海水環(huán)境對(duì)再生混凝土抗壓性能影響的研究

李香斌 陳昌世 黃 瑤

（桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院， 廣西 桂林 541000）

0 引言

混凝土材料的壽命縮短和結(jié)構(gòu)退化最主要的原因在于外部的侵蝕環(huán)境。再生混凝土方面，最關(guān)鍵的是在海水環(huán)境下會(huì)對(duì)再生混凝土產(chǎn)生的影響，因此國(guó)內(nèi)外的這方面的許多專家學(xué)者對(duì)這一課題結(jié)合實(shí)際情況展開(kāi)了分析。其中，學(xué)者張學(xué)兵[1]指出，再生混凝土的主要受到水膠比和水泥的強(qiáng)度等參數(shù)的影響。專家Mandal[2]在深入研究之后，得出的結(jié)論是，與普通混凝土相比，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度在水膠比過(guò)高與過(guò)低的時(shí)候都會(huì)明顯偏低。很多學(xué)者都選擇在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下，圍繞再生混凝土的發(fā)展情況展開(kāi)分析，目前很少有學(xué)者開(kāi)始對(duì)海水侵蝕環(huán)境中的混凝土的抗壓強(qiáng)度展開(kāi)研究，相關(guān)的文獻(xiàn)資料比較少。本文分別對(duì)多種再生的混凝土的試件進(jìn)行模擬，假設(shè)混凝土的試件正在海水腐蝕的背景下，本文利用加速腐蝕與浸烘循環(huán)等方式展開(kāi)測(cè)試，觀察再生混凝土在不同腐蝕條件下抗壓強(qiáng)度的差異，觀察和研究取代率與粉煤灰摻量等指標(biāo)對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度的具體作用，并且探討抗壓強(qiáng)度與膠水比這兩大指標(biāo)之間的具體聯(lián)系，為學(xué)者們對(duì)處于海洋環(huán)境中再生混凝土的耐久性研究提供借鑒和參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本文所研究的混凝土的試塊設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等級(jí)是C25 的，強(qiáng)度保證率為95%，施工時(shí)采用機(jī)械振搗，要求坍落度為30～45mm。試設(shè)計(jì)該混凝土的配合比。所以原材料的種類的性質(zhì)為：水泥品種：粉煤灰硅酸鹽水泥和普通的硅酸鹽水泥、密度為3.10g/cm3；本文選擇中砂為主要的砂種類，2.6 是其細(xì)度模數(shù)，表觀密度2.65g/cm3，含水率：20%；石子種類：碎石，最大粒徑40 mm，表觀密度2.7g/cm3，含水率22%，以50%的替代率用混凝土碎骨料來(lái)替代；人工海水成分[3]: 本文為了可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，配制侵蝕液的時(shí)候，利用人工的方式，對(duì)海水中所蘊(yùn)含的所有化學(xué)成分進(jìn)行模擬，配制出用于實(shí)驗(yàn)的人工海水。人工海水中各種鹽含量見(jiàn)表1

表 1 人工海水的配制的主要成分

人工海水的配制方式如下: 通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料的分析，可以發(fā)現(xiàn)配置的過(guò)程如下：將碳酸鈣和氯化鈉放入自來(lái)水中，將其靜置一整晚，等到這些化學(xué)物質(zhì)全部溶解于水中之后，再加入硫酸鎂和氯化鎂，充分?jǐn)嚢杈鶆蚓涂梢酝度胧褂?。此外，在?duì)液體進(jìn)行浸—烘循環(huán)的過(guò)程中，所配置的侵蝕液的濃度是不斷變化的，需要實(shí)驗(yàn)人員定期對(duì)溶液進(jìn)行更換。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)的步驟

根據(jù)混凝土上述配合比設(shè)計(jì)及原材料，用體積法計(jì)算出混凝土的初步配合比。嚴(yán)格按照初步計(jì)算得出的配合比，對(duì)各個(gè)原料進(jìn)行稱取，攪拌均勻后，對(duì)坍落度進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)測(cè)試和觀察情況調(diào)整和易性，直至滿足和易性要求為止，由此得出基準(zhǔn)配合比。在調(diào)整和易性的同時(shí)，準(zhǔn)備好三個(gè)試模，用機(jī)油涂抹內(nèi)側(cè)，稱出三個(gè)試模的質(zhì)量，嚴(yán)格按照以上步驟，可以對(duì)混凝土的拌合物的具體密度進(jìn)行測(cè)算。

在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，選擇三個(gè)不同的配合比進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，其中一個(gè)為基準(zhǔn)配合比，另外兩個(gè)配合比的水膠比為基準(zhǔn)配合比的水膠比（±0.05），按三個(gè)配合比配制出三組試件，在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，需要在滿足28 天之后，對(duì)其開(kāi)展抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用作圖法確定與配制強(qiáng)度相應(yīng)的水膠比，最后確定實(shí)驗(yàn)室配合比，養(yǎng)護(hù)時(shí)間少于28 天，可用經(jīng)驗(yàn)公式將測(cè)得的強(qiáng)度值換算成28天強(qiáng)度值。

1.3 混凝土的配合比

混凝土的耐久功能主要體現(xiàn)在抗?jié)B性方面?；炷恋目?jié)B性能最關(guān)鍵的影響因素是水灰比[4][5]與水泥用量。本文分別在不同的水泥用量和水灰比的具體條件下，測(cè)試混凝土的抗侵蝕性，以下是具體的方案: （1）為對(duì)水灰比不同的混凝土進(jìn)行配制，需要分別利用粉煤灰硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥；（2）只選擇硅酸鹽水泥進(jìn)行配置，保持0.5 的水灰比，粗細(xì)骨料含量不變，分別對(duì)不同水泥用量的混凝土試件進(jìn)行配置，盡量實(shí)現(xiàn)多元化，以下表格中的粗骨料用50%的混凝土碎料替代。

表 2 方案1 的配合比

表 3 方案2 的配合比

1.4 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法是圍繞混凝土受鹽侵蝕程度進(jìn)行試驗(yàn)的主要方式。雖然現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是存在周期過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，無(wú)法在較短的時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果。因此，本文利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法，嚴(yán)格按照不同的水灰比，對(duì)混凝土小試件進(jìn)行配置，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)所配置好的試件，用經(jīng)驗(yàn)公式將測(cè)得的強(qiáng)度值換算成28 天強(qiáng)度值。在28 天之后，需要對(duì)其展開(kāi)浸—烘循環(huán)的處理。本文為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較強(qiáng)的離散型，在自來(lái)水和人工海水中分別浸泡循環(huán)試件，八小時(shí)之后，在八十?dāng)z氏度的條件下對(duì)其進(jìn)行烘干處理，一個(gè)循環(huán)是十六小時(shí)。在這一階段內(nèi)，需要定時(shí)對(duì)試件的吸水率和重量損失進(jìn)行測(cè)算，同時(shí)也需要定時(shí)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.4.1 試塊抗壓強(qiáng)度檢測(cè)步驟

將試件從溶液中取出之后，需要先把其表面擦干，測(cè)量試件的尺寸并且進(jìn)行記錄。此時(shí)需要注意，試件的尺寸的精確度需要達(dá)到lmm 范圍內(nèi)，根據(jù)這一數(shù)據(jù)對(duì)其承壓面積值進(jìn)行計(jì)算。在這一過(guò)程中，參與實(shí)驗(yàn)的試件不可以出現(xiàn)缺損情況，0.05%是承壓面的不平度的限度。

在試驗(yàn)機(jī)下面的壓板上放置試件，此時(shí)需要注意保證試件的承壓面與頂面保持垂直。然后可以將試驗(yàn)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)試件和壓板越來(lái)越靠近的時(shí)候，需要對(duì)球座及時(shí)調(diào)整，保證二者接觸面積處于均衡狀態(tài)。

在對(duì)試驗(yàn)機(jī)加壓時(shí)，需要注意用力均勻。以下是加荷速度的確定方法；當(dāng)混凝土強(qiáng)度不超過(guò)C30 的時(shí)候，選擇0.3—0.5MPa／s 作為加荷速度；當(dāng)試件快破損時(shí)，需要對(duì)試驗(yàn)機(jī)的油門及時(shí)調(diào)整，對(duì)試件的破壞荷載(F)進(jìn)行記錄。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

按照對(duì)應(yīng)的公式來(lái)計(jì)算混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度：fcu=F/A；式中 F—破壞荷載，N；A—受壓面積，mm2。

該組試件的抗壓強(qiáng)度值的計(jì)算依賴于對(duì)本組實(shí)驗(yàn)中所有的試件測(cè)定值的算術(shù)平均值的計(jì)算。當(dāng)這些測(cè)定值中的差值超過(guò)對(duì)應(yīng)的限度，需要去掉最大值和最小值，該組試件的抗壓強(qiáng)度值就是其中間值。如果所有差值都超出了對(duì)應(yīng)的范圍，那么就意味著本次實(shí)驗(yàn)是無(wú)效的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生混凝土抗壓強(qiáng)度受水灰比的影響程度

s 本文所研究的再生混凝土抗壓強(qiáng)度在水灰比變化情況下的變化曲線圖示，由下圖1 可知，再生混凝土的水灰比不超過(guò)0.5 時(shí)，再生細(xì)骨料對(duì)再生混凝土的7,14,28d抗壓強(qiáng)度影響不大，在水灰比提高的過(guò)程中，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之不斷增加。據(jù)研究可知，再生的細(xì)骨料中存在沒(méi)有被水化過(guò)的水泥的顆粒物，在對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，這些顆粒會(huì)持續(xù)進(jìn)行水化，也就對(duì)再生混凝土的水泥用量有所增加，可以在一定程度對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度起到增強(qiáng)作用；此外，再生細(xì)骨料具有比較高的吸水率，表面極為粗糙，在水泥的水化過(guò)程中，會(huì)對(duì)水泥漿和再生細(xì)骨料的面積有所增加，在水泥水化過(guò)程中，較高的吸水率會(huì)降低水灰比，對(duì)于再生細(xì)骨料和水泥漿的性能起到積極作用，在很大程度上可以對(duì)本文所研究的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)揮積極作用。據(jù)研究可知，再生細(xì)骨料的主要成分包括砂漿顆粒，與天然細(xì)骨料相比，砂漿的強(qiáng)度明顯較小，阻礙了其抗壓強(qiáng)度的提升。

圖 1 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度受水灰比的影響

圖 2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差受到齡期的影響

在不同的水灰比下，齡期不斷增加，會(huì)導(dǎo)致再生混凝土的σ值發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。由上圖可知，齡期與再生混凝土的σ值呈正相關(guān)。在7 小時(shí)的時(shí)候，與普通混凝土進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)再生混凝土的數(shù)值明顯較小。在28 小時(shí)后，再生混凝土的對(duì)應(yīng)數(shù)值明顯更高，甚至?xí)^續(xù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度在海水侵蝕環(huán)境下的變化情況

圖 3 混凝土抗壓強(qiáng)度—循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由上圖可知，在循環(huán)次數(shù)不斷增加的過(guò)程中，兩種水泥的混凝土試件抗壓強(qiáng)度基本吻合，在侵蝕循環(huán)處于初級(jí)階段時(shí)，水泥混凝土試件的抗壓強(qiáng)度也隨之得到持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到峰值，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，粉煤灰硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化幅度明顯更小。通過(guò)對(duì)水灰比的研究，可以發(fā)現(xiàn)在混凝土試件的循環(huán)起步階段，水灰比的不斷發(fā)展變化，也會(huì)導(dǎo)致本文所研究的混凝土的試件的抗壓強(qiáng)度發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變。與此同時(shí)，在強(qiáng)度的增長(zhǎng)階段，二者的結(jié)束時(shí)間也存在差異。在水灰比較大的條件下，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，反之，增長(zhǎng)幅度比較小。與普通的混凝土相較而言，再生混凝土的抗侵蝕程度更高，在腐蝕時(shí)間不斷延長(zhǎng)的過(guò)程中，再生混凝土的水膠比與抗壓強(qiáng)度之間的線性關(guān)系慢慢變?nèi)酢?/p>

3 結(jié)論

（1）混凝土的耐久性的提高依賴于水膠比的降低。在一致的條件下，與普通混凝土進(jìn)行相比較，水膠比較低的再生混凝土的耐久性明顯較好。

（2）在對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要在配比設(shè)計(jì)再生混凝土的水膠比時(shí)，注意比例要低于0.45。

（3）在延長(zhǎng)海水腐蝕環(huán)境的背景下，如果加入粉煤灰，可以提高其結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)也會(huì)對(duì)再生混凝土的壽命有所延長(zhǎng)。