on relative permeabilityof concrete [J ] . Const ruction and Building Materials ,1994 ,8 :326.
[ 5 ] 中國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會. 水工混凝土施工規(guī)范DL/ T 5144 -2001[ S] . 北京:中國電力出版社,2002.Econorny and Tracle Council of China. Const ruction code forhydraulic concrete DL/ T 514422001[ S] . Beijing : Elect ric PowerPress of China ,2002. (in Chinese)
[ 6 ] Ewert son C. The influence of curing conditions on t he permea2bility and durability of concrete , result f rom a field exposuretest [J ] . Cement and Concrete Research ,1993 ,23 :6832684.
[ 7 ] 梁文泉,駱翔宇,何金榮,等. 大摻量引氣劑混凝土在高寒干燥地區(qū)的抗凍性研究[J ] . 混凝土,2005 ,183 :27232.Liang W Q ,Luo X Y, He J R , et al . Frost resistance of highvolume of air2ent raining agent s in t he f rosty and dry area [J ] .Concrete ,2005 ,183 :27232. (in Chinese)
[ 8 ] 熊大玉,王小紅. 混凝土外加劑[ M] . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.Xiong D Y , Wang X H. Concrete admixture [ M ] . Beijing :Chemical Indust ry Press of China ,2003. (in Chinese)
[ 9 ] 李金玉,曹建國,林 莉,等. 水工混凝土耐久性研究的新進(jìn)展[J ] . 水利發(fā)電,2001 ,4 :44247.Li J Y,Cao J G,Lin L ,et al . New development of t he st udy onhydraulic concrete durability [J ] . Water Power ,2001 ,4 :44247.(in Chinese)
[ 10 ] 李亞杰. 建筑材料[M] . 北京:中國水利水電出版社,2004.Li Y J . Const ruction materials [ M] . Beijing : Water Conser2vancy and Hydroelect ric Power Press of China ,2004. (in Chi2nese)
[11 ] 李金玉,彭小平,鄧正剛,等. 混凝土抗凍性的定量化設(shè)計(jì)[J ] .混凝土,2000 ,9 (134) :61265.Li J Y,Peng X P ,Deng Z G,et al . Quantitative design on t hef rost2resistance of concrete [ J ] . Concrete , 2000 , 9 ( 134) : 61265. (in Chinese)
[ 12 ] 韓蘇建,曹四偉,李 萍,等. 混凝土凍融破壞試驗(yàn)報告[ R] .陜西楊凌:西北水利科學(xué)研究所,2000.Han S J ,Cao S W ,Li P ,et al . Report on f reezing2t hawing tes2ting of concrete [ R] . Yangling ,Shaanxi :Nort h2west ResearchInstitute of Water Conservancy ,2000. (in Chinese)
[ 13 ] 龔洛書,柳春圃. 混凝土的耐久性及其防護(hù)修補(bǔ)[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.Gong L S , Liu C P. Duribulity and repairment of concrete[M] . Beijing :Const ruction Press of China ,1990. (in Chinese)
