WGS掺料对混凝土力学性能及其抗渗性能影响的试验研究

2021-10-29谢学俭俞尊玉窦通宇

四川水泥 2021年9期

谢学俭俞尊玉窦通宇

（南阳理工学院土木工程学院，河南南阳 473000）

0 前言

有许多物质可以作为混凝土缓凝剂，国内应用较多的缓凝剂是糖蜜减水剂和木质素磺酸钙减水剂。王晓慧[1]等人研究出糖蜜不仅可以作为缓凝剂，同时也可作为减水剂，不但能增加混凝土的流动性和凝固时间，还能提升混凝土的抗压和抗折能力；王庆彦[2]等人研究出木质素磺酸钙减水剂可以不仅可以减少用水量,还能对混凝土起到缓凝作用，提高强度,减缓钢筋的腐蚀。以上两种缓凝剂虽然也会提升混凝土的抗压能力，但效果并不明显，在实际应用的过程中也会存在着一些问题。在一些比较大的建筑工程中，有些缓凝剂不但用量大，成本高，而且效果并不一定符合相关的要求。本文通过对建筑市场的调研结果和相关学术文献研究发现白砂糖（WGS)掺料对混凝土不仅具有缓凝剂的作用，而且具有成本低廉，对混凝土力学性能及其抗渗性能提升显著的优良特性，可以说是一种具有极高性价比的外加剂。通过对相关的论文进行分析，研究发现很少有WGS掺料对混凝土力学性能及其抗渗性能影响的试验研究，故对此进行研究，以便找出规律，得到WGS掺料的最佳取代率。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用P·P 32.5级火山灰质硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径5～31.5mm的碎石；细骨料采用中砂，表观密度为2650kg/m ,细度模数为2.8；外加剂采用河南恒源新材料有限公司生产的一级粉煤灰；白砂糖采用舒可曼食用白砂糖；水取南阳市自来水厂的水。

1.2 试验仪器

KYES-1000数显空心砌块压力机

氯离子电通量测定仪

1.3 试验配合比及分组

1.3.1 配合比

本次试验所设计的混凝土的强度等级为C40，并设置了0.5‰，0.75‰和1‰的WGS掺料去等质量代换水泥。经等质量法计算出配合比，如表1所示。

表1 A、B和C组不同取代率橡胶混凝土配合比（kg/m3）

1.3.2 分组

由于本次试验研究混凝土的两种性能，故将混凝土分为两大组。每个大组又分为四个小组，分别为一个基准组和三个对照组。

对于研究抗压强度的这一组，本文将P0定为基准组。取P1,P2,P3为该试验的对照组，分别代表WGS掺料等质量取代0.5‰，0.75‰，1‰水泥的混凝土。将本组的每小组按100mm×100mm×100mm规格做出六个试件，以提高试验的可信度。

对于研究抗渗性能的这一组，本文将D0定为基准组。取D1,D2,D3为该试验的对照组，分别代表WGS掺料等质量取代0.5‰，0.75‰，1‰水泥的混凝土。同上，另为了便于电通量法试验槽中，将本组的每小组按Ф 100mmH50mm规格做出三个试件。

1.4 试件的制作步骤及养护

（1）计算与称量。根据之前计算的配合比将各原料称量好并装入不同的容器中，备用（注意：为了使糖更好地融入混凝土中，先将每次应加入的糖先溶解在搅拌用水中）。

（2）搅拌与振动。将各原料按照顺序依次倒在铁板上，人工进行搅拌均匀，装入刷好油的试模中，然后放在振动台上振动三十秒。取下试件，贴上带有编号的纸条。

（3）养护与脱模。将贴好纸条的试件放入养护箱中，养护24h后，对试件进行脱模。脱模后在混凝土写上编号，放入养护箱中养护28d。取出，通风晾干，进行抗压与抗渗试验。

1.5 试验方法

本文抗压试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）执行。抗压强度试验仪器采用的是KYES-1000数显空心砌块压力机。当试件接近破坏临界点时，应适当调整加载力速度（加载力速度减速），直至试件破坏，并记下破坏极限荷载[1]。

抗渗试验参照标准GB-T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》执行，采用电通量法测其抗渗性能。试件在进行通电试验前应真空饱水，具体操作是先将试件放入全自动控制真空饱水机，拧紧盖上的就螺丝使其完全密封，然后启动设备，压水完毕后擦干表面水分。将试件安装在氯离子电通量测定仪的试验槽内并拧紧。检查其密封性并确定其密封性良好后，将0.3mol·L-1的NaOH溶液注入正电槽，并将质量分数3%的NaCl溶液注入负电槽。安装完毕后，启动仪器，6h后查看并记录电通量数值。

2 试验结果及分析

2.1 WGS掺料对混凝土力学性能的影响

2.1.1 破坏形态

对于WGS掺料对混凝土力学性能影响的研究，本文通过对试件的破坏形态初步分析不同取代率的WGS掺料对混凝土抗压性能的影响，并在大量的试验试件图片中选取了两组具有代表性的试件28d破坏形态图片，如图1所示。

图1 28d破坏形态

通过图1的两组图片可以分析得出P0，P1，P2的破坏程度是逐渐减小的，然而P3的破坏程度是最大的，在宏观角度上可以得到一个初步结论——在WGS取代率在0‰-1‰的范围内时，混凝土的抗压能力随着WGS掺料取代率的增加呈现先增大后减小，在取代率为0.75‰时达到最大。

2.1.2 试验结果及计算

混凝土的立方体抗压强度[2]fcu（MPa）为

fcu=Fmax/A

式中，Fmax：破坏极限荷载（单位：N）；A：试件受压面积（单位：mm2）。

2.1.3 抗压强度

WGS掺料混凝土28d抗压强度如表2，图2所示：

表2 WGS掺料混凝土28d抗压强度（MPa）

图2 取代率与抗压强度关系图

根据表2，图2可以分析得出：0.5‰，0.75‰取代率的WGS掺料混凝土28d的抗压强度要略高于0‰取代率的混凝土的抗压强度，但1‰取代率的WGS掺料混凝土28d的抗压强度要大幅度低于0‰取代率的混凝土的抗压强度。图2中的线性图像也呈现了一种先缓慢上升后急速下降的趋势。故由图表中的大量试验数值与线性关系可得出结论——在WGS取代率在0‰-1‰的范围内时，WGS掺料混凝土的抗压能力随着WGS掺料取代率的增加先平缓增大后急速减小，在取代率为0.75‰时抗压强度值达到最大，在取代率为1‰时抗压强度值最小。

2.1.4 抗压强度平均值的改变值及改变率

为了更加深入的探究WGS掺料取代率对混凝土抗压强度的影响规律，计算出P1、P2、P3各组28d抗压强度的平均值相对于P0组的改变值及改变率，并绘制出各组改变值及改变率的数据表和变化图，如表3，图3所示。

表3 各组抗压强度平均值改变值与改变率

图3 取代率与改变率关系图

由表3可以得出，P1组相对于基准组P0组抗压强度上升了0.93MPa,改变率为1.8%；P2组相对于基准组P0组抗压强度上升了1.63MPa,改变率为3.2%；P3组相对于基准组P0组抗压强度下降了13.25MPa,改变率为26.6%。结合图三，可以得到一个更加直观的结论——在WGS掺料取代率在5‰—0.75‰时，WGS掺料混凝土的28d抗压强度会缓慢增加；然而当取代率达到1‰时，WGS掺料混凝土的28d抗压强度会急剧下降，低于基准组。

2.2 WGS掺料对混凝土抗渗性能的影响

2.2.1 试验数据及分析

WGS掺料混凝土进行6h通电通量试验后，对试验数据进行收集整理并绘制了6h电通量与取代率的关系图，如表4，图4所示．

表4 WGS掺料混凝土6h电通量（C）

图4 取代率与电通量关系图

依据 JGJ/T 193 2009《混凝土耐久性检验评定标准》，对表四中的试验数据进行分析：D1、D2、D3组混凝土6h电通量相较于基准组D0组混凝土6h电通量是都是减小的，减小率依次为20.7%，32.5%，8.1%。因为混凝土6h电通量越小，其抗渗能力越强，所以可以看出三组中D2组的抗氯离子渗透能力是最强的，其次是D1、D3、DO。在图4的线性图像中也呈现了一种先下降后上升的趋势。结合图表中的大量试验数值与线性关系可得出结论——在WGS取代率在0‰-1‰的范围内时，WGS掺料混凝土的抗渗能力随着WGS掺料的取代率增加呈现先增强后降低的趋势，在WGS掺料取代率为0.75‰时混凝土的抗渗能力最强。

2.2.2 氯离子扩散系数模型的建立

氯离子在混凝土中的传输主要有扩散、渗透、物理或化学吸附、毛细作用等多种方式[3]。一般认为，扩散作用作为混凝土内部氯离子传播的主要方式，混凝土处在复杂的实际工程环境下，氯离子的侵入将由某一种传输方式起主导作用，但也受其它传输方式的影响[4]。相较于电通量而言，引入氯离子扩散系数模型可以从更加微观的角度去分析混凝土内氯离子的扩散行为。而大部分研究氯离子扩散行为的方法就是研究在通电的情况下氯离子从负极溶液跑向征集溶液的趋势。故在研究混凝土的抗渗性能时，氯离子扩散系数与电通量有着很大的联系，因而氯离子扩散系数也是研究混凝土抗渗性的一个重要指标。试验中，混凝土的 6h 电通量与混凝土中氯离子扩散系数之间存在着线性关系[5]，表达关系式如下

Y= 2.57765+ 0.00429X

式中：Y 表示氯离子扩散系数（×10-13m2/s）；

X表示混凝土的 6h 总电通量（C）。

通过该公式计算出本试验各组氯离子扩散系数，计算结果如表5所示。

表5 各组试件的氯离子扩散系数

2.2.3 WGS掺料混凝土抗压强度与氯离子扩散系数关系分析

能够影响混凝土的抗渗性的因素有很多，如配合比，温度等[6]。这些因素会在混凝土养护时期影响其硬化，从而使其内部的微观结构产生不同的变化，进而影响混凝土内部的密实程度，因此氯离子进入混凝土的难易程度也会发生变化[7]。除此之外，混凝土的掺合料中也会有氯离子吸附在上面，影响氯离子扩散系数。为了研究抗压强度与氯离子扩散系数的关系，以28d抗压强度为X轴，以氯离子扩散系数为Y轴绘制WGS掺料混凝土28d抗压强度与氯离子扩散系数的散点图，如图5所示。

图5 抗压强度与氯离子扩散系数关系图

如图5所示，利用Origin作图软件对两者进行拟合，得到抗压强度与氯离子扩散系数的函数关系式

Y=-230.2494+11.4339X-0.13211X2

拟合优度：R2=0.98797

从图5可以看出，WGS掺料混凝土的28d抗压强度与氯离子扩散系数存在着一定的相关性，相关系数达到了0.98797。经线性拟合分析，当WGS掺料混凝土28d抗压强度小于43.27MPa时，氯离子扩散系数随着抗压强度的增大而增大；当WGS掺料28d抗压强度大于43.27MPa时，氯离子扩散系数随着抗压强度的增大而减小。故得出一个初步结论——当WGS掺料取代率在0‰-0.75‰之间时，WGS掺料混凝土的氯离子扩散系数随着28d抗压强度的增大而减小。

2.3 氯离子对混凝土破坏机理分析

在实际建筑项目中，大多数工程使用的混凝土都是钢筋混凝土。钢筋混凝土在养护过程中往往会因为水化反应产生Ca(OH)2溶液，使其溶液pH达到13以上，使钢筋表面生成一层致密的钝化膜[8]。由于氯离子具有非常强的穿透能力，他会穿过混凝土进入孔隙液内，使钢筋表面的pH值降低到4以下。所以当钢筋周围混凝土孔隙液中的氯离子达到一定浓度时，钝化膜就会完全破坏。钝化膜被破坏之后，钢筋处于活化状态，氯离子也会增强电化学腐蚀，进一步使钢筋锈蚀[9]。