低强度抗冻抗渗混凝土配合比设计及其力学特性

文摘 2024-12-12 07:02 河南

西北寒冷地区，年平均冰冻期长，昼夜温差大，为保证水利水电工程质量，所用水工混凝土必须具备良好的抗冻性能。1985年原水电部组织的全国性水工混凝土病害调查结果显示，水利工程混凝土冻融破坏是我国北方地区水利工程建设的突出问题之一，而西北地区的混凝土冻融破坏问题尤其严重。青海省某装机容量为3x500kW的水电站地处高原大陆气候区，多年平均气温在零度以下，最低温度－31.1℃。因为工程原设计和施工对混凝土抗冻抗渗指标考虑不足，致使电站建成后运行不到2a，就因多部位混凝土发生严重冻融破坏而致使整个工程陷入瘫痪，给当地造成巨大经济损失和社会负面影响。因此，在西北地区提高混凝土的抗冻性，对保证水利混凝土工程运行安全尤为重要。

宁夏引黄灌区是我国具有悠久历史的特大型古老灌区，始建于秦汉，历代兴衰交替，建国后获得跨越式发展。经过50a的建设，宁夏引黄灌区成为我国北方地区面积最大的灌区之一。为了充分获得和利用水资源，采用混凝土防渗渠道和各类灌溉输水系统进行输水以减少在长线输水过程中的渗漏损失来提高输水效率。我国从20世纪50～60年代开始兴建各类混凝土输水防渗工程，其主要形式为混凝土防渗渠道，但在西北寒区这些混凝土防渗渠道存在着严重的冻胀破坏，不仅直接影响渠道的正常使用，而且增加了运行管理难度和工程修复费用，故在寒区节水农业技术的发展上，要想提高渠系水利用率，就必须正视渠道冻胀耐久性问题。自20世纪80年代以来，各地极为关注渠道防渗工程的冻胀问题，开展了多项试验研究，取得了一系列的研究成果，但是要想从本质上解决上述问题，必须从混凝土的配合比设计上着手，寻求适应当地环境特点的抗冻抗渗混凝土深入研究混凝土力学特性。

目前，对高抗冻抗渗混凝土的研究大多是以高强混凝土(强度等级在C50或C60以上)为基础，通过对其进行改性来达到提高抗冻抗渗性能的目的。一般来讲，这种混凝土多采用较小水灰比(一般不大于0.30)，混凝土中不仅要掺人高效引气剂和减水剂，还需加入超细硅粉或其他优质矿物质掺料，而且对所用粉煤灰的质量要求较高，必须达到I级标准。也有人用低热、高强度且孔隙率低的第二、三系列水泥，如铁铝水泥或贝利特低热硅酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥配制高抗冻抗渗混凝土，但由于这种高抗冻混凝土造价较高，大多还处于试验阶段，导致其实际推广应用受到限制。另外，西北地区常年气候偏干燥，经济不发达地区占有的面积较大，且待建的水利设施大多属中、小型水利工程，这部分混凝土结构往往受力较小，目的多为输水建筑物，这类工程对混凝土强度等级的要求相对较低(根据业内经验，通常将C30以下混凝土称为低强度混凝土，C30～C40混凝土为中等强度混凝土，C50以上为高强度混凝土)，但却对混凝土的抗冻抗渗等级要求很高，因此如何获得低标号、高抗冻抗渗混凝土是一个重要课题。

为此，本文结合宁夏引黄灌溉工程(主要为输水衬砌和护坡结构，强度要求不高)通过配制不同水灰比(W/C，这里W和C分别代表拌制1m³混凝土所需水和水泥的质量，单位：kg)、外加剂(引气剂)的低强度混凝土，并进行抗压、抗拉强度、抗冻和抗渗试验，分析各种因素对混凝土抗冻抗渗性能及其强度的影响，并对水灰比和外加剂进行优化选择，以期为高抗冻抗渗混凝土的配制及相关工程的建设和安全运行提供参考。

1原材料

水泥为中宁赛马水泥P.042.5R级水泥。砂子为鹰窝沟砂子，细模2.2，含泥量2.0％，属III区细沙。石子为清水河(1～2)+(2～4)cm各50％碎石。引气剂选用杭州中野天然植物科技有限公司研制的ZY-99或者ZY-100新型引气剂。

2试验方法

混凝土强度试件制作成15cm×15cm×15cm，空气中养护1d后拆模，进入标准养护室中养护至各个龄期，进行抗压强度测试。混凝土抗冻性试验按SD105-824水工混凝土试验规程》进行，制作标准试件，试件标养28d，在到达龄期前4d将需冻融试件放入(20±3)℃的水中浸泡，对比试件仍在标准养护室养护。冻融试验在上海砼瑞仪器设备有限公司生产的试验箱中进行，混凝土中心的冻融温度为(－20±2)～(20±2)℃，一个冻融循环时间为6h左右，1d冻融4次，连续不断试验。拌和混凝土含气量测定采用气压法，硬化混凝土气泡参数、大小和间距测定采用直线导线法。

3混凝土配合比

根据工程实际情况，混凝土设计强度为C15。依据混凝土抗冻设计相关要求，基准混凝土配合比按有关规范由试验确定，水泥用量280kg/m³，砂率35％，坍落度(60±10)mm；掺引气剂混凝土，含气量控制在4％～6％。基准混凝土和经试拌调试后掺各类引气剂混凝土的配合比见表1，引气剂掺量0.15％，水泥用量280kg。

从表1可以看出：水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土含气量随W/C增加呈先增加，后递减趋势，在水灰比W/C=0.55左右时含气量最大。水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土坍落度随着W/C增大而增大。

3.1最优W/C试验的确定

从研究混凝土配合比的要求看，根据表1，满足坍落度在(60±10)mm的配合比有3组，即W/C比分别为0.50，0.55，0.60，为了获得最优W/C，将上述3组混凝土配合比分别配置混凝土做冻融试验。混凝土抗冻性一般以抗冻等级来表示。抗冻等级是采用龄期28d的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25％，而且质量损失不超过5％时所能承受的最大冻融循环次数来确定的。GBJ50164将混凝土划分为以下抗冻等级：F10，F15，F25，F50，FI00，F150，F200，F250，F300等9个等级，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10，15，25，50，100，150，200，250和300次。抗冻等级≥F50的混凝土称为抗冻混凝土。

因研究的混凝土配合比应用地在宁夏，属严寒地区，为提高混凝土耐久性，提高抗冻标准，以冻融150次结果为依据，由于渠道常年过水，也需要承受渗水压力和提高抗渗性能(采用无锡市生产的HS-40型混凝土抗渗仪进行试验)，因渠道水深一般较浅，根据规范和工程实际W4标准以满足设计要求，因此W4标准作为下限进行优选，引气剂掺量仍为0.15％，结果见表2。

从图1可以看出，水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土28d抗压强度随W/C增大而逐渐降低，特别是W/C超过0.53左右，强度下降更快，主要原因是水体增长较多，占住混凝土材料体积。

从图2可以看出，随着W/C增大，尽管强度有所降低，但是混凝土含气量逐渐增大，到W/C接近0.55时，含气量逐渐增大，主要原因是引气剂在水体中发挥很好的掺气效果，当W/C超过0.55后，含气量随W/C增大而逐渐减少，其主要原因是水体增加较大后，尽管掺引气剂但含气量增加不如水体增加幅度大。

图3说明，在W/C不大时，随着含气量增加，混凝土强度逐渐加大，其原因是W/C发挥强度原因超过引气剂，当含气量增加到5％左右时，强度达到最大，此时对应的混凝土配合比为0.55左右，超过0.55后，含气量逐渐减少，混凝土强度相应减少，主要原因是含气量受水体和骨料影响，且气体占据混凝土体积，削弱混凝土整体强度，影响混凝土结构整体性和强度。

图4可以清楚发现，尽管冻融后混凝土试件的抗压强度普遍降低，但是在含气量为5％左右时，混凝土试件强度降低幅度最小。从表2抗渗试验也可以知道，引气剂掺量为0.15％时3组混凝土试样抗渗等级都在W4以上，这对于渠道和灌区小水头工作条件是合适的。

从表3分析可知，在W/C=0.53～0.55，引气剂掺量为0.15％时，所用混凝土配合各项指标较好。为了更好比较W/C：0.53和W/C=0.55两组试验的结果，同时为了适当提高强度，在原有混凝土水泥用量280kg基础上，适当增加5kg水泥，以提高混凝土强度，两组配合比与试验结果见表3。

从表4可以看出，引气剂掺量仍为0.15％，W/C=0.53配合比混凝土结果更优，各项指标。

3.2W/C和水泥用量一定情况下最优引气剂掺量

根据上述试验结果，W/C=0.53和水泥用量285kg结果较好，但是引气剂掺量对混凝土抗冻和抗渗影响并不清楚，为此选择引气剂掺量分别为0.025％，0.050％，0.100％，0.150％，0.200％五组试样进行试验分析，含气量、坍落度结果见表5。

可以看出，当W/C和水泥用量一定时，混凝土含气量和坍落度随W/C增加而逐渐增大。但是，含气量在引气剂掺量为0.15％～0.20％增加幅度不大，而坍落度在引气剂掺量为0.10％～0.15％变化也不十分显著。可以发现：引气剂掺量不同时，所得混凝土配合比不同，各项指标也不尽相同。

为了寻求最佳引气剂掺量，W/C=0.53、水泥用量285kg，选择0.10％，0.15％和0.20％三种掺量的混凝土做试验，具体结果见表6。

从表6、图5，6可以看出：随着引气剂掺量增加，混凝土抗压强度逐渐下降，经过50，100，150次冻融后，掺量为0.15％的混凝土强度最高，而掺量分别为0.10％和0.20％的混凝土强度反而低于掺量0.15％的试样，综合各试验结果，C15F150W6混凝土标准配合比如下：W/C=0.53，水泥用量285kg，砂率35％，砂子688.3kg，石子1277.9kg，ZY-99引气剂掺量0.15％。其力学特性如图5，6所示。

当W/C=0.53，水泥用量285kg和引气剂掺量为0.15％时，研究了饱和条件下(试件养护4d后放在水中浸泡至7，28，90，180d)混凝土试件的抗压强度，结果见表7。

可以看出来：混凝土配合比完全相同条件下，由于养护工况不同，饱和条件下混凝土强度比自然养护条件下所测强度偏低，混凝土强度的降低是由于在混凝土结构缺陷处水的吸附渗入作用。随着多孔结构的充水，水的渗入作用效应减缓。此外，由于单分子层厚度的增加，降低了在狭小缝隙结构中的表面能量。水是一种表面活性介质，随着它对混凝土作用的增加，降低了由于已产生的收缩和潮湿区不均匀分布而引起的内应力状态，而且促使水泥石凝胶膨胀和结构密实。经过长时间浸泡后，这时混凝土水化硬化过程不大可能有迅速的进展，因为，这时大部分水泥颗粒实际上已经水化，而对于龄期较长的混凝土来说，已水化的部分占绝大多数。当然也不能完全排除水泥在继续水化后会使混凝土强度有所提高，但是这种水化过程的影响只有在长期水浸下才能发生，这也就是为什么随着时间延长，饱和混凝土强度逐渐增大，后期与自然养护混凝土强度接近。

4结论

(1)经过试验研究表明，宁夏引黄灌溉工程输水渠道及周边结构抗冻抗渗混凝土的配合比为(1m³混凝土)：W/C=0.53，水泥用量285kg，砂率35％，砂子(5)688.3kg，石子()1277.9kg，ZY-99引气剂掺量0.15％，也可表示为：C：S：G=1：2.415：4.484，W/C=0.53，引气剂掺量0.15％。根据该配合比，配制出的混凝土抗冻等级达到F150，抗渗等级达到W6，饱和和正常养护28d实验室标准抗压强度都在21MPa以上，达到C15混凝土强度要求，研究建议在西北寒冷地区，应优先选择P.042.5R级水泥来提高耐久性，同时砂率控制在33％～35％为好，细模在2.5为好，本文细模2.2偏小。如果能按照该配合比拌制混凝土，那么在西北广大地区对于非主要承重结构混凝土和抗渗抗冻混凝土则有很大的应用前景。

(2)提高混凝土抗冻性的最经济有效的措施是采用引气剂，确定合适的引气剂掺量和严格控制混凝土施工质量。在低强度等级混凝土中掺加引气剂，可明显改善新拌混凝土的性能，提高了混凝土的和易性、流动性、黏聚性，降低离析和泌水；而在相同坍落度条件下，可以降低混凝土拌合物用水量，节约水泥。同时引气剂还可以减少新拌混凝土坍落度损失，建议低强度抗冻抗渗混凝土的引气剂掺量控制在0.15％～0.20％之间。

(3)水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土含气量随W/C增加先呈现增加，而后递减趋势，在水灰比W/C=0.55左右时含气量最大，这与寒冷地区最大水灰比一般要求不超过0.6的结论符合。水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土坍落度随着W/C增大而增大。水泥用量、引气剂掺量一定条件下混凝土28d抗压强度随W/C增大而逐渐降低。另外，饱水工况与自然养护得到的混凝土抗压强度存在差异，饱和工况抗压强度偏低，但是随着浸泡时间延长，强度增加逐渐接近自然养护条件下混凝土强度。建议水灰比W/C控制在0.55左右。

(4)引气剂的使用对混凝土强度有所降低，研究表明，在保持水泥用量和坍落度不变的条件下，引气剂可以减少单位体积用水量，降低水灰比，但是增大混凝土结构孔隙率，冻融次数越多，强度和质量损失越大。另外，也认为尽管配制的混凝土强度等级较低，但是只要引气剂掺量合适，含气量达到一定数量，这样的混凝土也能获得良好的抗冻效能和抗渗效果。

(5)抗冻融耐久性混凝土除了正确进行配合比设计，合理选用原材料，还要严格按施工规范技术要求施工，加强养护。对于影响混凝土中气泡体系形成与稳定性的因素，如混凝土各组成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界条件，如环境温度、搅拌、运输和浇灌技术等，都要加强控制。所以，在施工中要落实配合比的应用，加强控制，使此配合比能够更好地应用在实际工程中。

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