礦渣-粉煤灰復(fù)合材料混凝土抗凍融性能研究

摘 要：為提高冰凍環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性，減少混凝土凍融損傷，本文利用F-S代替普通水泥制備混凝土，采用快速凍融試驗(yàn)測量混凝土的損傷過程，評價(jià)混凝土氯離子的滲透性和導(dǎo)電特性，并建立了混凝土抗凍耐久性系數(shù)與混凝土宏觀性能的關(guān)系。結(jié)果表明：與普通混凝土相比，F(xiàn)-S混凝土的電阻率顯著升高，在經(jīng)過凍融循環(huán)后，摻合料混凝土導(dǎo)電性仍然較低?；炷恋目箖瞿途眯韵禂?shù)（DF）與凍融循環(huán)次數(shù)、抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電阻率間有顯著的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可為寒冷混凝土配合比設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：礦渣-粉煤灰混凝土；凍融循環(huán)；電阻率；抗凍耐久性系數(shù)

中圖分類號：TU 37" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于大量混凝土結(jié)構(gòu)暴露在冬季嚴(yán)酷的條件下，嚴(yán)重破壞了混凝土結(jié)構(gòu)，因此需要對其進(jìn)行修復(fù)?；炷恋膬鋈谀途眯允怯绊懞畢^(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素[1-2]，為保護(hù)混凝土免受凍融損傷，許多研究分析了凍融作用下混凝土材料性能的影響因素。研究表明：分布均勻的空隙可以釋放凍脹壓力，提高抗凍融能力[3]。因此，配制孔隙較低的混凝土，將大大延長混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命。隨著輔助膠凝材料的使用，粉煤灰、硅灰、磨粒高爐渣、稻殼灰、聚丙烯纖維等摻加劑逐漸加入混凝土中，既能提高混凝土的滲透性，又能提高混凝土的抗凍融性能。加入粉煤灰可以降低混凝土對流體的滲透性，控制鈣浸出[4]。摻加礦渣（水泥質(zhì)量的30%）是提高混凝土抗氯離子性能的有效途徑[5]。在混凝土結(jié)構(gòu)中加入10%～30%的粉煤灰-礦粉復(fù)合材料可以使抗壓強(qiáng)度更高、滲透性更低、耐酸性更高[6]。

本文通過研究混凝土在凍結(jié)和解凍過程中性能的演變行為，分析摻加F-S混合料對混凝土性能的改善作用。通過分析F-S改性混凝土的凍融耐久性，為寒冷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的施工和維護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料及試件制備

試驗(yàn)使用的水泥為PO42.5級水泥，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦渣為S95級粒化高爐礦渣。研究采用的混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶骨料=350kg∶175kg∶619kg∶1256kg。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）的要求，將水泥、粉煤灰、礦渣混合后與細(xì)、粗骨料攪拌。將混合均勻的混凝土裝入尺寸為100mm×100mm×400mm（高×寬×長）的模具中。在24h后將試件脫模，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為20℃±2℃，相對濕度大于95%）養(yǎng)護(hù)。為研究FS作為摻加劑對混凝土性能的影響，本研究制備了含有10%、30%和50%FS的改性混凝土混試件，將其分別記為FS0、FS10、FS30和FS50。

1.2 試驗(yàn)方法及過程

采用快速凍融循環(huán)試驗(yàn)測試混凝土凍融過程中的性能變化，每個(gè)凍融循環(huán)包括在3h內(nèi)將試樣溫度從4℃降至-18℃和從-18℃升至-4℃。每隔25個(gè)凍融周期，將樣品從設(shè)備中取出，然后對質(zhì)量、動彈性模量、電阻率、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

1.2.1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

采用快速氯離子遷移（RCM）方法來確定混凝土樣品中氯離子擴(kuò)散過程，測試試件尺寸：厚度為50mm，直徑為100mm。

1.2.2 電阻率

采用四探頭Resitest-400型電阻率測定儀測量混凝土試件的電阻率。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—

2005）的要求，使用2000kN電液伺服抗壓測試系統(tǒng)（YAW-YAW2000A）測量混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度，加載速率為0.5MPa/s，每組3個(gè)試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量損失

根據(jù)凍融后混凝土試件表觀的變化過程，可以看出隨著凍融循環(huán)繼續(xù)，混凝土表面蜂窩空洞形成，導(dǎo)致質(zhì)量發(fā)生變化。本文得到了所有試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量變化，用質(zhì)量損失率來評價(jià)混凝土試件在凍融循環(huán)作用下的損傷，如公式（1）所示。

（1）

式中：Dc凍融循環(huán)后試樣的質(zhì)量損失率，%；mcn為第n次凍融循環(huán)后試樣的質(zhì)量，kg；mc0為凍融試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量，kg。

混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)的關(guān)系如圖1所示，由圖中可以看出：FS0、FS10和FS50混凝土試件的質(zhì)量損失逐漸增加。然而，含有30%FS的混凝土試件在整個(gè)凍融作用過程中質(zhì)量輕微增加。在經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，F(xiàn)S0的質(zhì)量損失最大，為5.13%，F(xiàn)S10次之，為2.83%，F(xiàn)S50為0.85%。而經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，F(xiàn)S30的質(zhì)量增益為0.51%。這歸因于FS混凝土中致密的微觀結(jié)構(gòu)，F(xiàn)S顆粒尺寸更小，可填充混凝土內(nèi)部的較大孔隙，使混凝土內(nèi)部的破壞和質(zhì)量損失更小，質(zhì)量的演變過程證實(shí)了孔隙率降低可有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能。

2.2 氯離子擴(kuò)散特性

凍融損傷加速了混凝土的劣化過程，嚴(yán)重影響混凝土中離子的傳輸性能，圖2給出了普通混凝土和FS改性混凝土試件經(jīng)過凍融循環(huán)后氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。

如圖2所示，在凍融試驗(yàn)過程中，F(xiàn)S0、FS10和FS30的氯離子擴(kuò)散系數(shù)都在增加，與凍融前相比，普通混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在75次凍融循環(huán)后增加了200%。結(jié)果表明，加入FS確實(shí)對凍融作用過程中混凝土中氯離子的傳輸過程有影響。而摻加50% FS混凝土試樣在75次凍融循環(huán)后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅下降26%，這是由FS改性混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)化所致。

2.3 混凝土電阻率

混凝土中鋼筋腐蝕是一個(gè)電-化學(xué)過程，電阻率較高的混凝土能夠更好抵抗離子侵入，從而減少鋼筋腐蝕，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。因此，在惡劣環(huán)境下，提高混凝土電阻率是提升其抗侵蝕性能的關(guān)鍵因素。本文獲得了混凝土在凍融循環(huán)作用后的電阻率變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，加入FS顯著提高了混凝土的電阻率，在凍融作用下混凝土電阻率的改善效果與FS摻加量成正比，因此，F(xiàn)S摻加劑會影響復(fù)合材料的電學(xué)性能。此外，多次凍融作用對混凝土的電阻率有負(fù)面影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同混合物的電阻率降低。FS含量為50%的混凝土試件電阻率最佳，F(xiàn)S含量為30%的混凝土試件電阻率次之。在經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，與普通混凝土相比，含有50%FS混凝土的電阻率降低了64%，經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，電阻率降至29%。

2.4 抗壓強(qiáng)度

圖4為混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，由圖中可以看出，摻加30%和50%FS混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度較小。普通水泥混凝土經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度降低46%，摻加50%FS混凝土抗壓強(qiáng)度下降12%。

2.5 混凝土抗凍耐久性

采用抗凍耐久性系數(shù)對加FS和不加FS混凝土的抗凍耐久性進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：DF為混凝土抗凍耐久性系數(shù)，無量綱；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次；E/E0為混凝土經(jīng)過N次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量，無量綱。在不同凍融循環(huán)作用后，得到混凝土相對動彈性模量變化和混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的DF試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，F(xiàn)S摻量為30%的混凝土對抗凍耐久性改善效果最好。

研究凍融循環(huán)前后對普通混凝土和含F(xiàn)S試件DF與其宏觀性能的關(guān)系。結(jié)果顯示，在凍融作用下，DF與普通混凝土和FS改性混凝土的孔隙率值呈線性關(guān)系，這表明混凝土的孔隙率隨抗凍耐久性系數(shù)增加而呈線性增加。摻加50%的FS混凝土在凍融作用過程中孔隙率最低。普通混凝土和FS改性混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與DF呈線性關(guān)系，說明混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨抗凍耐久性系數(shù)線性減少。摻加5%FS混凝土在凍融作用過程中氯離子擴(kuò)散過程最緩慢?；炷猎嚰趦鋈谘h(huán)前后DF與抗壓強(qiáng)度存在線性關(guān)系，摻加30% FS的混凝土試樣和摻加50% FS混凝土在50次凍融作用后抗壓強(qiáng)度最高。在凍融循環(huán)過程中DF與混凝土電阻率存在指數(shù)下降關(guān)系，混凝土電阻率隨抗凍耐久性系數(shù)呈指數(shù)下降，F(xiàn)S30的DF與電阻率間的關(guān)系與FS50非常接近。

3 結(jié)論

為研究FS對凍融作用下混凝土性能的影響，本文分別制備含有0%、10%、30%和50% FS的混凝土試件，并對其進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，分析了混凝土試件的質(zhì)量損失、氯離子擴(kuò)散和電阻率等特性，得到以下結(jié)論。1）FS的填充和活化作用提高了混凝土的耐久性，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，普通混凝土破壞嚴(yán)重，但含30%和50% FS的混凝土仍完好無損。 FS含量為30%和50%的混凝土試件在凍融試驗(yàn)過程中抗壓強(qiáng)度下降幅度較小，在125次凍融循環(huán)后，混凝土中摻加50%FS可使對照樣品的抗壓強(qiáng)度提高34%。2）在經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，與對照樣品相比，50% FS混凝土樣品的電阻率提高了64%；含有5% FS的混凝土樣品中的氯化物擴(kuò)散系數(shù)與對照樣品相比降低了59%；125次凍融循環(huán)使30% FS改性混凝土與對照混凝土的動態(tài)彈性模量相差約23%。3） 抗凍耐久性系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和混凝土電阻率間存在相關(guān)關(guān)系，摻加30%和50%FS有利于提高混凝土的凍融耐久性。

參考文獻(xiàn)

[1]皇民，趙玉如，藺世豪，等.不同模數(shù)下堿礦渣混凝土斷裂凍融損傷分析[J].混凝土， 2021（6）：5.

[2]姜文鏹，劉清風(fēng).凍融循環(huán)下混凝土中氯離子傳輸研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2020，48（2）：258-272.

[3]陳新星，郭景秀，黃婧，等.摻鋼渣-礦渣-粉煤灰復(fù)合微粉混凝土凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（25）：122-125.

[4]楊文武，杜蓬娟，范偉，等.海工磨細(xì)礦渣混凝土的凍滲性與孔結(jié)構(gòu)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2020，39（7）：6.

[5]蒙華良，黃禧.膠凝材料對地質(zhì)聚合物混凝土的抗凍融循環(huán)性能的影響[J].水泥工程，2022（4）：8-11.

[6]汪堯，黎圣君，葉敏，等.凍融循環(huán)下混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化及力學(xué)損傷特性研究進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（14）：5853-5874.