不同矿物掺合料水工混凝土抗冻性能

文摘 2024-12-27 07:04 河南

0　引言

水工混凝土广泛应用于水坝、水库、渠道等结构，这些结构经常暴露于极端的环境条件下，尤其是在寒冷地区，水工混凝土必须能够承受冻融循环引起的应力和破坏。冻融循环会导致微观裂缝的产生和扩展，进而影响水工混凝土的结构完整性和耐久性。因此，提高水工混凝土的抗冻性能对于确保水利设施的安全和功能性至关重要。近年来，研究者们通过掺杂各种掺合料来改善水工混凝土的抗冻性能。粉煤灰、石灰石粉、矿粉等因其独特的化学和物理性质被证明能有效改善混凝土的性能。尽管已有研究表明矿物掺合料能改善混凝土的基本性能，但其在不同冻融条件下的行为和机理仍需深入探究。本文通过粉煤灰、石灰石粉和矿粉等不同矿物掺合料，采取不同掺合方式制备混凝土，通过对比分析不同类型混凝土在冻融循环后的物理和力学性能变化，结合CT扫描技术，进一步揭示冻融循环下混凝土内部孔隙结构的变化，旨在为评估和预测水工混凝土的抗冻性能提供更为精确的科学依据。

1　试验材料及方案

1.1　试验原材料

本次试验材料选用的矿物掺合料为海螺牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，铂润铸造材料有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰和S95级矿粉以及石灰石经破碎研磨后过200目方筛后所得的石灰石粉，其化学组成见表1。

细骨料选用机制砂，其材料品质为花岗岩，细度模数为2.69，属于中砂，吸水率为1.2%，表观密度为2367kg/m³。粗骨料为5～15mm的连续级配花岗岩碎石，其表观密度为2694kg/m³，压碎值为10.6%，针片状含量为4.6%。外加剂选用HPEG-2400聚羧酸高效减水剂。试验用水为本地自来水。

1.2　混凝土配合比及试件制备

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》对混凝土配合比进行计算及试配调整，最终水胶比固定为0.39，砂率为36.7%，减水剂掺量为1.2%。同时，采用正交试验方法对矿物掺合料的掺杂比例进行设计，查阅相关文献，发现过高掺量的矿物掺合料不利于提高混凝土性能，因此，本试验将矿物掺合料总掺量固定为20%，具体配合比见表2。

试验所使用的试件尺寸共2种，用于冻融循环后抗压强度试验的试件尺寸为100mm×100mm×100mm，以及用于冻融循环后质量测量和动弹性模量测试的试件尺寸为100mm×100mm×400mm。试件浇筑成型后1d进行拆模，在标准养护室进行养护。

1.3　试验方法

本次冻融试验方案为：将养护24d的试件置于20℃的水中浸泡4d，擦拭表面的水分后测试其初始质量和动弹性模量，然后将试件放入快速冻融箱进行试验，温度设置为－20～5℃，升温和降温时间均为1.5h，融化时间为1h，分别在0、25、50、100、150次循环后测试试件的质量、抗压强度和动弹性模量，按照式（1）～（3）计算，试验在试件质量损失率达到5%和相对动弹性模量为60%后停止。采用MultiscaleVoxel-450型工业CT对混凝土内部微观结构进行扫描测试，通过Avizo软件分析混凝土孔隙结构。

Δm=(m₀-m_n)/m₀×100%（1）

f_cu=F/A（2）

E_d=1.3244×10-4×mL3f2/a4（3）

式中：Δm为冻融循环后试件质量损失率，%；m₀为未冻融时试件的质量，kg；m_n为经过n次循环后试件的质量，kg；f_cu为抗压强度，MPa；F为试件的破坏荷载，kN；A为试件受压面积，mm²；E_d为试件横向动弹性模量，MPa；m为试件相应质量，kg；L为试件长度，mm；f为试件横向振动的自振频率，Hz；a为试件边长，mm。

2　试验结果及分析

2.1　冻融循环作用下混凝土质量损失分析

图1为不同冻融循环次数后各组混凝土试件质量变化趋势。

从图1可以看出，各组试件的质量随着冻融循环次数的增加呈现出先增加后减少的趋势。当冻融循环次数为25次时，各组试件的质量均小幅度上升，这是由于混凝土内部孔隙率变大，内部水分质量增加导致混凝土质量上升，其中质量提升最高的为SC组，增加了1.81%；质量增加最少的为LSF组，增加了1.34%；基准组混凝土质量增加了1.7%。但随着循环次数的增加，试件内部结构开始破坏并逐渐加剧，SC组的质量快速下降；经150次冻融循环后，LSF组的质量下降幅度最大，为3.04%；LFC组质量下降最少，下降了2.11%；基准组混凝土质量下降了2.26%，其中FC组下降质量为2.19%，略优于基准组试件。

2.2　冻融循环作用下混凝土抗压强度分析

表3为不同冻融循环次数后各组混凝土的抗压强度。

从表3可以看出，各组试件的抗压强度随着冻融循环次数的增加呈下降趋势。未冻融循环时，基准组混凝土的抗压强度为42.82MPa；LFC组的抗压强度为43.13MPa，略高于NC组，且FC组和LSC组的抗压强度与NC组接近，分别为42.02MPa和41.70MPa；LSF组的抗压强度最小，为35.62MPa。在冻融循环150次后，NC组的抗压强度下降了35.61%，FC组、LFC组和LSC组的下降幅度分别为34.21%、31.36%和35.13%，此时FC组和LFC组的抗压强度高于NC组，抗压强度下降幅度最大的为LSF组，下降了45.09%.可以看出单掺粉煤灰和复掺粉煤灰—石灰石粉可以有效改善冻融后混凝土的抗压强度，无论是未冻融还是冻融后，三掺粉煤灰、矿粉和石灰石粉均会降低混凝土抗压强度。

2.3　冻融循环作用下混凝土动弹性模量分析

图2为不同冻融循环次数后各组混凝土相对动弹性模量。相对动弹性模量为冻融后混凝土与未冻融时混凝土动弹性模量的比值，可以直观反映各组试件经过冻融后动弹性模量的变化。

从图2可以看出，随着冻融循环次数的不断增加，各组试件的相对动弹性模量持续下降，在冻融前期（25次），NC组的相对动弹性模量为97.42%，LFC组的相对动弹性模量为98.22%，LSF组的相对动弹性模量最低，为89.11%。在冻融循环次数为150时，NC组和LFC组的相对动弹性模量分别为79.08%、79.81%。其中FSC组和LSF组的动弹性模量已经达到失效标准，因此复掺粉煤灰和石灰石粉可以有效改善混凝土的动弹性模量。

2.4　冻融循环作用下混凝土孔隙结构分析

图3为不同冻融循环次数后NC组与LFC组的孔隙特征变化趋势。

从图3（a）可以看出，NC组和LFC组的孔隙率均随冻融循环次数增加而不断增大，且二者孔隙率大小相似，LFC组的孔隙率略优于NC组，150次冻融循环后，NC组和LFC组的孔隙率分别为0.881%和0.865%。图3（b）和图3（c）为不同冻融循环次数后NC组和LFC组各种孔径的孔隙体积占比情况，可以看出NC组和LFC组的孔隙体积占比相差较大，经过冻融循环后，NC组中孔径小于10.00nm的孔隙体积逐渐减少，大于10.00nm的孔隙体积迅速增加，经150次冻融循环后，NC组中孔径大于10.00nm的孔隙体积增加至0.657%，而LFC组的孔隙体积变化为0.10～1.00nm和大于10.00nm的孔隙体积有所增加，150次冻融循环后，LFC组中0.10～1.00nm的孔隙体积由0.202%增加至0.217%，大于10.00nm的孔隙体积由0.398%增加至0.464%。冻融循环后虽然NC组和LFC组的孔隙率相似，但是LFC组的中大孔体积占比更优，LFC组内部孔隙的孔径大小分布较为均匀，NC组内部大孔径孔隙较多，表明LFC组的内部孔隙结构相比于NC组表现更佳。

3　结语

（1）冻融前期，各组试件内部冻融作用导致孔隙率变大，内部含水量增加导致混凝土质量上升，随着循环次数的增加，试件内部结构破损情况逐渐加剧。150次冻融循环后，LFC质量下降最少，下降了2.11%。

（2）从各组试件质量损失、抗压强度和动弹性模量变化可以看出，复掺粉煤灰和石灰石粉可以有效改善混凝土的抗冻性能，经150次冻融循环后，其抗压强度残余68.64%，相对动弹性模量为79.81%。而三掺粉煤灰、矿粉和石灰石粉不利于改善混凝土的抗冻性能。

（3）通过NC组和LFC组的孔隙特征对比，可以发现在经过150次冻融循环后，虽然二者孔隙率相似，但是LFC组内部孔隙分布更均匀，NC组内部大孔较多，不利于混凝土性能改善，表明复掺粉煤灰和石灰石粉可以有效改善混凝土的内部孔隙结构。

砼话

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