绿色堆石混凝土的力学性能和氯盐侵蚀性能研究

2020-06-30王仕龙张湖兵赵本容吴福飞

四川建材 2020年6期

王仕龙，张湖兵，赵本容，朱丹，吴福飞

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州贵阳 550025)

1 研究背景

影响混凝土力学性能和耐久性能的因素有很多，譬如水胶比、振捣、砂率、养护方式和混凝土成型方式等，根据混凝成型方式的不同可以分为堆石混凝土和常规混凝土，堆石混凝土是以自密实混凝土在堆石体中流动充满堆石体形成完整的混凝土[1]。

金峰等[2]对堆石混凝土的综合性能进行了试验研究，得出如下结论，在力学性能方面，堆石混凝土的抗压强度约为自密实混凝土的120%～125%，堆石混凝土的轴向拉伸强度低于自密实混凝土，堆石裸露的堆石混凝土层面间具有良好的抗剪性能[2]。在变形性能方面，同尺寸的堆石混凝土和自密实混凝土，在180 d龄期时堆石混凝土大试件的最大干缩值为199.3×10-6，是自密实混凝土大试件最大干缩值的59.7%，堆石混凝土大试件自体积最大收缩值为72.5，是自密实混凝土大试件最大收缩值的69.8%[2]。在抗渗性能方面，自密实混凝土的抗渗等级超过W33，堆石混凝土的抗渗等级约为自密实混凝土的58%[2]。在抗冻性能方面，有做单边冻融试验和标准快速冻融试验，综合两种实验的结果，堆石混凝土的抗冻性能与浇筑的自密实混凝土相当，可以用自密实混凝土的抗冻等级表征堆石混凝土的抗冻性能[2]。在热学性能方面，测定了自密实混凝土线膨胀系数为8.87×10-7/℃，堆石混凝土的线膨胀系数为7.76×10-6/℃[2]。

基于上述的研究和一些现场试验研究，堆石混凝土技术已经在北京、四川、云南、山西、重庆、广东、新疆、西藏等多个水利水电工程中成功应用[2]。但在近海地区、海洋工程和高盐碱土壤地仍使用常态混凝土，主要是堆石混凝土在氯盐侵蚀的环境下的研究还相对较少，为此，本试验就开展绿色堆石混凝土在氯盐侵蚀环境下，堆石混凝土中氯离子分布规律和侵蚀深度，堆石混凝土和自密实砂浆立方体抗压强度的关系。

2 材料与方法

2.1 原材料

本试验所用的水泥为42.5级尧柏水泥，Ⅱ级粉煤灰来自贵州欣恒福黔西加工厂，化学成分见表1。天津市致远化学试剂有限公司生产的分析纯氯化钠，蒸馏水，碎石来自都匀水库，粒径为19～31mm，水为实验室自来水，减水剂为聚羧酸减水剂，砂的细度模数为2.75，属于中砂。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分

2.2 试验方法

通过前期大量的试配，最后确定的水胶比为0.33，减水剂掺量为胶凝材料的1%，砂率为39%，砂胶比为1.6，然后分析粉煤灰掺量、氯盐溶液质量分数对堆石混凝土氯盐分布规律和侵蚀深度的影响。粉煤灰掺量为0、10%、20%和30%，氯盐溶液质量分数为0、5%、10%和15%。按上述比列以及根据普通堆石混凝土施工技术成型100 cm×100 cm×100 cm的立方体试件，每组试验有三个平行试件，取其平均值作为试验结果(三个测试值中与平均值相差大于±10%时，重做该组试验)，把试件放在养护室里湿度>90%，温度为(20±2) ℃养护7 d后，试件放在容器中，成型面朝上，下面与容器接触，在上、下面(成型面和其背面)涂上环氧树脂，以避免下面与容器接触而和溶液接触不均匀以及上面在成型时人为刮平造成的影响，移到不同氯盐溶液质量分数中浸泡120 d后，将试件放在烘箱中烘干，采用带有深度尺的电钻在试件的4个侧面取粉，取粉深度依次为0～5、5～10、10～15 mm，每个试件所取的粉末量超过40 g，将所有粉末放在烘箱中烘干至恒重，取20 g和80 g克蒸馏水混合搅拌均匀，利用氯离子含量快速测定仪检测堆石混凝土粉末中氯离子的含量。

3 试验结果与分析

3.1 氯离子在堆石混凝土中的分布规律和侵蚀深度

根据测试结果，以氯盐溶液质量分数为横轴，堆石混凝土粉末氯盐含量为纵轴，绘出柱状图见图1((a)、(b)、(c)、(d))。从图1中可以看出，在深度小于15 mm时，氯盐溶液质量分数的增加会增大堆石混凝土粉末氯离子含量，而随着粉煤灰掺量的增加会降低堆石混凝土粉末氯离子的含量。

(a)粉煤灰掺量为0

(b)粉煤灰掺量为10%

(d) 粉煤灰掺量为30%

1)氯离子分布规律：由图1可知，在粉煤灰掺量固定且侵蚀深度相同的情况下，堆石混凝土粉末氯离子含量随着氯盐溶液质量分数的增加呈递增的趋势。粉煤灰掺量从0增至30%的过程中，在侵蚀深度相同且氯盐溶液质量分数相同时，堆石混凝土粉末氯离子含量随着粉煤灰掺量的增加呈递减的趋势，说明掺入粉煤灰后，能够改善堆石混凝土的孔隙结构，使堆石混凝土更加密实，氯离子更不容易渗透到堆石混凝土中，从图1中还可以看出，粉煤灰掺量从20%到30%，堆石混凝土粉末氯离子含量的递减率大于0～10%和10%～20%，说明掺量从0增到30%时，最佳的粉煤灰掺量为20%～30%。

2)氯离子侵蚀深度：由于本试验取粉深度依为0～5、5～10、10～15 mm，从图1中还可知，在氯盐溶液质量分数和粉煤灰掺量不变时，堆石混凝土粉末氯离子含量随着侵蚀深度的增大呈递减的趋势，10～15 mm的堆石混凝土粉末氯离子含量仍低于5～10 mm的含量，未趋于平缓状态，说明浸泡的这120 d里，氯离子的渗透深度大于15 mm，以及从图1中可以看出，0～5 mm到5～10 mm的堆石混凝土粉末氯离子含量之差大于5～10 mm到10～15 mm的堆石混凝土粉末氯离子含量之差，这是因为氯盐会在堆石混凝土试件的表面形成氯盐结晶，以及在表面的微孔会有一些氯盐，因此，为保护混凝土中的钢筋不生锈，钢筋混凝土的混凝土保护层，一般都要求大于30 mm。

图2为氯离子含量快速测定仪。图3为钻孔取粉。

图2 氯离子含量快速测定仪

图3 钻孔取粉

3.2 抗压强度

堆石混凝土和自密实砂浆均设计两个水胶比，分别为0.38和0.43，减水剂掺量为胶凝材料的1%，粉煤灰掺量为0、20%、40%、60%，在养护室养护龄期为7 d和28 d后，采用万能试验机测试试件的力学性能，按下式计算其抗压强度：

P=F/A

式中，P为抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为承压面积，mm2。

试验结果如图4～5所示，在粉煤灰掺量和养护龄期相同时，无论水胶比是0.38还是0.43，堆石混凝土的抗压强度均略大于自密实砂浆的抗压强度，堆石混凝土抗压强度约为自密实砂浆的105%～125%，这可能是因为在相同体积的堆石混凝土和自密实砂浆中，堆石混凝土中的胶凝材料含量低于自密实砂浆中，因此，在堆石混凝土中水化热就会相应的低于自密实砂浆产生的水化热，而且堆石混凝土中存在碎石，堆石混凝土水化过程产生部分热量会被碎石吸收，从而有效减少因堆石混凝土水化热引起的温度裂缝，从而提高了堆石混凝土的抗压强度。还可以看出，在粉煤灰掺量和养护龄期相同时，堆石混凝土和自密实砂浆的抗压强度大小关系为：水胶比为0.38总是大于水胶比为0.43，可见增大水胶比，堆石混凝土的抗压强度将降低，以及堆石混凝土和自密实砂浆的抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加呈递减的趋势，养护龄期为28 d，水胶比为0.38时，粉煤灰掺量为60%的堆石混凝土的抗压强度为29.31 MPa，是对照组的57%，而有些重力坝混凝土的标准立方体抗压强度仅要求大于20 MPa，因此，只要其他的性能满足要求，粉煤灰掺量可为60%，这将节省大量水泥。