外摻晶須對混凝土力學(xué)強(qiáng)度及耐久性影響試驗(yàn)研究

王馨雪

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

0 前 言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要的混凝土原料亟需提高其強(qiáng)度和耐久性，因此，針對上述需求改性混凝土已經(jīng)成為土木材料領(lǐng)域的重要研究方向。改性混凝土由于其相較于普通混凝土具有較高的耐久性，因此取得廣泛的應(yīng)用，為了得到改性混凝土最優(yōu)配比及降低生產(chǎn)成本，需要對外摻材料以及摻加量的影響開展研究[1-3]。硫酸鈣晶須以纖維狀晶體存在，其比表面積高及具有較高抵抗環(huán)境腐蝕的能力，同時(shí)，具有較低的生產(chǎn)成本和對環(huán)境的污染，呈現(xiàn)優(yōu)異的材料性能，在材料制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對于外摻晶須對混凝土性能的影響，王修山等以外摻硫酸鈣晶須改性混凝土的路用特性為研究對象，得到外摻晶須能夠提高材料的水穩(wěn)性及抗疲勞等性能；張冬梅等研究外摻晶須對混凝土材料的耐久性影響，主要從耐水性、抗裂性以及防滲性等方面開展研究；汪開放等研究不同晶須摻量條件下再生混凝土力學(xué)特性，不同晶須摻量影響材料的凝結(jié)時(shí)間及坍落度等特性；段世榮等利用泡沫膠混凝土外摻晶須，得到最優(yōu)晶須摻量為3%，外摻晶須降低了材料的表面張力，汪小慶等利用室內(nèi)試驗(yàn)研究外摻硫酸鈣晶須對混凝土相對抗壓強(qiáng)度及變形模量的影響，并從細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化角度對外摻晶須的作用機(jī)理開展研究[4-10]。

文章以硫酸鈣晶須混凝土力學(xué)強(qiáng)度與耐久性為研究對象，研究改性混凝土相對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量等強(qiáng)度參數(shù)的演化規(guī)律，同時(shí)，考慮改性混凝土的耐久性能，從凍融相對抗壓強(qiáng)度及相對動(dòng)彈性模量力學(xué)特性變化，研究硫酸鈣晶須混凝土耐久性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中選用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗細(xì)骨料分別為河砂、再生粗骨料及碎石，河砂為級配良好的天然中砂，天然粗骨料顆粒粒徑處于5-20 mm的天然碎石，再生粗骨料為試驗(yàn)室或建筑廢棄破碎混凝土，原始強(qiáng)度為C30。

硫酸鈣晶須為長徑比100-150、莫氏硬度為3-4以及密度為2.69g/cm3的無水晶須，其基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 硫酸鈣晶須基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同硫酸鈣晶須摻量條件下混凝土力學(xué)強(qiáng)度以及抗凍性能，混凝土試件中晶須摻量分別為(0、1、2、3、6、7、9、10)kg·m-3，試驗(yàn)中試件為棱柱體，尺寸為100×100×300mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d，分別進(jìn)行混凝土壓縮試驗(yàn)及抗折試驗(yàn)，分別研究不同硫酸鈣晶須摻量條件下混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量等。同時(shí)，為研究外摻硫酸鈣晶須混凝土的耐久性，開展凍融循環(huán)作用下硫酸鈣晶須混凝土壓縮試驗(yàn)，研究硫酸鈣晶須混凝土凍融相對抗壓強(qiáng)度及相對動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。

2 混凝土力學(xué)強(qiáng)度變化

根據(jù)混凝土壓縮試驗(yàn)，可以得到硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強(qiáng)度、彈性模量，隨著施加于混凝土試件上外部荷載的逐漸增大，試件中裂縫不斷生成與擴(kuò)展，并伴隨有試件邊緣的剝落，區(qū)別于無摻加硫酸鈣晶須普通混凝土，硫酸鈣晶須混凝土無論是在加載過程中還是最終破壞狀態(tài)下，試件觀察到的裂縫尺寸小于普通混凝土。不同硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及抗折強(qiáng)度的隨硫酸鈣晶須摻量的演化規(guī)律，如圖1所示。

(a)抗壓強(qiáng)度 (b)彈性模量

圖1 不同硫酸鈣晶須混凝土力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)

從圖1可以得到，外摻硫酸鈣晶須能夠提高混凝土的強(qiáng)度，隨著硫酸鈣晶須摻量的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸提高，但是，從圖中也可以看出，摻加硫酸鈣晶須對于混凝土的強(qiáng)度的影響存在一定的極限，當(dāng)超過一定限度后，混凝土試件力學(xué)強(qiáng)度的幾乎不再增加。根據(jù)硫酸鈣晶須混凝土試驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)硫酸鈣晶須摻量約為6kg·m-3，相較于普通混凝土相對抗壓強(qiáng)度、彈性模量，增幅分別49.43%、37.29%。在最優(yōu)硫酸鈣晶須摻量范圍內(nèi)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，可以得到相對抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及抗折強(qiáng)度隨晶須摻量的定量演化關(guān)系，擬合關(guān)系如圖(1)中所示。

3 混凝土抗凍性能變化

由于混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，環(huán)境條件對混凝土的耐久性提出新的考驗(yàn)，溫度的變化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，造成實(shí)際性能的降低，通過研究對不通凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土強(qiáng)度變化，對比分析普通混凝土與硫酸鈣晶須混凝土的抗凍性能。以最優(yōu)硫酸鈣晶須摻量約為6kg·m-3條件下混凝土試件為研究對象，凍融循環(huán)次數(shù)分別為20、50、80、100、200次，混凝土凍融相對抗壓強(qiáng)度及相對動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律，如圖2所示。

采用相對抗壓強(qiáng)度及相對動(dòng)彈性模量，與損傷力學(xué)中損傷變量的定義一致，可以用來表征材料強(qiáng)度的弱化特征，由圖2可以得到，凍融循環(huán)對普通混凝土和硫酸鈣晶須混凝土強(qiáng)度均產(chǎn)生弱化作用，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料強(qiáng)度逐漸降低，根據(jù)循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度的擬合關(guān)系，可以得到相對強(qiáng)度參數(shù)與循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)降低，關(guān)系式如公式(1)所示，擬合參數(shù)如表2所示。

(a)相對抗壓強(qiáng)度 (b)相對動(dòng)彈性模量

圖2 混凝土凍融相對抗壓強(qiáng)度及相對動(dòng)彈性模量

(1)

表2 擬合參數(shù)

對比分析兩種混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律，外摻硫酸鈣晶須混凝土抗凍性明顯提高，在凍融循環(huán)次數(shù)為200的條件下，普通混凝土相對抗壓強(qiáng)度為56%，硫酸鈣晶須混凝土相對抗壓強(qiáng)度為64%，提高約為8%，普通混凝土相對動(dòng)彈性模量為63%，硫酸鈣晶須混凝土相對動(dòng)彈性模量為72%，提高約為9%，試驗(yàn)結(jié)果表明，外摻硫酸鈣晶須能夠有效的提高混凝土的抗凍性能。

混凝土外摻硫酸鈣晶須對于試件強(qiáng)度的增強(qiáng)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面，硫酸鈣晶須的摻加能夠提高混凝土骨架強(qiáng)度，在混凝土生產(chǎn)過程中水泥水化產(chǎn)物能夠與硫酸鈣晶須相結(jié)合，增強(qiáng)混凝土的空間骨骼架構(gòu)的強(qiáng)度，避免混凝土產(chǎn)生大的裂縫與軟弱結(jié)構(gòu)面，另一方面，硫酸鈣晶須長度短且強(qiáng)度高，能夠不斷填充混凝土生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的孔隙與微裂隙等缺陷，提高混凝土的密實(shí)程度，從而增強(qiáng)材料的強(qiáng)度與耐久性。

4 結(jié) 論

文章研究外摻硫酸鈣晶須混凝土力學(xué)性質(zhì)及耐久性能，分析不同晶須摻量條件下混凝土強(qiáng)度參數(shù)與抗凍性能的變化特征，研究外摻晶須對混凝土性能的影響，主要研究結(jié)論如下：

1)根據(jù)硫酸鈣晶須混凝土試驗(yàn)結(jié)果可以得到，外摻硫酸鈣晶須能夠有效提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性，并且存在最優(yōu)晶須摻量約為6kg·m-3，在最優(yōu)晶須摻量范圍內(nèi)混凝土強(qiáng)度參數(shù)值逐漸增大，耐久性逐漸提高：

2)在最優(yōu)晶須摻量范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度參數(shù)隨晶須摻量線性增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量增幅分比為%、%、%：外摻硫酸鈣晶須能夠有效的提高混凝土的抗凍性能外摻在凍融循環(huán)次數(shù)為200的條件下，混凝土相對抗壓強(qiáng)度提高約為8%，相對動(dòng)彈性模量提高約為9%。