基于不同摻合料的水工混凝土力學(xué)性能和耐久性研究

閻肖宇

(山東省水利工程局有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

1 概述

水利工程作為基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分之一，在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，而作為水利工程重要建筑材料的水泥混凝土也被廣泛認(rèn)知，然而隨著水利工程的應(yīng)用實(shí)踐，混凝土的開(kāi)裂、凍融損壞及堿骨料反應(yīng)等問(wèn)題也凸顯出來(lái)，嚴(yán)重影響了水工混凝土工程的耐久性，造成了巨大的損失[1- 2]。

大型水利工程建設(shè)目標(biāo)一般為百年工程，對(duì)工程的耐久性極為重視。然而，根據(jù)當(dāng)前建設(shè)工程用集料存在堿活性的現(xiàn)狀及本著就地取材原則，一些堿活性集料也相繼應(yīng)用到建設(shè)中來(lái)，然而，如何有效抑制集料的堿活性反應(yīng)，保證水工混凝土的基本力學(xué)性能和耐久性顯得極為重要。針對(duì)水工混凝土當(dāng)前存在問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了大量研究[3- 11]，研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入適當(dāng)粉煤灰不僅可以較好的抑制集料的堿活性反應(yīng)，且對(duì)提高混凝土前期抗裂性具有促進(jìn)作用，但存在后期需水量較大，無(wú)法改善混凝土后期收縮的現(xiàn)實(shí)；水工混凝土中摻入適當(dāng)纖維材料，可以弱化混凝土開(kāi)裂末端的應(yīng)力集中，產(chǎn)生一定的阻斷效應(yīng)，可以減少混凝土裂縫的產(chǎn)生；在混凝土中加入輕燒氧化鎂可以有效改善混凝土的中后期開(kāi)裂，有效提升其耐久性，對(duì)于改善水工混凝土性能和耐久性雖然進(jìn)行了一定研究，但大多都是單一摻合料應(yīng)用研究，對(duì)于同時(shí)摻加幾種或多種摻合料的混凝土的力學(xué)性能和耐久性規(guī)律影響研究相對(duì)較少。

基于此，本文為了研究多種摻合料摻配對(duì)水工混凝土力學(xué)性能和耐久性影響，通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮變形試驗(yàn)和快速凍融試驗(yàn)，對(duì)粉煤灰、輕燒氧化鎂和纖維類(lèi)材料不同組合摻量的混凝土力學(xué)性能和耐久性分析，并確定三種摻合料的合理?yè)搅糠秶?，為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展水工混凝土耐久性提升研究工作提供借鑒。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1水泥

水泥選用P.O 42.5的基準(zhǔn)水泥，其主要性能指標(biāo)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用水泥檢測(cè)結(jié)果

2.1.2摻合料及外加劑

本文摻合料選用粉煤灰、輕燒氧化鎂和聚丙烯纖維，3種摻合料的主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，外加劑選用減水劑，主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)用摻合料檢測(cè)結(jié)果

表3 試驗(yàn)用減水劑檢測(cè)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

骨料選用優(yōu)質(zhì)石料，骨料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足施工規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，混凝土具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 水工混凝土配合比設(shè)計(jì)

為了探究不同摻合料(粉煤灰、輕燒氧化鎂、纖維類(lèi)材料)摻配對(duì)水工混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響，試驗(yàn)選用粉煤灰(A)、輕燒氧化鎂(B)和聚丙烯纖維(C)3種摻合料作為正交試驗(yàn)3個(gè)因素，并根據(jù)試驗(yàn)需要每個(gè)因素設(shè)置5個(gè)水平，共計(jì)25組正交試驗(yàn)，其中粉煤灰設(shè)計(jì)摻量分為0%、20%、30%、40%、50%，輕燒氧化鎂設(shè)計(jì)摻量分為0%、1%、3%、5%、7%，聚丙烯纖維設(shè)計(jì)摻量分為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，粉煤灰采用內(nèi)摻法，而輕燒氧化鎂和聚丙烯纖維均采用外摻法。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)設(shè)計(jì)水工混凝土進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，多種摻合料摻配的混凝土抗壓強(qiáng)度和極差變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同摻合料因素水平混凝土抗壓強(qiáng)度及極差對(duì)比

由圖1數(shù)據(jù)可知，不同摻合料摻配因素對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和極差影響程度不同；對(duì)圖1(a)分析，對(duì)于(A)因素，在7d零期時(shí)，隨著其摻量升高，混凝土抗壓強(qiáng)度不斷降低，而當(dāng)零期高于28d后，隨著粉煤摻量升高，其抗壓呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且在粉煤灰摻量30%附近出現(xiàn)峰值；對(duì)于(B)和(C)因素，在28d零期內(nèi)，隨著摻量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，而當(dāng)零期高于28d后，隨著摻合料摻量增多，混凝土抗壓強(qiáng)度先升高后降低，且分別在摻量2%和1.5%附近出現(xiàn)小峰值，表明多種摻合料合理?yè)搅肯驴梢杂行Ц纳扑せ炷恋目箟簭?qiáng)度；對(duì)圖1(b)分析，對(duì)于摻加(B)因素和(C)因素?fù)胶狭系乃せ炷?，其抗壓?qiáng)度極差隨著零期的增長(zhǎng)不斷增大，且增長(zhǎng)幅度不同，而摻加(A)因素?fù)胶狭系幕炷量箟簭?qiáng)度極差隨著零期增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；相同條件下，水工混凝土的抗壓強(qiáng)度極差粉煤灰>輕燒氧化鎂>聚丙烯纖維，表明(A)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響程度高于(B)因素高于(C)因素。

3.2 混凝土干縮變形

按照SL/T 352—2020技術(shù)要求對(duì)水工混凝土進(jìn)行干縮變形試驗(yàn)，則多種摻合料摻配的混凝土干縮率及極差變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 不同摻合料因素水平混凝土干縮率及極差對(duì)比

由圖2數(shù)據(jù)可知，不同摻合料摻配因素對(duì)混凝土的干縮率和極差影響程度也不相同；對(duì)圖2(a)分析，隨著(A)因素?fù)搅吭黾?，混凝土的干縮率不斷增大，表明粉煤灰的摻入對(duì)混凝土的抗干縮性能不利；對(duì)于摻加(B)和(C)因素的水工混凝土，其干縮率隨摻量增加變化趨勢(shì)一致，混凝土干縮率先減小后增大，當(dāng)粉煤灰摻量0%、輕燒氧化鎂摻量約3%、聚丙烯纖維摻量約1%時(shí)，混凝土的干縮率約為0%，三種摻合料在此摻量下，對(duì)水工混凝土的干縮變形改善效果最佳，表明適當(dāng)摻量的輕燒氧化鎂和聚丙烯纖維可以有效抑制水工混凝土的干縮變形；對(duì)圖2(b)分析，對(duì)于摻加(A)和(B)因素的混凝土干縮率極差隨零期的增長(zhǎng)不斷升高；而摻加(C)因素的混凝土干縮率極差隨零期增長(zhǎng)先減小后增大；相同零期下，混凝土干縮率極差(B)因素高于(C)因素高于(A)因素，表明各摻合料因素對(duì)水工混凝土干縮變形影響程度輕燒氧化鎂>聚丙烯纖維>粉煤灰。

3.3 混凝土抗凍性

按照SL/T 352—2020對(duì)水工混凝土進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，則多種摻合料摻配組合的混凝土抗凍性變化趨勢(shì)如圖3—4所示。

圖3 不同摻合料因素水平混凝土相對(duì)彈性模量及極差對(duì)比

圖4 不同摻合料因素水平混凝土質(zhì)量損失及極差對(duì)比

由圖3、圖4數(shù)據(jù)可知，不同摻合料摻配因素對(duì)水工混凝土的抗凍性影響不同；對(duì)圖3(a)、圖4(a)分析，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，對(duì)于(A)因素，隨著摻量增加，其相對(duì)彈性模量先降低后增大，而質(zhì)量損失率不斷增大，間接表明粉煤灰因素對(duì)混凝土的抗凍性存在不利影響，會(huì)降低混凝土的抗凍性；對(duì)于(B)因素，隨著輕燒氧化鎂摻量增加，混凝土相對(duì)彈性模量先降低后升高再降低，而質(zhì)量損失率變化先減少后增大，在(B)因素?fù)搅考s為3%時(shí)，混凝土的相對(duì)彈性模量值最大，質(zhì)量損失率最??；對(duì)于(C)因素，隨著聚丙烯纖維摻量增加，混凝土相對(duì)彈性模量先降低后增大后減小，而質(zhì)量損失率變化先減少后增大，在(C)因素?fù)搅考s為1.5%時(shí)，混凝土的相對(duì)彈性模量值最大，質(zhì)量損失率最小，表明合理?yè)搅康妮p燒氧化鎂和聚丙烯纖維可以有效改善提升水工混凝土的抗凍性；對(duì)圖3(b)、圖4(b)分析，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，摻加3種因素的混凝土極差不斷增大，但變化幅度不同，對(duì)200次凍融循環(huán)下分析，混凝土極差粉煤灰>輕燒氧化鎂>聚丙烯纖維，表明(A)因素對(duì)混凝土抗凍性影響程度高于(B)因素高于(C)因素。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)不同類(lèi)型摻合料對(duì)水工混凝土的力學(xué)性能和耐久性的改善效果不一，粉煤灰對(duì)水工混凝土的抗壓強(qiáng)度影響最大，輕燒氧化鎂對(duì)混凝土的干縮性影響最大；不同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同摻合料對(duì)混凝土抗凍性影響大小不一。

(2)粉煤灰摻量30%左右(20%～40%)，輕燒氧化鎂摻量3%左右(1%～5%)，聚丙烯纖維摻量1%左右(0.5%～1%)，對(duì)水工對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能改善效果最佳。

(3)本次研究主要是在壓應(yīng)力和凍融循環(huán)耦合作用下開(kāi)展的，對(duì)于扭力或拉應(yīng)力作用下的多種摻合料水工混凝土的力學(xué)性能和耐久性缺乏對(duì)比，下一步可展開(kāi)相關(guān)研究。