骨料品种对水工混凝土抗冻性能的影响分析

　　摘    要：　冻融破坏是水工混凝土的重要破坏形式，具有影响因素的多元性和影响机理的复杂性。以混凝土骨料为切入点，利用试验研究的方法对不同岩性骨料混凝土的抗冻性能进行试验研究。结论显示，花岗岩和灰岩骨料混凝土的抗冻融性能最佳，同时也验证了混凝土试件气泡间距系数判断其抗冻性的可靠性。

　　关键词：　水工混凝土; 抗冻性; 冻融试验;

　　Abstract：　Freeze-thaw failure is an important failure mode of hydraulic concrete,which has multiple influencing factors and complex influencing mechanism. In this paper,the concrete aggregate as the starting point,the use of experimental research methods to test the frost resistance of different lithologies of aggregate concrete,the conclusion shows that granite and limestone aggregate concrete has the best frost resistance,and also verifies the reliability of the concrete specimen bubble spacing coefficient to judge its frost resistance.

　　Keyword：　hydraulic concrete; frost resistance; freeze-thaw test;

　　混凝土材料自产生以来，就凭借其工艺简单、成本低廉和优良的力学性能等诸多优势，成为工程建设领域使用最为广泛、用量最大的建筑材料[1]。随着建筑科技的迅速发展，我国已经成为世界上最大的水泥生产国和混凝土消费国。但是，受到制备技术等诸多因素的影响，我国混凝土的服役期限较发达国家仍有巨大差距[2]。究其原因，主要是混凝土结构抗冻融、渗透、侵蚀以及碳化的能力较低[3]。从我国的实际情况来看，有55%的国土面积处于冻融影响区域，特别是北方寒区，大坝的冻融损害十分严重，几乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的冻融破坏[4]。因此，提高寒冷地区水工混凝土的抗冻性能，具有重要的理论和工程实践价值。骨料是水工混凝土中使用最多、占比最大的材料，其特征和性能必然会对水工混凝土的性能产生显着乃至决定性的影响[5]。目前，关于骨料对水工混凝土抗冻性能的影响研究较少，且主要集中于轻骨料和再生骨料领域。基于此，本次研究选用水工混凝土领域最常用的5种不同岩性骨料进行冻融循环试验，探究骨料品种对水工混凝土抗冻性能的影响。

　　1 、试验设计

　　1.1 、试验材料

　　试验用水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，通过对水泥样品的实验室检测，其物理性能和化学成分均满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)的相关技术指标要求。试验中选用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，样品的品质检验结果显示，其各项性能均满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055-2007)要求。研究中使用的混凝土外加剂为PCA-2型聚羧酸高性能减水剂，引气剂选用的是南通新科有限公司生产的GYQ引气剂，性能检测结果显示其完全满足《混凝土外加剂》(GB 8076-2008)的相关要求。
 

　　试验用细骨料采用的是天然河沙，其表面密度为2 750 kg/m3，细度模数为2.77，石粉含量为5.2%，满足《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144-2014)的相关技术要求;试验用粗骨料根据试验要求选用花岗岩、石灰岩、凝灰岩、卵石和沙板岩5种不同岩性的骨料，试验采用4级骨料级配。

　　1.2 、试验方案

　　为了获取不同种类骨料对水工混凝土抗冻性能的影响，本次研究选用花岗岩(HGY)、凝灰岩(NHY)、灰岩(HY)、卵石(LS)以及砂板岩(SBY)5种不同岩性骨料制作试件，进行冻融循环试验[6]。试验结合水工混凝土施工规范和相关工程经验确定配合比。其中，水胶比为0.4;粉煤灰掺量为29.5%;通过减水剂和引气剂的适量掺入，使拌制好混凝土的含气量和塌落度满足相关设计施工要求，其具体设计见表1。

　　表1 不同骨料试验方案

　　2 、实验过程

　　2.1 、试件制作

　　试验过程中，混凝土试件的制作采用机械拌和，拌和时间为2～3 min，对机械拌和后的混凝土拌和物再利用手工翻拌几次，保证其均匀度。将拌制好的混凝土拌和物装入规格为100 mm×100 mm×400 mm试模内，然后利用振动台振实。在试件成型之后，将上表面沿着模口抹平。在混凝土终凝后2 d后拆模，然后将试件利用标准条件养护24 d，然后放入水中浸泡4 d后即可进行冻融循环试验。

　　2.2、 试验方法

　　研究中采用快冻法进行试件的冻融循环试验[7]，具体方法为:将浸泡后的试件擦干净表面的水分，测定初始质量和自振频率，并将其作为抗冻性能评价的初始值。然后，将试件放入预先准备好的试验盒内，并在盒内注水至没过试件顶面约20 mm，并通过调节温度进行冻融循环试验，每25次冻融循环试验进行一次质量和自振频率测定。试验停止的条件为试验次数达到200次或相对动弹模量下降至初始值的60%[8]。其中，相对动弹模量的计算公式为:

　　式中:P为相对动弹模量，%;f0为试件的初始自振频率，Hz;fn为n次冻融循环试验后的试件自振频率，Hz。

　　将试件沿着与浇筑面垂直的方向切割，并将切面研磨抛光，然后使用RapidAir 457混凝土气孔结构分析仪进行气泡参数确定。

　　3、 试验结果与分析

　　3.1、 抗冻试验结果与分析

　　按照上节确定的试验方案和方法进行试验，根据试验中获取的数据进行计算，获得图1所示的试件质量损失率和图2所示的相对动弹模量。

　　图1 质量损失率变化曲线

　　由图1可知，在进行25次冻融循环试验之后，试件的质量损失率呈现出小幅增长;在试验50次之后，质量损失率仍呈现出小幅提高的态势;而试验次数100次之后，试件的质量损失率成明显的加速增长态势，说明试件表面的剥蚀速度明显加快。不同岩性骨料的混凝土试件在抗冻性能方面存在一定的差异，在相同试验次数条件下，质量损失率由大到小的排列顺序为SBY,NHY,LS,HY,HGY。

　　图2 相对动弹模量变化曲线

　　由图2可知，试件的相对弹模在试验过程中呈现出基本不变、小幅降低和加速下降的态势。具体而言，在前25次冻融循环试验中，试件的相对动弹模量基本不变，然后开始缓慢下降;在150次冻融循环试验后开始加速下降;在200次试验之后损失率大于60%。从不同岩性骨料的对比来看，其相对动弹模量变化存在一定差异，试件的相对动弹模量从大到小排列顺序为HGY,HY,LS,NHY,SBY。

　　总之，从质量损失率和相对动弹模量两个主要指标来衡量试件的抗冻能力，其由大到小的排列顺序为:HGY,HY,LS,NHY,SBY。因此，在其他条件相同时，花岗岩和灰岩骨料制作的混凝土具有相对较好的抗冻融性能。

　　3.2 、表面气泡测试结果与分析

　　利用上节确定的试验方法，利用RapidAir457混凝土气孔结构分析仪对不同岩性骨料的混凝土试件进行进行切片观测，结果见表2。

　　表2 试件表面气泡测定结果

　　由表2中的数据可知，含气量最高的是HGY混凝土试件，含气量最低的是SBY混凝土试件，含气量分别是7.31%和4.90%。由于仪器测试的气泡涵盖了混凝土自身空隙，因此结果略高;HGY混凝土试件的平均弦长值最小，为1.096 mm,HY混凝土试件的平均弦长值最大，为1.118 mm，相对而言，不同岩性骨料混凝土试件的气泡平均弦长值差距不大;随着混凝土试件的含气量的增加，试块内气泡的间距系数会逐渐变小。例如，含气量最高的HGY混凝土试件，其气泡间距系数最小，为1.103 mm，含气量最低的是SBY混凝土试件的气泡间距系数最大，为0.185 mm。

　　一般情况下，混凝土的含气量增加，则冻融循环过程中的剥蚀量会降低。因此，从含气量的视角来看，试件抗冻性能由强到弱的排序为:HGY,HY,LS,NHY,SBY。另一方面，混凝土试件的气泡间距系数越小，其抗冻性能越好，因此从气泡间距系数来看，试件抗冻性能由强到弱的排序为:HGY,HY,LS,NHY,SBY。由此可见，花岗岩和灰岩骨料混凝土的抗冻性能最佳。此外，本次研究也说明，在进行水工混凝土的抗冻性判断时，可以将气泡间距系数作为重要的判断依据。

　　4、结论

　　本次研究以混凝土的骨料为切入点，利用试验研究的方法对不同岩性骨料混凝土的抗冻性能进行试验研究，并获得如下主要结论:

　　1)从质量损失率和相对动弹模量两个指标来看，花岗岩和灰岩骨料制作的混凝土具有相对较好的抗冻融性能。
　　2)从含气量和气泡间距来看，花岗岩和灰岩骨料混凝土的抗冻性能最佳;在进行水工混凝土的抗冻性判断时，可以将气泡间距系数作为重要的判断依据。
　　3)花岗岩和灰岩骨料混凝土具有较好的抗冻性能，在条件允许的情况下，建议在北方寒区水工混凝土施工中应用。

　　参考文献

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