摘　要:水庫、水閘、渡槽等水位波動區域的混凝土,在正負溫交替變化情況下會因頻繁凍融循環而受到剝蝕。現針對這種凍融剝蝕的破壞機理,分析影響混凝土抗凍性能的幾種因素,并列舉在工程上的應用實例以說明可以正確規避相關因素的影響,防止混凝土因頻繁凍融而受到剝蝕。

關鍵詞:混凝土;抗凍性能;凍融;含氣量;質量損失;相對動彈性模量

中圖分類號: TU528; TU502 + 4　　　文獻標識碼: B　　　文章編號: 1008 - 3707 (2007) 05 - 0050 - 03

　　近年來,隨著人們對混凝土耐久性認識的日益提高,在各種設計規程中,均把耐久性列為混凝土的一項重要指標,尤其在一些大中型工程中,更加重視混凝土的耐久性問題。耐久性指標包括抗凍性、抗滲性、抗碳化、抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等,各項指標之間密切相關,本文主要探討的是抗凍性能。

　　根據現有研究成果,混凝土凍融破壞機理是:在0°C以下時,凍害從溫度較低的表層開始,表層毛細管中的水先凍結,伴隨這種相變產生膨脹壓力;剩余的水分遷移至附近的孔隙和毛細管中,在水的運動過程中,產生液體壓力;隨溫度的進一步降低,內部混凝土與孔徑更小孔隙中的水分也開始凍結,混凝土體積持續膨脹。解凍后,有一部分膨脹仍然殘留下來,產生凍融劣化,硬化水泥石的組織結構發生破壞,動彈性模量下降,抗拉強度降低,嚴重的時候產生剝蝕破壞。

1　影響因素分析

　　通過一組試驗,我們來分析各種因素對混凝土抗凍性能的影響,找出提高混凝土抗凍性能的有效方法。

1. 1　試驗設計原理

　　本次試驗以混凝土實體試件進行,采用二級配混凝土。試驗設備能達到《水工混凝土試驗規程(DL /T 515022001) 》的要求;試驗方法也按《水工混凝土試驗規程》進行[ 1 ] 。試驗采用同品種水泥,當水灰比、骨料、外加劑中的一個發生變化時,來分析上述三種因素對混凝土抗凍性能的影響。

1. 2　試驗中的原材料

　　(1)水泥:浙江尖峰42. 5級普通硅酸鹽水泥,試驗結果見表1。

　　(2)砂石料: 采用碎石與卵石兩種,試驗結果見表2。

　　(3)外加劑為杭州國力混凝土外加劑廠生產的LN22000高效減水劑, 河北省混凝土外加劑廠的DH9及普通木鈣引氣劑,試驗結果見表3。

1. 4　抗凍性能試驗結果

　　經過凍融循環后,上述混凝土配合比的相對動彈性模量與質量損失率有了明顯的差異,結果見表5。

1. 5　試驗結果探討

　　表5數據顯示,水灰比小于0. 5時質量損失在100個循環內都能達到要求,影響抗凍性能的關鍵指標為相對動彈性模量。下面僅以相對動彈性模量為依據來分析各因素對混凝土抗凍性能的影響。

　　(1)水灰比是決定混凝土組織結構致密性與孔結構特征的基本因素,水灰比越小,養護越好,混凝土越致密,其中的孔隙與毛細管越少,滲水通道越少。一般情況下,混凝土的抗凍性能隨著水灰比的減小而提高。圖1中SY3與SY4曲線可證明上述論點。

　　(2)混凝土中加入引氣劑后,產生了均勻穩定、互不相通的微小氣泡。這些小氣泡不僅部分阻斷了混凝土內的開口連通孔隙,同時在混凝土孔隙中的自由水凍結膨脹時,小氣泡被壓縮,從而可以緩沖冰凍給孔隙帶來的脹壓力,溶解時氣泡又可恢復原狀。

　　木鈣對提高抗凍性能不理想的原因是:混凝土摻加減水劑與DH9后,混凝土內形成的是微小密閉的氣泡,氣泡間隔系數約為200 μm;而加入木鈣的混凝土內產生的氣泡直徑較大,氣泡間隔系數約為430μm。在含氣量一定時,氣泡、間隔系數越大,則氣泡數量就少,因而在阻斷開口孔隙與緩沖脹壓力方面的效果就越差。

　　圖1中SY2與SY3曲線,說明在加入同一種外加劑時,含氣量越大,抗凍性能越好。

　　圖1中SY1與SY3曲線,盡管SY1的含氣量略低,但還是能說明氣泡性質是影響混凝土抗凍性的重要因素。

　　(3)骨料內部孔隙過多過大,吸水率偏大,堅固性差,凍融時骨料內存在的脹壓力就越大,對骨料自身的破壞性也越大。破壞時,骨料與水化硅酸鈣間出現裂縫,嚴重時骨料自身破裂,表面砂漿嚴重剝離。因而吸水率較大的骨料對混凝土抗凍性能的影響同樣不可忽視。圖1中SY3與SY5曲線很清晰的說明了上述觀點。

　　綜合以上分析可知,影響混凝土抗凍性能的主要因素為: ①混凝土內的氣泡情況; ②水灰比; ③骨料情況。

2　工程應用

　　浙江義烏巧溪水庫除險加固工程是浙江省重點水利工程之一,大壩為混凝土面板堆石壩。堆石體空隙大,不具備防滲能力,防滲功能主要由面板來承擔;同時,混凝土面板又處在水位波動區,存在遭受凍融剝蝕的可能。因此,面板的耐久性將直接影響到整個工程使用年限。

　　面板混凝土設計強度等級為C25W8F100,采用浙江尖峰42. 5級普通硅酸鹽水泥,吸水率較小的天然砂和碎石,以及杭州國力混凝土外加劑廠生產的LN22000高效減水劑和河北省混凝土外加劑廠的DH9,原材料試驗均能達到相應規范的要求。通過試驗,得出的實驗室配合比見表6,

28 d后,測得的立方體抗壓強度為34. 5 MPa;耐久性試驗中,抗滲、抗凍均超過設計等級。

3　結　語

　　混凝土凍融破壞是水工混凝土建筑物在運行過程中產生的主要病害之一,而提高混凝土抗凍性的重要途徑是增加混凝土密實性,阻斷混凝土中的開口連通孔隙[ 2, 3 ] 。因此,在設計混凝土配合比時,只要適當減小水灰比,摻入適量的減水劑和優質引氣劑,就能滿足混凝土的抗凍要求。與此同時,選擇吸水率較小的堅硬骨料,對提高混凝土抗凍性則有事半功倍的作用。

參考文獻

　　[ 1 ] 　李金玉,曹建國. 水工混凝土耐久性的研究和應用[M ]. 北京:機械工業出版社, 2004.

　　[ 2 ] 　馮乃謙. 高性能混凝土結構[M ]. 北京: 中國電力出版社,2004.

　　[ 3 ] 　蒲心誠. 超高強高性能混凝土[M ]. 重慶:重慶大學出版社,2004.