摻合料與引氣劑對(duì)寒冷地區(qū)混凝土設(shè)施結(jié)構(gòu)性能影響分析*

常艷婷，周 斌

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安710600)

工程建設(shè)通常都會(huì)面臨各種復(fù)雜多變的自然環(huán)境以及地質(zhì)條件,如高溫、高寒、高海拔等。對(duì)于混凝土設(shè)施或結(jié)構(gòu)而言,“凍融”通常是影響自身長(zhǎng)期穩(wěn)定工作狀態(tài)的重要負(fù)面因素之一,混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期處于凍融環(huán)境下,很容易產(chǎn)生抗凍融破壞和壓潰破壞,繼而出現(xiàn)細(xì)小裂紋或斷裂并最終影響到整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的骨料與水泥粘結(jié)部分。隨著混凝土結(jié)構(gòu)凍融循環(huán)次數(shù)的增加,結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的裂紋或斷裂現(xiàn)象將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重,最終導(dǎo)致整體性能劣化[1]。因此,通過(guò)何種方式能夠有效緩解或摒除凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的這一劣化現(xiàn)象,成為當(dāng)前材料領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的混凝土材料研究中,多數(shù)學(xué)者將研究重點(diǎn)集中在分析不同的摻合料對(duì)混凝土性能的影響方面,如劉波[2]針對(duì)陽(yáng)宗海Ⅱ級(jí)灰等的物化性能進(jìn)行分析,全面對(duì)比了幾種不同摻合料對(duì)混凝土性能的影響；巫茂寅[3]通過(guò)不同摻合料配比實(shí)驗(yàn),對(duì)高性能混凝土中摻合料比例對(duì)混凝土性能影響進(jìn)行了分析,認(rèn)為摻合料能夠在一定程度上提升高性能混凝土的抗凍和抗鹽性。在本文的分析中,創(chuàng)新性引入了引氣劑這一材料,著重強(qiáng)調(diào)凍融環(huán)境下?lián)胶狭虾鸵龤鈩?duì)混凝土性能(抗壓強(qiáng)度和抗凍融性能)的影響,就兩種材料的種類、顆粒大小、質(zhì)量配比等指標(biāo)對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行綜述。

1 凍融環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞機(jī)理

常用混凝土通常都是一種由水泥砂漿配合碎石、卵石或其他高分子粗骨料形成的毛細(xì)孔多孔體。為獲得建筑施工過(guò)程所需的和易性,在進(jìn)行混凝土攪拌時(shí)通常都會(huì)在混合料中加入多于水泥的水化水。由于混凝土為毛細(xì)孔多孔體結(jié)構(gòu),這一部分多余的水化水便會(huì)以游離水的形式滯留其中,形成了凍融環(huán)境下影響混凝土結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)在因素。毛細(xì)孔中的游離水在混凝土結(jié)構(gòu)中占有一定的體積,當(dāng)外界溫度降低至水在自然狀態(tài)下的凝固點(diǎn)時(shí),游離水會(huì)因結(jié)冰而膨脹,導(dǎo)致原有的體積變大,最終形成引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞的隱患。圖1 所示為凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)受損情況。

圖1 凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)受損情況Fig.1 Damage of concrete structure under freeze-thaw environment

然而,單純的游離水結(jié)冰實(shí)際并不足以導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞?；炷猎跀嚢璩尚偷倪^(guò)程中除形成一部分毛細(xì)孔外,還會(huì)因?yàn)樗嗨诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一部分膠凝孔等,這些膠凝孔或其他非毛細(xì)孔中常常存在一部分空氣,一般游離水結(jié)冰體積膨脹時(shí)會(huì)起到一定的緩沖作用,從而減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力。但在凍融環(huán)境下時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)中的游離水會(huì)反復(fù)處于飽和水狀態(tài),此時(shí)一旦毛細(xì)孔中的水結(jié)冰,膠凝孔以及其他非毛細(xì)孔中的水會(huì)因過(guò)冷導(dǎo)致冰核溫度低于-78℃,因蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細(xì)孔中冰的界面滲透[4]。由此帶來(lái)了凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)除游離水結(jié)冰體積增大而產(chǎn)生的膨脹壓外的另一種滲透壓力。在反復(fù)凍融以后,兩種壓力的同時(shí)作用往往會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂,最終裂縫互相貫通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸喪失。

1.2 凍融環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害

混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于凍融環(huán)境下,會(huì)因內(nèi)部膨脹壓和滲透壓的作用而開(kāi)裂,最終導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量等性能的逐漸降低,由此帶來(lái)的混凝土結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能下降將會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載能力以及長(zhǎng)期使用性能的逐漸喪失。姜志煒等[5]對(duì)混凝土凍融循環(huán)破壞機(jī)理與改善方法進(jìn)行分析,認(rèn)為凍融環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能危害主要集中在質(zhì)量、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度等方面,指出了影響凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的因素有:水灰比、引氣劑、單摻混合料、復(fù)摻混合料以及天然集料等。本文將集中分析摻合料、引氣劑等對(duì)凍融環(huán)境下混凝土的影響。

2 影響凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)因素分析

2.1 摻合料

以材料是否具活性可將摻合料分為活性摻合料、非活性摻合料；以材料摻合方式可將摻合料分為單摻混合料、復(fù)摻混合料(圖2)。

圖2 摻合料成分與劃分Fin.2 Composition and division of admixtures

活性礦物摻合料本身不具備硬化能力或者硬化速度非常緩慢,但在與水泥水或石灰、消石灰等鈣質(zhì)材料融合攪拌后,能夠生成氫氧化鈣反應(yīng)或凝結(jié)反應(yīng),進(jìn)而生成具有膠凝能力的水化產(chǎn)物或直接硬化等。通常常用的活性礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、磨細(xì)礦渣等。非活性摻合料是指在不損壞水泥性能的前提下直接將摻合料加入水泥中,充分摻合填充作用等的材料。非活性摻合料基本不與石灰、消石灰或水泥水等水泥組分發(fā)生反應(yīng),常見(jiàn)非活性礦物摻合料有石灰石、磨細(xì)石英砂等。

單摻混合料即以單獨(dú)某一種材料作為摻合料與混凝土進(jìn)行組合進(jìn)而影響混凝土凍融環(huán)境下性能,常見(jiàn)單摻混合料有粉煤灰、礦渣等。單摻混合料摻量質(zhì)量百分比是影響混凝土凍融環(huán)境性能的主要因素之一,通常單摻混合料質(zhì)量比在10%～30% 時(shí)并不能有效緩解凍融環(huán)境下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。復(fù)摻混合料是將粉煤灰、礦渣、引氣劑等材料進(jìn)行交互混合所形成的摻合料,通常能夠獲得疊加效應(yīng),獲得等于或高于兩不同摻合料質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量之和。

2.2 引氣劑

引氣劑即加氣劑,主要包括松香樹(shù)脂、石油磺鹽酸等物質(zhì),是一種具備憎水性的表面活性劑。引氣劑在溶于水泥水以后經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?能夠在攪拌物內(nèi)部產(chǎn)生大量均勻分布的微小氣泡,這些氣泡由于具備閉合、穩(wěn)定的物理性狀能夠全面提升混凝土拌合物的和易性、保水性和粘聚性。引氣劑的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了凍融環(huán)境下降低混凝土熱擴(kuò)散及傳導(dǎo)系數(shù)的目的,提高了凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的體積穩(wěn)定性,增強(qiáng)了大壩、港口、高速公路等野外結(jié)構(gòu)的耐候性,延長(zhǎng)了高寒地區(qū)混凝土設(shè)施的使用壽命。

3 凍融環(huán)境下?lián)胶狭吓c引氣劑對(duì)混凝土影響分析

3.1 摻合料影響分析

3.1.1 顆粒大小

周斌等[6]針通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)凍融環(huán)境下大顆粒摻合料及小顆粒摻合料對(duì)混凝土的影響進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,不論大小顆粒摻合料等的添加均能夠使混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗凍融能力獲得提升,但隨著摻合料質(zhì)量配比的不斷提升,小顆粒摻合料對(duì)混凝土能夠充分填充混凝土組分中的空隙,在提升混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的同時(shí),降低了混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融能力。這是因?yàn)閾胶狭狭竭^(guò)小會(huì)改變混凝土的氣孔率,進(jìn)而引發(fā)凍融破壞,因此在實(shí)際摻合料添加過(guò)程中應(yīng)充分考慮摻合料粒徑及其質(zhì)量配比,在充分保證混凝土獲得較高力學(xué)性能的同時(shí),提升其抗凍融能力。

3.1.2 種類

張立群等[7]針對(duì)硅灰、粉煤灰等摻合料(單摻或復(fù)摻)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明:對(duì)強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C30、C40 等級(jí)的混凝土而言,在單摻硅灰(質(zhì)量比5 %)條件下,其抗凍融能力隨摻合料中硅灰的加入而穩(wěn)定提升并于6 次凍融循環(huán)以后達(dá)到一穩(wěn)定值；在單摻硅灰(質(zhì)量比5 %、10 %、15 %)條件下,混凝土抗凍融能力隨硅灰含量提升而提升,在凍融循環(huán)達(dá)到14 次時(shí)15 % 硅灰混凝土抗凍融能力最高；在單摻粉煤灰(質(zhì)量比15 %)條件下,混凝土抗凍融能力受摻合料影響而略有提高,但影響不大；復(fù)摻條件下,摻合料對(duì)混凝土抗凍融能力的影響并不顯著,這是由于混合料的摻入一定程度上降低了混凝土中水泥的用量,而摻合料為混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)的力學(xué)性能的提升并不能完全抵消水泥較少所帶來(lái)的副作用。因此,張立群的研究也表明不論單摻、復(fù)摻,摻合料的質(zhì)量配比都需要嚴(yán)格把控,保證摻合料對(duì)混凝土抗凍融能力的提升達(dá)到最佳[8]。

3.2 引氣劑影響分析

侯曉晶等[9]就水灰比、摻合料摻合方式以及是否加入引氣劑等條件為約束,對(duì)凍融環(huán)境下引氣劑對(duì)混凝土抗凍能力、力學(xué)性能影響進(jìn)行分析,結(jié)果表明:當(dāng)混凝土中水灰比、摻合料等條件不變時(shí),引氣劑的加入能夠顯著提升混凝土抗凍性能,即便在100 次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)之后,加入引氣劑的混凝土仍然能夠保證幾乎不損失動(dòng)彈性模量,在完成300 次凍融循環(huán)以后,混凝土的動(dòng)彈性模量才開(kāi)始有所下降,但自身的抗凍能力依然較為可觀。郭琦等[10]針對(duì)橡膠混凝土在凍融循環(huán)下的損傷規(guī)律進(jìn)行分析,橡膠粉在混凝土結(jié)構(gòu)中能夠起到一定的固體引氣劑作用,緩解凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的危害,認(rèn)為在摻量(質(zhì)量百分比)為10～30 %、摻加橡膠粉粒徑為80～20 目條件下,橡膠混凝土能夠獲得最佳的抗凍融能力。整體而言,引氣劑對(duì)提升混凝土抗凍融能力影響較為顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展,高海拔、高緯度等地區(qū)的基建作業(yè)越來(lái)越頻繁,面臨的低溫作業(yè)及工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期低溫環(huán)境考驗(yàn)越來(lái)越多。本文針對(duì)摻合料粒徑大小、種類以及引氣劑等對(duì)混凝土抗凍融能力影響進(jìn)行綜合分析,旨在總結(jié)相關(guān)領(lǐng)域研究結(jié)論,為材料領(lǐng)域、基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展提供理論支持。