抗凍混凝土外加劑摻量的合理化探討

摘　要:北方寒冷地區(qū),混凝土的抗凍性能直接影響著工程質(zhì)量耐久性。通過某工程C30F300 混凝土配合比配選,就如何在滿足混凝土抗凍耐久性和強(qiáng)度要求情況下,本著合理經(jīng)濟(jì)為原則,對外加劑摻量進(jìn)行優(yōu)化研究,并根據(jù)具體工程提出了混凝土外加劑的合理摻量。

關(guān)鍵詞:抗凍性;外加劑;摻量;合理性

中圖分類號: TV42 + 3 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

0 　引　言

　　凍融破壞是北方地區(qū)水利建設(shè)的突出問題之一,而混凝土抗凍融破壞能力是評價(jià)水工混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。1985 年原水電部組織的一次全國性的水工混凝土建筑物老化病害調(diào)查中,包括大壩、水閘、溢洪道等70 余座水工混凝土建筑物,有22 %的大型水庫混凝土工程(大壩) 存在混凝土的凍融破壞,并有21 %的中小型水工鋼筋混凝土工程(水閘等) 也存在混凝土的凍融破壞,每年因?yàn)樗せ炷羶鋈诓『o國家造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。尤其在北方地區(qū),工程所處環(huán)境惡劣,且經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),因此混凝土抗凍性能對工程質(zhì)量及耐久性和效益影響巨大。為了提高水工混凝土的抗凍性能,保證水利工程的質(zhì)量, 本文以西藏索縣水電站改造工程中C30F300 為例,就如何在經(jīng)濟(jì)合理的前提下提高水工混凝土的耐久性能,通過大量的試驗(yàn)對抗凍混凝土外加劑摻量的合理選取進(jìn)行探討,供北方同類工程作參考。

1 　原材料及試驗(yàn)內(nèi)容

1. 1 　原材料

1. 1. 1 　水　泥

　　水泥各項(xiàng)性能滿足GB17521999 規(guī)程要求,見表1 。

1. 1. 2 　骨　料

　　粗骨料為河卵石,粒徑為5～20 mm、20～40 mm 的連續(xù)級配,石料比重2. 68 g/ cm3 ;細(xì)骨料為河砂,細(xì)度模數(shù)2. 62 ;比重2. 63 g/ cm3 ;含泥量1. 2 %;骨料各項(xiàng)指標(biāo)滿足DL515122001 規(guī)程要求。

1. 1. 3 　外加劑

　　減水劑為咸陽宏達(dá)外加劑廠的FDN 高效減水劑;引氣劑為咸陽安峽外加劑廠的CRS 引氣劑;粉煤灰采用渭河發(fā)電廠Ⅱ級粉煤灰。

1. 1. 4 　水

　　水為清潔自來水。

1. 2 　試驗(yàn)內(nèi)容

　　按照現(xiàn)行混凝土試驗(yàn)規(guī)范測取新拌混凝土坍落度和含氣量,并根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/ T515022001) 對28 d 齡期混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn);按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》( GBJ81285) 測量同齡期的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。通過不同引氣劑、減水劑、粉煤灰摻量以及不同水灰比對抗凍混凝土的強(qiáng)度以及抗凍性的影響,分析研究在不同情況下混凝土的強(qiáng)度和抗凍性能,對外加劑的摻量進(jìn)行選取。

2 　試驗(yàn)結(jié)果分析

2. 1 　不同水灰比普通混凝土性能

　　普通混凝土試驗(yàn)采用4 個(gè)水灰比: 0. 40 、0. 45 、0. 50 、0. 55進(jìn)行研究,各種材料用量見表2 ,普通混凝土性能見表3 。

　　由表3 可以知,隨著混凝土水灰比的增大,混凝土的含氣量逐漸降低,且普通混凝土的含氣量一般在2 %以左右,主要在混凝土的攪拌過程中帶進(jìn)來的,因?yàn)闅馀莸慕Y(jié)構(gòu)不好,對混凝土的抗凍起不到作用。水灰比與氣泡大小和間距有著很大關(guān)系,在含氣量相近的情況下,水灰比越大,氣泡間距和尺寸就越大,因而混凝土的抗凍性也隨著水灰比增大逐漸減弱。盡管普通混凝土的強(qiáng)度都能保證在30 MPa 以上,但由于水工混凝土對抗凍性的特殊要求,僅僅考慮強(qiáng)度已不能夠滿足工程需要。就水灰比為0. 40 的混凝土來說,其強(qiáng)度近40 MPa ,但經(jīng)過100次凍融循環(huán)后混凝土失重率已超過5 %。因此普通混凝土盡管強(qiáng)度有所保證,但并不能滿足水工混凝土抗凍要求。

2. 2 　引氣劑對混凝土性能影響

　　為了滿足水工混凝土的抗凍要求,提高混凝土的抗凍耐久性能,必須提高混凝土的含氣量。為比較引氣劑的作用效果,筆者在普通混凝土的基礎(chǔ)上加入2/ 萬的引氣劑,各種材料用量見表4 ,引氣混凝土性能見表5 。

　　從表5 可以看出,在普通混凝土中摻加入2/ 萬的引氣劑后,混凝土的含氣量普遍得到提高,保持在4 %左右。盡管混凝土的強(qiáng)度有所降低,但幅度并不大,抗壓強(qiáng)度在1 %以下,抗拉強(qiáng)度僅在1 %左右。但混凝土的抗凍性得到很大提高,水灰比為0. 40的混凝土由原來的抗凍次數(shù)100 次提高到250 次以上;水灰比為0. 45 的混凝土抗凍性由原來不足50 次提高到250 次。盡管沒有達(dá)到要求的抗凍300 次,但從表4 可以看出0. 45 水灰比要比0. 40 水灰比的混凝土每m3 少用了30 kg 水泥,起到了節(jié)約的目的。不僅如此,引氣劑兼有的減水效果使新拌混凝土坍落度也有了明顯提高,和易性的改善更方便工程施工。

2. 3 　引氣劑摻量的選取

　　試驗(yàn)表明,引氣劑能夠顯著提高混凝土的抗凍性能,但引氣劑對混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響必須加以考慮,如何在水灰比一定的條件下選取合適的引氣劑摻量才更有利于混凝土性能的全面發(fā)揮,本文就相同的水灰比下?lián)郊硬煌囊龤鈩┻M(jìn)行研究。不同引氣劑混凝土性能見表6 。從表6 可知,混凝土的含氣量隨引氣劑的增加而增大,盡管含氣量在增大,但混凝土的抗凍次數(shù)并沒有完全隨著增大。引氣劑在1. 0/ 萬到2. 0/ 萬間,最大抗凍次數(shù)呈上升趨勢,由200 次增大到了250 次;但引氣劑由2. 0/ 萬增加到3. 0/ 萬間,最大抗凍次數(shù)又呈遞減趨勢,由250 次降低到150 次。這是因?yàn)橐龤鈩┘尤雽炷翉?qiáng)度的負(fù)面影響,因?yàn)榛炷恋目箖鲂圆粌H與混凝土的含氣量有關(guān)而且與混凝土的強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度有著直接關(guān)系。隨著引氣劑的增加混凝土的強(qiáng)度在逐漸降低,因?yàn)榛炷羶?nèi)部含氣量的增多,影響混凝土的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)混凝土受凍時(shí),混凝土內(nèi)部毛細(xì)管就會有膨脹的趨勢,而當(dāng)這種膨脹力超過了混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí),就會對其周圍的漿體產(chǎn)生破壞,發(fā)生凍脹。因此在不加其他外加劑情況下,0. 45 水灰比達(dá)到最大抗凍效果的引氣劑摻量為2. 0/ 萬,而其他水灰比的引氣劑摻量由實(shí)驗(yàn)確定。

2. 4 　減水劑摻量的選取

　　由于混凝土的抗凍性不僅與混凝土的含氣量有關(guān),且與混凝土的強(qiáng)度和水灰比也有著直接的關(guān)系,以上研究已經(jīng)證明,在水灰比為0. 45 情況下,如果要滿足抗凍次數(shù)為300 次,那么就勢必要降低混凝土的水灰比,水量一定時(shí),水灰比的降低就要增加水泥的用量,這樣就會造成浪費(fèi),給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)增添負(fù)擔(dān)。大量研究表明混凝土28 天齡期水泥水化用水僅為水泥質(zhì)量的20 % ,而多余的水分大多以游離狀態(tài)存在于混凝土的孔隙中,會給混凝土的抗凍性造成隱患。在此情況下,就要摻入適量的減水劑,因?yàn)闇p水劑能在水泥量不變情況下有效減少用水量,達(dá)到與減小水灰比同效的作用。水泥用量保持不變,不同摻量減水劑對抗凍混凝土影響見表7 。

　　表7 表明在引氣劑摻量一定情況下,混凝土的強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加逐漸增大,且混凝土的最大抗凍次數(shù)也隨著增加,當(dāng)減水劑摻量為0. 5 %時(shí)達(dá)到最高的300 次。以后隨著減水劑量的增大混凝土的強(qiáng)度雖然也在緩慢增加,但混凝土的最大抗凍次數(shù)卻并沒有提高,因?yàn)闇p水劑的減水增強(qiáng)效果存在一定的極限,超過了此極限值,效果就會減弱。根據(jù)工程要求,滿足混凝土抗凍指標(biāo)的配合比應(yīng)選擇水灰比為0. 38 ,但在此配合比下,混凝土的強(qiáng)度為42. 0 MPa ,遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度,強(qiáng)度過多富余,造成不必要的浪費(fèi),且因水泥量偏大產(chǎn)生的大量水化熱不利于工程的安全。

2. 5 　粉煤灰摻量的選取

　　從工程的質(zhì)量安全和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性考慮,作者在原有的配合比基礎(chǔ)上摻加適量的粉煤灰做進(jìn)一步研究。粉煤灰作為水泥以外的膠凝材料,適量的摻入可以改善混凝土的和易性,降低水泥水化熱,減少裂縫發(fā)生。粉煤灰對混凝土性能影響見表8。

　　從表8 可知,粉煤灰加入后,混凝土的含氣量隨著粉煤灰量的增大而降低,這是因?yàn)榉勖夯翌w粒吸附一定量的引氣劑和減水劑,從而減弱了引氣效果和減水功能。但因?yàn)榉勖夯姨娲瞬糠炙?可以降低水泥用量,且粉煤灰作為工業(yè)廢料,價(jià)格低廉,可以達(dá)到節(jié)約目的。而且在不影響混凝土的抗凍性能的前提下,粉煤灰的摻量增加到水泥量的20 %時(shí),混凝土的最大抗凍次數(shù)為300 次,強(qiáng)度達(dá)到35. 8 MPa ,仍能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 　結(jié)　語

　　(1) 引氣劑能夠顯著提高混凝土的抗凍性,但在水灰比一定情況下,混凝土的抗凍標(biāo)號與引氣劑摻量關(guān)系不成正比,隨著引氣劑摻量的增加,先升高而后降低,因此引氣劑的合理摻量應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)確定。

　　(2) 減水劑能夠減少混凝土單位體積用水量,提高混凝土強(qiáng)度和抗凍性,但減水劑摻量存在極限,超過該極限不僅作用不明顯,混凝土抗凍性也得不到提高。

　　(3) 粉煤灰摻量可以在保證混凝土抗凍性和強(qiáng)度的前提下選取規(guī)范規(guī)定的上限,建議盡量采用活性成分較高的Ⅱ級或Ⅱ級以上粉煤灰,以便有利于混凝土質(zhì)量保障。

　　(4) 依據(jù)本工程要求,滿足C30F300 的外加劑合理摻量為:引氣劑摻量2/ 萬,減水劑摻量為0. 5 % ,粉煤灰摻量20 %。

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.

　　[2] 　韓蘇建,曹四偉. 混凝土凍融破壞試驗(yàn)報(bào)告[ R] . 陜西楊凌:水利部西北水利科學(xué)研究所,2000.

　　[3] 　DL/ T 515022001 ,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[ S] . 北京:中國電力出版社,2001.

　　[4] 　李金玉. 混凝土凍融破壞機(jī)理研究[J ] . 水利學(xué)報(bào),1999 , (1) .

　　[5] 　蔡正詠. 混凝土的性能[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.