堿性與中基性粗集料影響混凝土抗凍性能對(duì)比

李鑫垚，王顯利，時(shí)成林，趙士輝

（1.北華大學(xué)汽車與建筑工程學(xué)院，吉林吉林　132013；2.吉林省交通科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春　130012）

堿性與中基性粗集料影響混凝土抗凍性能對(duì)比

李鑫垚1，王顯利1，時(shí)成林2，趙士輝1

（1.北華大學(xué)汽車與建筑工程學(xué)院，吉林吉林132013；2.吉林省交通科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春130012）

粗集料作為混凝土的重要組成材料，其品質(zhì)直接關(guān)系到混凝土的各項(xiàng)性能.通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了堿性礦料石灰?guī)r（ω（SiO2）為1.01%）和中基性礦料玄武巖（ω（SiO2）為53.5%）混凝土的抗凍性能，分析了兩類試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量.結(jié)果表明:堿性礦料能夠提高混凝土的抗凍性能，這對(duì)解決混凝土抗凍性能具有重要意義.

集料巖性；抗凍耐久性；堿性礦料；中基性礦料

【引用格式】李鑫垚，王顯利，時(shí)成林，等.堿性與中基性粗集料混凝土抗凍性能對(duì)比［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（3）:397-401.

由于混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、取材等方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一直在工程中處于主導(dǎo)地位.凍融破壞是導(dǎo)致混凝土設(shè)施損壞的重要原因之一［1］.目前，提高水泥混凝土抗凍性能的常用方法是提高混凝土的工作性能，使其達(dá)到高性能混凝土的標(biāo)準(zhǔn).調(diào)配高性能混凝土有提升原材料技術(shù)指標(biāo)、改進(jìn)配合比設(shè)計(jì)方法、降低水膠比、加入礦物摻合料、添加高效外加劑等幾項(xiàng)主要技術(shù)措施［2］.其中，集料對(duì)抗凍性能的影響主要體現(xiàn)在集料吸水性和集料本身的抗凍性上［3］.因此，進(jìn)行混凝土集料巖性分析探索抗凍耐久性問(wèn)題具有實(shí)際意義.

國(guó)際上普遍認(rèn)可的索羅斯石料分類辦法［4］是根據(jù)石料中SiO2的含量將石料劃分成酸性石料（ω（SiO2）≥65%）、中基性石料（65%≥ω（SiO2）≥52%）和堿性石料（ω（SiO2）≤52%）.經(jīng)檢測(cè)，施工中常用的石灰?guī)r中ω（SiO2）為1.01%，玄武巖中為53.5%，花崗巖為69.78%.石灰?guī)r中SiO2含量小，屬于堿性石料，玄武巖為中基性石料，花崗巖為酸性石料，其中酸性石料易發(fā)生堿集料反應(yīng)［5］，因此不進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究.本次研究以石灰?guī)r代表堿性礦料，以玄武巖代表中基性礦料進(jìn)行粗骨料對(duì)比抗凍試驗(yàn).

1　試驗(yàn)原料

1）水泥.選用吉林省白山市水泥廠旋窯生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為45.5MPa，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

表1　水泥技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.1　Technical index test results of cement

2）礦物外摻料.礦質(zhì)外摻料包括3種，分別為長(zhǎng)春市第二熱電廠出產(chǎn)的粉煤灰（Ⅰ級(jí)）、通化鋼鐵廠生產(chǎn)的礦渣粉、遼寧鞍山意通微硅粉有限公司生產(chǎn)的硅灰.3種礦物摻合料主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　礦物外摻合料主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2　M ainly physical and chem ical index test results ofm ineral adm ixture

3）粗集料.試驗(yàn)選用撫松玄武巖和石灰?guī)r，最大粒徑均為31.5mm的連續(xù)級(jí)配碎石.兩種集料分別按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）中關(guān)于粗集料級(jí)配范圍的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理，級(jí)配曲線采用級(jí)配范圍中線.

4）細(xì)集料.細(xì)集料選用白山市政石場(chǎng)的石灰?guī)r機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.3　Technical index test results ofmechanism sand

5）減水劑、水.減水劑選用沈陽(yáng)伊利達(dá)公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%，拌和、養(yǎng)護(hù)用水均使用可直接飲用的深井水.

2　混凝土配合比

工程中對(duì)有抗凍要求的水泥混凝土幾乎全部摻入礦物外摻料，本次對(duì)比試驗(yàn)也采用摻入礦物摻和料混凝土.試驗(yàn)選擇了3種常用的礦物外摻料，包括I級(jí)粉煤灰、S105級(jí)礦渣粉、硅灰，配合比設(shè)計(jì)按照C50強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一水膠比、砂率、膠凝材料用量等主要配合比設(shè)計(jì)參數(shù)；3種礦物外摻料均采用內(nèi)摻法，為減少試驗(yàn)量，摻入比例均選擇工程中常用的比例，即粉煤灰15%、礦渣20%、硅灰7%.試件編號(hào)設(shè)置及配合比見(jiàn)表4.其中，試件編號(hào)第1個(gè)字母代表粗集料，S代表石灰?guī)r，X代表玄武巖；第2個(gè)字母J代表機(jī)制砂；括號(hào)里JZ為純水泥的基準(zhǔn)試件，F(xiàn)為粉煤灰，K為礦渣，G為硅灰.

表4　試件編號(hào)及配合比Tab.4　Specimen number and m ixture ratio

3　抗凍試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)依據(jù)及方法

混凝土抗凍試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)程》（JTG E30—2005）規(guī)定的快凍法進(jìn)行.試件規(guī)格為100mm×100mm×400mm的棱柱體，每組3根.除制備凍融試塊外，另制備中心可插入熱電偶電位差計(jì)測(cè)溫的相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)試件，其抗凍性能高于凍融試件.試件成型后，用保鮮膜覆蓋表面，在室溫（20±5）℃，相對(duì)濕度大于50%的環(huán)境中放置1 d后拆模養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度在95%以上，齡期24 d.在25～28 d中，將試塊靜置在（20±2）℃的石灰水中浸泡，水面高出試件20mm以上，浸潤(rùn)4 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn).

采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中“水泥混凝土動(dòng)彈性模量試驗(yàn)方法（共振儀法）”對(duì)試件進(jìn)行橫向基頻測(cè)量.

3.2結(jié)果及分析

3.2.1質(zhì)量損失率

在混凝土凍融循環(huán)達(dá)到一定時(shí)期后，試件表面會(huì)產(chǎn)生剝落；達(dá)到一定的破壞程度后，混凝土容易產(chǎn)生內(nèi)部骨料暴露.所以，質(zhì)量損失率指標(biāo)能夠折射出混凝土內(nèi)外的破壞程度［6］.質(zhì)量損失率見(jiàn)表5，發(fā)展規(guī)律見(jiàn)圖1.

表5　混凝土質(zhì)量損失率Tab.5　The corresponding mass loss of concrete　Wn/%

由試驗(yàn)結(jié)果可知:不同配比的混凝土質(zhì)量損失率都很小，但整體一直都呈上升趨勢(shì)，表明混凝土表面剝蝕情況隨著凍融時(shí)間的增長(zhǎng)越來(lái)越嚴(yán)重.在相同膠凝材料、相同凍融循環(huán)次數(shù)下，石灰?guī)r混凝土的質(zhì)量損失率要稍小于玄武巖.因此，在一定情況下，石灰?guī)r混凝土的抗凍性能優(yōu)于玄武巖混凝土.

3.2.2相對(duì)動(dòng)彈模量

相對(duì)動(dòng)彈性模量是通過(guò)一定頻率的力學(xué)作用使試件產(chǎn)生共振而得，能夠反應(yīng)混凝土內(nèi)部開(kāi)裂的細(xì)微狀態(tài)，在水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程中是評(píng)價(jià)水泥混凝土抗凍性能的重要指標(biāo)［7］.相對(duì)動(dòng)彈模量見(jiàn)表6，對(duì)比情況見(jiàn)圖2.

表6　混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量Tab.6　Relative dynam ic elastic modulus of concrete　/%

由圖2可以看出:不同礦物外摻料的混凝土由于凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，都會(huì)出現(xiàn)相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低的情況，在凍融循環(huán)100次以后變化顯著，達(dá)到250次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量下降幅度增加，說(shuō)明相對(duì)動(dòng)彈性模量在凍融循環(huán)試驗(yàn)初期時(shí)的影響程度較弱，后期較強(qiáng)，這也表明混凝土在凍融環(huán)境中內(nèi)部損傷情況下降幅度越來(lái)越大.在相同膠凝材料、相同凍融循環(huán)次數(shù)下，玄武巖的相對(duì)動(dòng)彈性模量都小于石灰?guī)r混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量.因此，堿性礦料石灰?guī)r混凝土的抗凍性能優(yōu)于玄武巖混凝土.

4　結(jié)　論

1）在水膠比、砂率、膠凝材料用量一定的情況下，通過(guò)對(duì)比分析相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率兩項(xiàng)指標(biāo)可知:含有堿性礦料石灰?guī)r的混凝土抗凍性能優(yōu)于玄武巖混凝土的抗凍性能.

2）常用集料中堿性礦料比中基性礦料混凝土的抗凍性能更好，應(yīng)重視石料巖性對(duì)混凝土抗凍性能的影響，制定相應(yīng)的施工標(biāo)準(zhǔn)，從集料巖性方面提高混凝土抗凍性能.

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【責(zé)任編輯：郭偉】

Alkaline and Basic Mine Materials in the Contrast Experimental Study on the Properties of Concrete Antifreeze

Li Xinyao1，Wang Xianli1，Shi Chenglin2，Zhao Shihui1
（1.Automobile and Civil Engineering College of Beihua University，Jilin 132013，China；2.Jilin Institute of Transportation Science，Changchun 130012，China）

Coarse aggregate as the important composition of concrete material，its quality is directly related to the various performance of concrete. This paper carried out the alkaline mineral aggregate in limestone （ ω（ SiO2 ） content of 1. 01％） and basic basalt mineral aggregate （ ω （ SiO2 ） content of 53. 5％） concrete antifreeze performance contrast test，the quality of the two types of specimen data loss rate and relative dynamic elastic modulus were analyzed，and the results showed that the alkaline mineral aggregate can improve the antifreeze performance of concrete，which is of great significance to solve the concrete frost resistance performance.

aggregate lithology； frost resistance durability； alkaline mineral aggregate； basic ore material

2014年中國(guó)科技核心期刊綜合大學(xué)學(xué)報(bào)類核心總被引頻次排序*

U414

A

1009-4822（2016）03-0397-05

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.03.027

2016-03-07

吉林省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-1-13）.

李鑫垚（1991-），男，碩士研究生，主要從事新型建筑材料研究，E-mail:183751068@qq.com；通信作者:王顯利（1972-），男，博士，教授，主要從事功能型建材研究，E-mail:645389453@qq.com.