不同配比混凝土强度及防水性能变化规律研究

文摘 2025-01-25 07:04 河南

0前言

水利工程中的建筑物常处于潮湿环境，混凝土在潮湿环境下会被水、氯离子等侵蚀，导致混凝土强度降低，耐久性严重下降，严重影响混凝土建筑物的寿命，甚至危及混凝土建筑物的正常使用和安全"。因此大量学者针对防水改性混凝土砂浆进行了研究。

杨阳等人通过将矿物掺合料与高性能复合外加剂复掺，制成了高性能防水混凝土。李厚祥通过正交试验和力学性能测试，确定了粉煤灰、膨胀剂和聚丙烯纤维的最佳复合掺量。吴耀鹏等人研究了不同粉煤灰掺量对再生混凝土高温后的抗冲击性和抗渗性的影响。詹世左分析了粉煤灰和矿渣双掺对混凝土抗渗性能的影响，发现粉煤灰掺量上升会提高混凝土的抗渗性。杨朋等人研究了粉煤灰与膨胀剂、减缩剂复掺对二次衬砌混凝土抗裂性能的影响。杨杨等研究者通过温度－应力试验机测试了粉煤灰混凝土的早期抗裂性能。结果表明粉煤灰掺量的增加并不总是能提升混凝土的抗裂性能，最优掺量需要根据具体情况进行确定。

上述研究表面防水混凝土已成为研究热点，本文以丰城大联圩涝区水利治理工程作为研究背景，并参考国内外的相关研究成果，研究不同配比影响下混凝土的强度及防水性能变化规律。

1 工程概况

丰城市地处亚热带湿润季风气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛。年平均降水量1552.1mm，4月～6月降水量约占全年降水量的50%，年平均降水日数为154天。丰城市境内河道属长江流域，赣江水系。主要河道有一级河赣江、抚河、锦江3条；二级河丰水、富水、秀水、槎水、芗水、白水、株水7条。本次共新建八都电，赛头围，下淇湖，城区，张家等5座电排站，以及2座制闸，4个渍道。共需混凝土约24000 m。

工程地质调查发现，该工程区域内水系发达，降雨充沛，混凝土用量较大，因此需研究混凝土的防水强度变化特性。

2 试验方案

2.1 试验原材料

本次试验原材料选取原则为成本低，易获取。本次材料成分包括主料及辅料两部分，主料的原料成分：高炉矿渣，早强型硅酸盐水泥、细砂；辅料的原料组成有：硅微粉、萘系减水剂粉剂。高炉矿渣含有大量的活性氧化物和玻璃体，因此可以作为胶凝材料使用，其原料来源广泛、成本低、环保性能好，可降低碳排放和资源消耗。材料中的矿渣、水泥等主要成分通过相互反应，可快速形成膨胀性钙矾石，作为主要骨料；细砂作为整体的骨架，为骨料的反应提供场所；硅微粉及萘系减水剂主要是降低混凝土吸水率以及减少氯离子侵蚀。

2.2 试件的制备和养护

本次混凝土砂浆的具体制作流程为：加水泥及矿渣低速搅拌一分钟，使得矿渣与水泥充分混合；其次加人砂子，为防止砂子结块，此时对砂浆高速搅拌一分钟；加入1/2水后，高速搅拌30s，待砂浆表面无明显水分后，在表面均匀加剩下1/2水，高速搅拌。试件成型后进行编号，为模拟实际施工中的亲水环境，将试件放入当地的水环境中养护，养护结束进行强度等测试。而吸水率试验则是将混凝土试块在自然状态下养护，然后放入水环境中进行吸水。

2.3 试件不同配比方案

本次采用正交试验验证不同成分下混凝土的抗渗特性以及强度变化。

首先对主料配比进行研究，此时的水灰比为0.3，硅微粉质量为总体的0.5%，萘系减水剂粉剂质量为总体的0.5%。不同主料的质量比见表1。

本次的辅料不同质量配比见表2。为控制变量，此时的水灰比仍控制为0.3，矿渣为40%，水泥为35%，细砂为25%。

混凝土的和易性以及强度是其自身主要性质，该性质主要与主料有关，因此针对不同主料配比，测试混凝土的砂浆流动度，表观密度，抗折强度以及抗压强度等性质。辅料则主要起到抗水抗侵蚀等作用，因此针对辅料不同配比，测试混凝土的吸水率以及氯离子扩散系数。

3 试验结果分析

3.1 不同主料配比下物理性能变化

不同主料配比下砂浆物理性能变化结果见图1。

从图中可以看出，S-2组的混凝土表面密度最大，约为2175kg/m³；K-1组的混凝土表面密度最小，约为2060kg/m³。从S组中可以看出，随着水泥和细砂的比例变化，砂浆的表面密度以及流动度也有所不同。S-1时，水泥占比为细砂两倍，砂浆的表面密度较小，推测原因为细砂作为整体反应的骨床，当水泥含量远超细砂时，多余的水泥成分无处反应，凝结成块，从而导致整体密实度降低，混凝土表面密度减小。当水泥与细砂质量相同时，即S-3，此时混凝土表面密度有所增加，原因为此时水泥的可反应场所增加，可附着至砂上形成密实骨料。对比S组可以发现，水泥质量与砂子质量介于2倍与1倍之间时，存在一个最佳比例，此时水泥可充分在砂床上进行反应，混凝土的表面密度最大。K组有同样的现象：当水泥含量为矿渣含量两倍多时，表面密度最小，仅为2060kg/m³；而当矿渣含量增加后，混凝土的表面密度并未呈现正相关增长，而是表现为先增后降的趋势。说明水泥与矿渣之间也存在一个最优比例区间，此时水泥可充分与矿渣反应。

对比S组与K组可以发现，矿渣以及细砂成分的减少，会降低试块的表面密度。分析原因为此时各成分之间质量差别较大，导致内部反应不够充分，砂浆密实度较低。水泥成分的增加促进整体流动性的增强，推测原因为矿渣的分子结构较大，而水泥分子结构较小，因此矿渣成分减少而水泥分子结构增加时，混凝土砂浆的流动性能会增强。通过观察混凝土的流动度可以发现，矿渣含量的减少可以增加混凝土流动度。当矿渣含量较高时，如S-1，此时混凝土的流动度为151mm左右，而矿渣含量减少至25时，流动度则增加至161mm。推测原因为矿渣中存在大分子颗粒，含量较大时，大分子颗粒无法与水泥颗粒及砂粒产生流动作用，因此流动度较差。

3.2 不同主料配比学性能变化

对不同主料配比下的试块7d力学强度见图2。

从图中可以看出，不同主料配比会改变混凝土抗折强度的变化趋势。从S组中可以看出，水泥与砂子比例中存在一个最优区间，此时混凝土的抗折强度最大；而从K组可以看出，矿渣与水泥比例中存在一个最劣区间，此时混凝土的抗折强度最低。

对比S组与K组的抗折强度可以看出，虽然数值有所波动，但是整体差异较小。推测原因为主料中的各种材料，粘结在一起形成骨架，而混凝土的抗折强度主要与水泥浆与骨架之间的粘结强度有关。主料的不同配比，会影响形成骨架时的骨架表面积，从而影响与水的粘结作用。而粘结强度最主要的影响因素还是材料本身的亲水性，因此虽然不同配比会导致抗折强度有所波动，但由于材料本身性质未发生改变，因此混凝土的抗折强度波动幅度较小。

对比S组试验可以发现，水泥成分的减少会影响混凝土的抗压强度。当水泥质量是砂的两倍时，抗压强度为47MPa；而当水泥质量与砂质量相等时，抗压强度仅为37MPa左右，减小为原来的79%。对比K组试验可以发现，矿渣成分的增加在一定程度上也会降低混凝土的抗压强度，但是影响较小。K-1的抗压强度为43MPa，K-3的抗压强度约为40.8MPa，相差较小。对比K组和S组可以发现，矿渣与水泥都可以增强混凝土的抗压强度，砂子占比的增加则会降低混凝土的抗压强度。

不同主料配比下混凝土的28d强度见图3。从图中可以看出，28天时，抗压强度最高的仍为S-1，为57MPa，相比7天强度时增加了约10MPa；而S-2的28天抗压强度为55MPa，相比7天时增加了约13MPa左右，增幅最大。

K-3的7天抗压强度低于K-2，而28天后，K-2强度增加了8MPa，K-3的强度增加了12MPa。除S-3外，混凝土的28天强度基本接近，推测原因为S-3中砂子比例较高，影响了混凝土的抗压强度。从增幅可以看出，试块的强度增幅较为一致，说明该配料下的混凝土强度稳定性较好，不会随着时间变化而产生较大差别。

3.3 不同辅料配比抗侵蚀性能

不同辅料配比下混凝土的抗氯离子扩散系数见图4。

对比1号和2号可以看出，萘系减水剂的增加，减缓了氯离子的扩散，但是效果一般。对比1号和3号可以看出，硅微粉的增加有效的抑制了氯离子的扩散，扩散系数降为原来的75%。对比1号、2号及4号可以发现，硅微粉的增加，促进了萘系减水剂对于氯离子扩散的抑制效果。

3.4 不同辅料配比下防水性能

不同辅料配比下混凝土的7d防水性能见图5。

混凝土养护7d后，吸水30min，结果见图5。对比1号和2号可以看出，萘系减水剂可以有效增加混凝土的抗渗水性能；而从1号和3号可以看出，硅微粉也可减少混凝土的吸水率，但是效果较差。从4号结果可以看出，硅微粉与萘系减水剂的含量同时增加时，试块的含水率持续降低。

不同辅料配比下混凝土的28d防水性能见图6。

从图中可以看出，28d时30min内不同试样的吸水率在1.5～2之间。当吸水一天后，1号的吸水率已经达到了6%，为30min吸水率的三倍，而3号与4号的吸水率则较小，仅为4%左右，约为30min吸水率的2.6倍。当吸水48h时，各组试样的吸水率无较大变化，说明当吸水一天时，试样已基本达到饱和状态，亲水时间的成倍增长并不会导致吸水率发生较大变化。

对比不同配比发现，在吸水率较低时，不同配比下试块差别较小，当试块达到饱和时，4号配比对于吸水率的抑制作用较为明显，可知当混凝土在长期水环境中时，应增加萘系减水剂与硅微粉的含量。

4结论

本文以丰城大联圩涝区水利治理工程为研究背景，对混凝土试块进行了不同配比，并将其在当地水环境下进行养护，研究混凝土的强度变化及防水抗侵蚀特性，主要结论如下：

(1)对比S组与K组可以发现，矿渣以及细砂成分的减少，会降低试块的表面密度。分析原因为此时各成分之间质量差别较大，导致内部反应不够充分，砂浆密实度较低。不同配比下混凝土的抗折强度变化较小。对比K组和S组混凝土的抗压强度变化可以发现，矿渣与水泥都可以增强混凝土的抗压强度，砂子占比的增加则会降低混凝土的抗压强度。

(2)针对不同辅料下混凝土的防水抗侵蚀性能研究发现，硅微粉的增加有效地抑制了氯离子的扩散，并且促进了萘系减水剂对于氯离子扩散的抑制效果。通过对试块吸水率进行研究发现，萘系减水剂可以有效增加混凝土的抗渗水性能，与硅微粉同时作用下，混凝土试块的吸水率得到抑制。

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