摘 要:北方寒冷地区,混凝土的抗冻性能直接影响着工程质量耐久性。通过某工程C30F300 混凝土配合比配选,就如何在满足混凝土抗冻耐久性和强度要求情况下,本着合理经济为原则,对外加剂掺量进行优化研究,并根据具体工程提出了混凝土外加剂的合理掺量。
关键词:抗冻性;外加剂;掺量;合理性
中图分类号: TV42 + 3 文献标识码:A
0 引 言
冻融破坏是北方地区水利建设的突出问题之一,而混凝土抗冻融破坏能力是评价水工混凝土耐久性的一个重要指标。1985 年原水电部组织的一次全国性的水工混凝土建筑物老化病害调查中,包括大坝、水闸、溢洪道等70 余座水工混凝土建筑物,有22 %的大型水库混凝土工程(大坝) 存在混凝土的冻融破坏,并有21 %的中小型水工钢筋混凝土工程(水闸等) 也存在混凝土的冻融破坏,每年因为水工混凝土冻融病害给国家造成的直接和间接经济损失非常巨大。尤其在北方地区,工程所处环境恶劣,且经济欠发达,因此混凝土抗冻性能对工程质量及耐久性和效益影响巨大。为了提高水工混凝土的抗冻性能,保证水利工程的质量, 本文以西藏索县水电站改造工程中C30F300 为例,就如何在经济合理的前提下提高水工混凝土的耐久性能,通过大量的试验对抗冻混凝土外加剂掺量的合理选取进行探讨,供北方同类工程作参考。
1 原材料及试验内容
1. 1 原材料
1. 1. 1 水 泥
水泥各项性能满足GB17521999 规程要求,见表1 。
1. 1. 2 骨 料
粗骨料为河卵石,粒径为5～20 mm、20～40 mm 的连续级配,石料比重2. 68 g/ cm3 ;细骨料为河砂,细度模数2. 62 ;比重2. 63 g/ cm3 ;含泥量1. 2 %;骨料各项指标满足DL515122001 规程要求。
1. 1. 3 外加剂
减水剂为咸阳宏达外加剂厂的FDN 高效减水剂;引气剂为咸阳安峡外加剂厂的CRS 引气剂;粉煤灰采用渭河发电厂Ⅱ级粉煤灰。
1. 1. 4 水
水为清洁自来水。
1. 2 试验内容
按照现行混凝土试验规范测取新拌混凝土坍落度和含气量,并根据《水工混凝土试验规程》(DL/ T515022001) 对28 d 龄期混凝土进行抗冻试验;按照《普通混凝土力学性能试验方法》( GBJ81285) 测量同龄期的抗压强度和抗拉强度。通过不同引气剂、减水剂、粉煤灰掺量以及不同水灰比对抗冻混凝土的强度以及抗冻性的影响,分析研究在不同情况下混凝土的强度和抗冻性能,对外加剂的掺量进行选取。
2 试验结果分析
2. 1 不同水灰比普通混凝土性能
普通混凝土试验采用4 个水灰比: 0. 40 、0. 45 、0. 50 、0. 55进行研究,各种材料用量见表2 ,普通混凝土性能见表3 。
由表3 可以知,随着混凝土水灰比的增大,混凝土的含气量逐渐降低,且普通混凝土的含气量一般在2 %以左右,主要在混凝土的搅拌过程中带进来的,因为气泡的结构不好,对混凝土的抗冻起不到作用。水灰比与气泡大小和间距有着很大关系,在含气量相近的情况下,水灰比越大,气泡间距和尺寸就越大,因而混凝土的抗冻性也随着水灰比增大逐渐减弱。尽管普通混凝土的强度都能保证在30 MPa 以上,但由于水工混凝土对抗冻性的特殊要求,仅仅考虑强度已不能够满足工程需要。就水灰比为0. 40 的混凝土来说,其强度近40 MPa ,但经过100次冻融循环后混凝土失重率已超过5 %。因此普通混凝土尽管强度有所保证,但并不能满足水工混凝土抗冻要求。
2. 2 引气剂对混凝土性能影响
为了满足水工混凝土的抗冻要求,提高混凝土的抗冻耐久性能,必须提高混凝土的含气量。为比较引气剂的作用效果,笔者在普通混凝土的基础上加入2/ 万的引气剂,各种材料用量见表4 ,引气混凝土性能见表5 。
从表5 可以看出,在普通混凝土中掺加入2/ 万的引气剂后,混凝土的含气量普遍得到提高,保持在4 %左右。尽管混凝土的强度有所降低,但幅度并不大,抗压强度在1 %以下,抗拉强度仅在1 %左右。但混凝土的抗冻性得到很大提高,水灰比为0. 40的混凝土由原来的抗冻次数100 次提高到250 次以上;水灰比为0. 45 的混凝土抗冻性由原来不足50 次提高到250 次。尽管没有达到要求的抗冻300 次,但从表4 可以看出0. 45 水灰比要比0. 40 水灰比的混凝土每m3 少用了30 kg 水泥,起到了节约的目的。不仅如此,引气剂兼有的减水效果使新拌混凝土坍落度也有了明显提高,和易性的改善更方便工程施工。
2. 3 引气剂掺量的选取
试验表明,引气剂能够显著提高混凝土的抗冻性能,但引气剂对混凝土强度的负面影响必须加以考虑,如何在水灰比一定的条件下选取合适的引气剂掺量才更有利于混凝土性能的全面发挥,本文就相同的水灰比下掺加不同的引气剂进行研究。不同引气剂混凝土性能见表6 。从表6 可知,混凝土的含气量随引气剂的增加而增大,尽管含气量在增大,但混凝土的抗冻次数并没有完全随着增大。引气剂在1. 0/ 万到2. 0/ 万间,最大抗冻次数呈上升趋势,由200 次增大到了250 次;但引气剂由2. 0/ 万增加到3. 0/ 万间,最大抗冻次数又呈递减趋势,由250 次降低到150 次。这是因为引气剂加入对混凝土强度的负面影响,因为混凝土的抗冻性不仅与混凝土的含气量有关而且与混凝土的强度特别是抗拉强度有着直接关系。随着引气剂的增加混凝土的强度在逐渐降低,因为混凝土内部含气量的增多,影响混凝土的抗拉强度。当混凝土受冻时,混凝土内部毛细管就会有膨胀的趋势,而当这种膨胀力超过了混凝土的抗压强度时,就会对其周围的浆体产生破坏,发生冻胀。因此在不加其他外加剂情况下,0. 45 水灰比达到最大抗冻效果的引气剂掺量为2. 0/ 万,而其他水灰比的引气剂掺量由实验确定。
2. 4 减水剂掺量的选取
由于混凝土的抗冻性不仅与混凝土的含气量有关,且与混凝土的强度和水灰比也有着直接的关系,以上研究已经证明,在水灰比为0. 45 情况下,如果要满足抗冻次数为300 次,那么就势必要降低混凝土的水灰比,水量一定时,水灰比的降低就要增加水泥的用量,这样就会造成浪费,给当地的经济增添负担。大量研究表明混凝土28 天龄期水泥水化用水仅为水泥质量的20 % ,而多余的水分大多以游离状态存在于混凝土的孔隙中,会给混凝土的抗冻性造成隐患。在此情况下,就要掺入适量的减水剂,因为减水剂能在水泥量不变情况下有效减少用水量,达到与减小水灰比同效的作用。水泥用量保持不变,不同掺量减水剂对抗冻混凝土影响见表7 。
表7 表明在引气剂掺量一定情况下,混凝土的强度随着减水剂掺量的增加逐渐增大,且混凝土的最大抗冻次数也随着增加,当减水剂掺量为0. 5 %时达到最高的300 次。以后随着减水剂量的增大混凝土的强度虽然也在缓慢增加,但混凝土的最大抗冻次数却并没有提高,因为减水剂的减水增强效果存在一定的极限,超过了此极限值,效果就会减弱。根据工程要求,满足混凝土抗冻指标的配合比应选择水灰比为0. 38 ,但在此配合比下,混凝土的强度为42. 0 MPa ,远超过设计强度,强度过多富余,造成不必要的浪费,且因水泥量偏大产生的大量水化热不利于工程的安全。
2. 5 粉煤灰掺量的选取
从工程的质量安全和建设的经济性考虑,作者在原有的配合比基础上掺加适量的粉煤灰做进一步研究。粉煤灰作为水泥以外的胶凝材料,适量的掺入可以改善混凝土的和易性,降低水泥水化热,减少裂缝发生。粉煤灰对混凝土性能影响见表8。
从表8 可知,粉煤灰加入后,混凝土的含气量随着粉煤灰量的增大而降低,这是因为粉煤灰颗粒吸附一定量的引气剂和减水剂,从而减弱了引气效果和减水功能。但因为粉煤灰替代了部分水泥,可以降低水泥用量,且粉煤灰作为工业废料,价格低廉,可以达到节约目的。而且在不影响混凝土的抗冻性能的前提下,粉煤灰的掺量增加到水泥量的20 %时,混凝土的最大抗冻次数为300 次,强度达到35. 8 MPa ,仍能满足设计要求。
3 结 语
(1) 引气剂能够显著提高混凝土的抗冻性,但在水灰比一定情况下,混凝土的抗冻标号与引气剂掺量关系不成正比,随着引气剂掺量的增加,先升高而后降低,因此引气剂的合理掺量应依据试验确定。
(2) 减水剂能够减少混凝土单位体积用水量,提高混凝土强度和抗冻性,但减水剂掺量存在极限,超过该极限不仅作用不明显,混凝土抗冻性也得不到提高。
(3) 粉煤灰掺量可以在保证混凝土抗冻性和强度的前提下选取规范规定的上限,建议尽量采用活性成分较高的Ⅱ级或Ⅱ级以上粉煤灰,以便有利于混凝土质量保障。
(4) 依据本工程要求,满足C30F300 的外加剂合理掺量为:引气剂掺量2/ 万,减水剂掺量为0. 5 % ,粉煤灰掺量20 %。
参考文献:
[1] 李金玉,曹建国. 水工混凝土耐久性研究和应用[M] . 北京:中国电力出版社,2004.
[2] 韩苏建,曹四伟. 混凝土冻融破坏试验报告[ R] . 陕西杨凌:水利部西北水利科学研究所,2000.
[3] DL/ T 515022001 ,水工混凝土试验规程[ S] . 北京:中国电力出版社,2001.
[4] 李金玉. 混凝土冻融破坏机理研究[J ] . 水利学报,1999 , (1) .
[5] 蔡正咏. 混凝土的性能[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1994.
