不同摻量滲透結(jié)晶材料水工混凝性能影響研究

張行衍

(瓦房店市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 瓦房店 116300)

混凝土屬于一種非均質(zhì)多孔復(fù)合材料,其內(nèi)部連通性、微損傷、孔隙分布、數(shù)量和大小等性質(zhì),都會在一定程度上影響外界有害介質(zhì)的侵蝕和混凝土力學(xué)性能,在不利環(huán)境下裂縫擴(kuò)散、貫通呈宏觀裂縫還會降低混凝土耐久性[1]。因此,如何降低內(nèi)部微結(jié)構(gòu)受不利環(huán)境及服役荷載作用,有效改善內(nèi)部缺陷和耐久性能已成為混凝土技術(shù)研究的重要課題。

滲透結(jié)晶材料(CCCW)是一種具有無毒無害、防水性能優(yōu)異的防水材料,現(xiàn)已在大壩、地鐵和房屋建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-4]。目前,對滲透結(jié)晶混凝土性能國內(nèi)外學(xué)者開展了深入探究,如Liu等認(rèn)為混凝土摻滲透結(jié)晶能夠明顯改善其抗氯離子侵蝕、抗碳化和力學(xué)性能,可有效提高抗凍能力;Ferrara等探討了纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料自愈能力和普通強(qiáng)度混凝土受結(jié)晶外加劑的影響,發(fā)現(xiàn)摻結(jié)晶材料加速了強(qiáng)度的發(fā)展和裂紋愈合速度,對實(shí)體質(zhì)量具有積極作用;王可良等利用抗?jié)B壓力和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析混凝土自修復(fù)能力受滲透結(jié)晶材料的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)滲透結(jié)晶可以修復(fù)裂縫增強(qiáng)基體抗?jié)B性和強(qiáng)度,微觀試驗(yàn)表明滲透結(jié)晶中的活性物質(zhì)可以生成填充于宏觀裂縫與毛細(xì)孔的產(chǎn)物,增強(qiáng)水泥基體強(qiáng)度;陳曉雨等通過對比復(fù)摻滲透結(jié)晶、礦物摻合料與單摻滲透結(jié)晶對抗侵蝕性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)復(fù)摻配制的試塊性能明顯更優(yōu);姚嘉誠等研究認(rèn)為單摻納米SO2或滲透結(jié)晶材料的增強(qiáng)效果不如兩者的復(fù)摻。因此,滲透結(jié)晶能夠有效改善混凝土性能,而現(xiàn)有研究較少考慮水工混凝土,并且滲透結(jié)晶主要是與水反應(yīng)生成晶體填充內(nèi)部孔隙及裂縫。因此,這是一種較理想的裂縫修復(fù)摻合劑,研究水工混凝土性能受滲透結(jié)晶材料的影響就顯得非常重要[5-9]。文章結(jié)合水電站面板工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)C30W12F200等級水工混凝土,試驗(yàn)探究了水工混凝土強(qiáng)度和耐久性受不同摻量滲透結(jié)晶材料的影響規(guī)律,以期為水利工程裂縫修復(fù)及滲透結(jié)晶材料的研究應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料測試

1)水泥:撫順大伙房水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥,初、終凝時(shí)間145min和600min,標(biāo)準(zhǔn)稠度28%,安定性合格,比表面積390m2/kg,密度3.11g/cm3,3d、28d抗壓強(qiáng)度28.8MPa和9.5MPa。

2)粗、細(xì)骨料:大連建材廠生產(chǎn)的Ⅱ區(qū)天然河砂和人工碎石,經(jīng)檢測砂的堆積密度1600kg/m3,表觀密度2620kg/m3,細(xì)度模數(shù)2.7,孔隙率40%,吸水率0.6%,硫酸鹽及硫化物含量0.41%;碎石粒徑為20～40mm中石和5～20mm小石,其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 碎石的力學(xué)性能參數(shù)

3)纖維:通過對比經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和力學(xué)性能,最終選擇徐水正達(dá)鋼纖維廠生產(chǎn)的防銹鍍銅鋼纖維,長度12mm,直徑0.7mm,密度7.7g/cm3,彈性模量210MPa,抗拉強(qiáng)度2640MPa,體積摻量1.0%。

4)滲透結(jié)晶:從市場上購買水泥基滲透結(jié)晶,以石英砂、普通硅酸鹽水泥等為基材摻入滲透結(jié)晶配制成的粉末狀材料作為受檢砂漿。經(jīng)檢測滲透結(jié)晶氯離子含量0.018%,細(xì)度0.07mm,受檢砂漿的28d收縮率比100%,透水壓力比235%,抗壓強(qiáng)度比104%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)二級配C30W12F200等級水工混凝土,水膠比0.4,小石∶中石=45∶55,砂率35%,減水劑和引氣劑摻量1.2%、0.1%,滲透結(jié)晶摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%,試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 制作養(yǎng)護(hù)

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試件的制作與養(yǎng)護(hù),具體流程為:將粗、細(xì)骨料倒入強(qiáng)制攪拌機(jī)干拌60→加入滲透結(jié)晶、水泥和纖維干拌60s→加水濕拌180s→拌合均勻后裝模,移到振動臺振動30s→養(yǎng)護(hù)室標(biāo)養(yǎng)24h拆模成型。

2 結(jié)果分析

2.1 抗拉與劈拉強(qiáng)度

將成型后的邊長150mm立方體試件標(biāo)養(yǎng)28d,采用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)按照試驗(yàn)規(guī)程測定各組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,如圖1所示。

(a)抗壓強(qiáng)度 (b)劈拉強(qiáng)度

從圖1可以看出,未摻滲透結(jié)晶P0組的劈拉、抗壓強(qiáng)度為2.24MPa和42.6MPa,摻P0.5～P2.5%滲透結(jié)晶組劈拉、抗壓強(qiáng)度處于2.10MPa～2.78MPa和44.3MPa～53.7MPa。劈拉、抗壓強(qiáng)度最大值為摻1.0%滲透結(jié)晶組的2.78MPa和53.7MPa,相較于未摻基準(zhǔn)組分別提高24.1%和26.1%。滲透結(jié)晶占膠材用量最多只有2.5%,膠材仍然是試件強(qiáng)度的主要來源,且膠凝材料水化產(chǎn)物強(qiáng)度遠(yuǎn)高于滲透結(jié)晶,故滲透結(jié)晶對混凝土強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用有限。

隨滲透結(jié)晶摻量的提高劈拉和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,這是因?yàn)樵谟不^程中滲透結(jié)晶會與水生成能夠填充孔隙或裂縫的結(jié)晶體,從而提高了水泥基體密實(shí)度和強(qiáng)度。摻量超過2.0%時(shí)滲透結(jié)晶的增強(qiáng)作用下降,這是因?yàn)闈B透結(jié)晶摻量較高而基體內(nèi)部的微裂縫、孔隙有限,多余的活性物質(zhì)處于休眠狀態(tài),分散在基體內(nèi)部形成一定孔隙,從而使得基體強(qiáng)度增幅變緩。

2.2 極限拉伸值與彈性模量

將拌合物制成300mm×Φ150mm圓柱體標(biāo)養(yǎng)28d,采用標(biāo)準(zhǔn)8字試樣按照試驗(yàn)規(guī)程測定各組試件極限拉伸值和靜壓彈性模量,如圖2所示。

(a)壓縮模量

從圖2可以看出,摻P0.5～P2.5%滲透結(jié)晶組壓縮彈模、拉伸彈模、極限拉伸值處于32.1GPa～35.2GPa、32.4MPa～35.7MPa和1.22×10-4～1.34×10-4之間,壓縮彈模略低于拉伸彈模。滲透結(jié)晶的摻入在不同程度上提高了試件的極限拉伸值、拉伸彈模和壓縮彈模,隨著摻量的增大增幅表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,摻0.5%滲透結(jié)晶組的極限拉伸值、拉伸和壓縮彈模較基準(zhǔn)組增大約10%。

2.3 抗?jié)B性能

將拌合物制成高150mm×下口Φ185mm×上口Φ175mm的圓錐體標(biāo)養(yǎng)28d,參照現(xiàn)行規(guī)范逐級加壓至1.3MPa,維持最大水壓力8h,觀察混凝土表面滲水情況,加壓后劈開試件測定平均滲水高度如圖3所示,依據(jù)規(guī)范計(jì)算各組試件均達(dá)到W12抗?jié)B等級。

圖3 不同滲透結(jié)晶摻量的試件滲水高度

從圖3可以看出,P0～P2.5組試件的平均滲水高度處于25.0mm～65.2mm范圍,均低于試件高度150mm。隨滲透結(jié)晶摻量的增大水工混凝土滲水高度逐漸減小,表明摻入滲透結(jié)晶可以明顯改善抗?jié)B性能。一方面,滲透結(jié)晶均勻分散到試件表面和內(nèi)部,養(yǎng)護(hù)過程中表面的結(jié)晶能夠形成沉淀,從而發(fā)揮一定的防水作用;另一方面,通過混凝土中的微裂縫、毛細(xì)管等環(huán)境水逐漸向內(nèi)部滲透,未完全水化的水泥膠凝體會與滲透結(jié)晶中的活性物質(zhì)反應(yīng)生成穩(wěn)定的結(jié)晶體,對內(nèi)部毛細(xì)孔道起到填充效用,有利于抑制外界水體的滲透。

2.4 抗凍性能

將拌合物制成400mm×100mm×100mm的棱柱體標(biāo)養(yǎng)24d,然后取出浸入(20±2)℃的水中浸泡4d,總齡期達(dá)到28d時(shí)利用快凍法測定各組試件的抗凍性能,設(shè)定最大凍融次數(shù)200次,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 抗凍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知,在水工混凝土中摻入滲透結(jié)晶可以改善其抗凍性能,滲透結(jié)晶的作用效果隨凍融次數(shù)的增加而增大。隨滲透結(jié)晶摻量的增大各組試件的質(zhì)量損失率逐漸減小,經(jīng)200次凍融后摻2.5%滲透結(jié)晶組的質(zhì)量損失率只有1.49%。隨滲透結(jié)晶摻量的增大各組試件的相對動彈模量逐漸增加,經(jīng)200次凍融后摻2.5%滲透結(jié)晶組的相對動彈模量僅減小7%。這是由于滲透結(jié)晶的摻入可以明顯改善抗?jié)B性能,均勻分布在試件內(nèi)部和表面的沉淀晶體阻礙了環(huán)境水向內(nèi)部的滲透,從而顯著改善了其抗凍性能。綜上分析,水工混凝土摻1.0%滲透結(jié)晶時(shí)具有較好的耐久性和強(qiáng)度,可以為水利工程裂縫修復(fù)及滲透結(jié)晶材料的研究應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[13]。

3 結(jié) 論

1)隨著滲透結(jié)晶摻量的增大試件劈拉、抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,摻1.0%滲透結(jié)晶組相較于未摻基準(zhǔn)組的劈拉、抗壓強(qiáng)度分別提高24.1%和26.1%,進(jìn)一步增大摻量至2.0%后,滲透結(jié)晶對強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用減弱。

2)滲透結(jié)晶的摻入在不同程度上提高了試件的極限拉伸值、拉伸彈模和壓縮彈模,且隨著摻量的增大增幅均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,摻0.5%滲透結(jié)晶組相較于基準(zhǔn)組增大約10%。

3)在水工混凝土中摻入滲透結(jié)晶可以改善其耐久性能,隨著滲透結(jié)晶摻量的增大試件滲水高度和質(zhì)量損失率均逐漸減小,相對動彈模量逐漸增大,混凝土摻1.0%滲透結(jié)晶時(shí)的耐久性和強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。