凍融循環(huán)下?lián)胶狭蠈?duì)大壩混凝土性能影響

李 娜，趙恒祥

(1.淄博市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 淄博 255000；2. 山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255000)

1 概 述

溫度是影響混凝土強(qiáng)度的一個(gè)因素，大壩因工程量大、環(huán)境復(fù)雜，其混凝土強(qiáng)度極易受到溫度的影響而改變。尤其對(duì)于寒冷地區(qū)而言，季節(jié)變換時(shí)溫差較大，混凝土存在凍融循環(huán)的情況，這種情況會(huì)使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫，并不斷擴(kuò)散，對(duì)其強(qiáng)度和耐久性會(huì)造成嚴(yán)重影響[1-2]。凍融作用不僅會(huì)降低混凝土的耐久性和力學(xué)性能，還會(huì)導(dǎo)致其他因素對(duì)混凝土造成破壞，比如溶蝕和沖刷。這些破壞因素都會(huì)嚴(yán)重威脅到大壩的安全性和穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)多處大壩都因?yàn)閮雒?、凍融作用而受到程度不同的破壞[3]。所以，怎樣使大壩混凝土具有更好的抗凍性能，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和工程意義。

大壩混凝土抗凍性提升的關(guān)鍵點(diǎn)在于原材料的選用，科學(xué)合理的材料配比決定了混凝土的強(qiáng)度和耐久性的高低。在混凝土原材料中，粗骨料占比最大，而骨料的類型、粒徑、吸水率等都會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響。研究結(jié)果表明，相等情況下，原材料為砂巖的抗凍性最不好；玄武巖和花崗巖略強(qiáng)；灰?guī)r最強(qiáng)。骨料的強(qiáng)度隨其吸水能力的增強(qiáng)而減弱，骨料中水分含量越多，越容易受到凍融作用的破壞。所以選用優(yōu)質(zhì)骨料可以減少增強(qiáng)混凝土的抗凍性，并減少用水量[4]。再者可以向混合料中加入優(yōu)質(zhì)材料，改善混凝土的膠凝能力，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)性。如礦渣和粉煤灰，能夠改善骨料和水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu)，從而提高其強(qiáng)度。所以在符合國(guó)家規(guī)定的情況時(shí)，合理科學(xué)地對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)提高其抗凍性和力學(xué)強(qiáng)度是十分重要的。

隨著納米科技的完善，研究人員將混凝土與納米材料相結(jié)合，探索了一條發(fā)展混凝土的新路徑。 DU等[5]向混凝土中加入納米二氧化硅，對(duì)其耐久性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗?jié)B性能得到顯著的提高。 BALAGURU[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)能夠使混凝土的耐久性得到較好的改善。杜應(yīng)吉等[7]研究了凍融條件下納米材料的抗凍性，發(fā)現(xiàn)混凝土中氣泡的數(shù)量因納米材料的加入而大大減少，防止了孔隙中水分因被凍結(jié)脹開而引起的破壞，將混凝土的抗凍能力提高了至少50%。

近些年，納米材料價(jià)格的降低和粒徑的變小，為其應(yīng)用在實(shí)際工程中提供了可能性。本文設(shè)計(jì)不同凍融次數(shù)下納米材料混凝土的劈裂和抗壓試驗(yàn)，研究納米材料對(duì)混凝土的改良效果，為更多的大壩工程提供理論基礎(chǔ)。

2 研究方法和設(shè)計(jì)試驗(yàn)

納米材料作為一種不錯(cuò)的改良材料，因此研究?jī)鋈谘h(huán)條件下，大壩納米材料混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律是十分重要的。本文以實(shí)際大壩工程為背景，通過向混凝土內(nèi)添加納米材料，設(shè)計(jì)了室內(nèi)劈裂、抗壓以及凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)條件下，納米材料對(duì)混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。為了試驗(yàn)結(jié)果更具有真實(shí)性、準(zhǔn)確性，能夠精準(zhǔn)揭示大壩混凝土力學(xué)性質(zhì)在凍融作用下的變化規(guī)律，制作試樣樣品時(shí)以實(shí)際大壩工程中所用的混凝土種類和配比為參考，并從宏觀角度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如納米材料混凝土劈裂、抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)次數(shù)不同情況下的變化規(guī)律，以此來判斷納米材料對(duì)高寒地區(qū)混凝土力學(xué)性能的影響，為該類地區(qū)大壩工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

2.1 原材料和配合比

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，原材料擇優(yōu)選取，納米材料選用3 500元/t的無機(jī)有機(jī)復(fù)合型材料，主料是類Ⅰ級(jí)粉煤灰、人為破碎的花崗巖骨料和42.5低熱硅酸鹽水泥，輔以引氣劑和高效減水劑。骨料級(jí)配是小石：中石：大石：特大石=20:20:30:30，其中最大骨料粒徑是150mm。

在設(shè)計(jì)混凝土的配比時(shí)，初步選定兩種類型的混凝土。第一種是添加納米材料的改性水泥土(簡(jiǎn)稱MCC)；第二種為普通混凝土(簡(jiǎn)稱ODC)，強(qiáng)度等級(jí)為C18040，其被廣泛應(yīng)用在大壩建造工程中。表1為兩類混凝土的配合比。從表1中的配合比數(shù)據(jù)能夠看出，與不含納米材料相比，向混凝土中加入納米材料不僅可以保持相同的黏聚性，還可以減少水和水泥的用量，可降低大壩工程的材料成本。其中，每立方米水泥降低9kg，用水量減少7kg。表明砼加入納米材料后，其中凝結(jié)材料的級(jí)配得到優(yōu)化，強(qiáng)化了混凝土的結(jié)構(gòu)，使其更加堅(jiān)實(shí)。

表1 低熱水泥全級(jí)配混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 試樣制作

制作混凝土凍融試樣的尺為100 mm×100 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬×高)，方法為濕篩法。試樣經(jīng)過凍融試驗(yàn)后取出，用切割機(jī)將其分割成圓柱體試樣和立方體試樣，尺寸分別為100 mm×50 mm(直徑×高)與100 mm×100 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)，將分割好的試樣放置好，用作后續(xù)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、劈裂以及抗壓試驗(yàn)。

2.2.2 測(cè)試方法和儀器

凍融試驗(yàn)方法為室內(nèi)進(jìn)行的加速凍融法，選用的儀器是全自動(dòng)快速凍融機(jī)，型號(hào)為CDR6-9。試樣制作完成之后，養(yǎng)護(hù)滿90d，放入快速凍融機(jī)內(nèi)，凍融液的溫度為-25℃～ 20℃，試樣中心溫度為(-18±2)℃～(5±2)℃，每次凍融過程時(shí)間為3.0±0.5h。

3 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 劈裂試驗(yàn)分析

圖1為MCC混凝土和ODC混凝土劈拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化而改變的規(guī)律。從圖1中可以看出，在凍融次數(shù)達(dá)到300、500及800次時(shí)，MCC混凝土劈拉強(qiáng)度降低19.4%～54.5%，ODC混凝土的劈拉強(qiáng)度降低24.5%～59.0%。當(dāng)凍融次數(shù)一致時(shí)，與ODC混凝土相比，MCC混凝土劈拉強(qiáng)度增加幅度達(dá)到7.6% ～19.3%，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高，兩類混凝土的劈拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且下降速度大致相同。盡管兩類混凝土劈拉強(qiáng)度都在下降，但總體而言，MCC混凝土的劈拉強(qiáng)度一直大于普通混凝土的劈拉強(qiáng)度，表明納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強(qiáng)度；并且凍融循環(huán)并不會(huì)對(duì)這種提高效果造成影響，表明即使在溫差較大、溫度交替頻繁的情況下，納米材料仍能保持對(duì)混凝土較好的改良效果。但需要說明的是，雖然在不同次數(shù)的凍融循環(huán)下，納米材料混凝土強(qiáng)度一直大于普通混凝土，但兩者在循環(huán)次數(shù)同步增長(zhǎng)的情況下，劈拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)相同，表明納米材料并不能抑制凍融對(duì)混凝土自身劣化的趨勢(shì)，僅能起到提高劈裂強(qiáng)度的效果。圖2直觀地反映出納米材料可以對(duì)混凝土抗劈裂能力起到很好的改良效果。

圖1 凍融循環(huán)和劈拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖2 凍融循環(huán)中MCC和ODC的劈拉強(qiáng)度比

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖3為MCC混凝土和ODC混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化而改變的規(guī)律。從圖3中可以看出，兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加，都呈現(xiàn)出緩慢變大、在300次左右達(dá)到峰值后加速減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是凍融開始前期，混凝土內(nèi)部不會(huì)受到太大的損傷，同時(shí)粉煤灰、納米材料及水泥的持續(xù)反應(yīng)會(huì)不斷改善混凝土的結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度提高。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加后，混凝土內(nèi)部孔隙中的水分被凍結(jié)，體積發(fā)生膨脹，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成影響，損傷不斷積累，加速了混凝土內(nèi)部的破壞。經(jīng)歷800次凍融以后，MCC混凝土抗壓強(qiáng)度減少2.8%，而ODC混凝土降低幅度達(dá)到5.0%，說明納米材料能夠明顯改善凍融對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，削弱混凝土的降低幅度，這是劈裂強(qiáng)度所不具備的特點(diǎn)。當(dāng)凍融次數(shù)一致時(shí)，與ODC混凝土相比，MCC混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高幅度要高出3.1%～8.0%。并且在凍融次數(shù)300次時(shí)，前者的抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，說明納米材料具對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有非常顯著的改良效果。從圖4可以看出，與水泥和粉煤灰相比，混凝土內(nèi)的納米材料發(fā)揮了更好的填充作用、活化作用，改善了土體結(jié)構(gòu)，降低了凍融對(duì)混凝土的破壞。

圖3 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 凍融循環(huán)中MCC和ODC的抗壓強(qiáng)度比

4 結(jié) 論

本文基于納米材料活性高、尺寸小的特點(diǎn)，研究?jī)鋈谧饔孟?，納米材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。通過設(shè)置MCC混凝土與ODC混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的劈裂對(duì)比試驗(yàn)和抗壓對(duì)比試驗(yàn)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)納米材料對(duì)混凝土的改良作用，結(jié)論如下：

1)納米材料的增加可以減少混凝土中水和水泥的用量，其中每立方米水泥降低9kg、用水量減少7kg，可大大降低大壩工程的材料成本，利于大壩工程的發(fā)展。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高，MCC和ODC混凝土的劈拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且下降速度大致相同；納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強(qiáng)度，對(duì)混凝土起到較好的改良效果，并且凍融循環(huán)不會(huì)對(duì)這種提高效果造成影響，但納米材料不能抑制凍融對(duì)混凝土的劈裂劣化程度。

3)兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加，都呈現(xiàn)出緩慢變大再逐漸降低的趨勢(shì)，在300次左右達(dá)到峰值點(diǎn)。當(dāng)凍融次數(shù)一致時(shí)，與ODC混凝土相比，MCC混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高幅度要高出3.1%～8.0%,并且前者的抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，說明納米材料具對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有非常顯著的改良效果，且能有效抑制凍融對(duì)混凝土抗壓的劣化程度。