大体积水工混凝土抗压强度及耐久性能影响研究

2024-04-03孙墅隆

黑龙江水利科技 2024年3期

孙墅隆

(河南省豫北水利勘测设计院有限公司辽宁分公司,辽宁大连 116000 )

随着经济的不断发展,大体积混凝土在港工、桥梁、大坝等重大工程中的应用日益广泛,然而由于其结构尺寸厚大,水化散热速率较慢,导致早期硬化温度较高,一般达到40～75℃,远高于标养测定的试验温度[1-2]。不同温度条件下,矿物掺合料和水泥的水化速率不同,从而对基体的微观结构和性能发展产生差异。有研究表明,高温养护对早期强度的发展有积极作用,但不利于后期强度的提升[3]。为了控制温升并减少裂缝的形成,往往会掺入一定比例的矿渣粉和粉煤灰,或者较大比例的粉煤灰。然而,目前混凝土强度检验评定通常是在同样条件下进行养护,没有考虑强度受内部温度历程影响的因素,因此掺入粉煤灰的试件在标养条件下会出现强度尤其是早期强度下降的情况,并且研究还发现,粉煤灰掺量越高,早期强度下降越明显[4-8]。这种观点对于在大体积混凝土中应用矿渣粉和粉煤灰复合掺合料或大比例粉煤灰的影响很大,导致设计的配合比较保守,不利于温度控制、防止裂缝的形成以及提高实体结构的耐久性[9]。为了评估和分析混凝土实际强度增长过程,温度匹配养护的概念被提出,它是指在与实体结构温度变化过程相同的条件下,对相同配合比混凝土试件进行养护,这种养护方式可以用于评估实际强度的增长情况[10-11]。对于大体积混凝土耐久性能及其受矿物掺合料的影响研究,有必要考虑养护方式的影响作用,而现有研究大多数侧重于恒定高温或标准养护条件。鉴于此,本研究通过模拟碾压混凝土重力坝的内部温变过程,探讨水工混凝土抗压强度受温度匹配养护的影响,并进一步对比分析了标养条件下的试件性能。

1 试验方法

1.1 原材料

试验选用沈阳冀东P·O 42.5级水泥,标稠用水量26.8%,比表面积335m2/kg;黑龙江火电厂提供的Ⅱ级粉煤灰,需水量比99%,细度25.7%;大连金桥超细粉厂生产的S95级矿渣粉,流动度比97%,烧失量0.82%,活性指数102%;大连庄沙砂石场提供的砂和碎石,砂细度模数2.8,碎石级配5～20mm;外加剂选用西卡聚羧酸高效减水剂(液态),减水率28.0%,拌和水用自来水。

1.2 试验配合比

控制拌合物坍落度为(180±20)mm,通过调整减水剂用量使其具有良好的工作性,固定水胶比0.35和胶凝材料用量460kg/m3,固定胶材总用量不变,以5%、10%、25%、30%的粉煤灰和矿渣粉等量替代水泥,试验配合比如表1所示。

表1 试验配合比 kg/m3

1.3 测试方法

本研究以太子河干流某碾压混凝土重力坝的内部温度监测数据为依托,通过模拟其温度环境设计温度匹配养护方式(0～2d温升较快,2～4d相对较慢,4d达到最高温度值65℃,4d后温度逐渐下降),如表2所示。温度匹配养护(TMC):试件成型后先室内静置2～4h脱模,然后利用塑料薄膜覆盖试件表面,移入湿热交变养护箱内养护至规定龄期;标准养护(SC):试件成型24h后脱模,移入标养室养护至设计龄期。

表2 温度匹配养护方式

2 结果与分析

2.1 力学性能

温度匹配和标养条件下的强度测试值如图1所示。

图1 抗压强度试验值

由图1可知各标养下的强度变化特征基本一致。温度匹配(TMC)相较于标准养护(SC)下的S1组试件28d抗压强度有所增大,但90d龄期强度呈现小幅下降趋势。温度匹配养护下的S2～S5组试件强度相比于标准养护均有所提升,并以S4组试块强度增幅最高达到4.40%,其90d龄期时达到标准养护同龄期试块强度的103.3%。因此,水工混凝土未掺矿渣粉和粉煤灰情况下,虽然温度匹配养护有利于增大28d强度,但不利于后期强度的发展;水工混凝土掺矿渣粉和粉煤灰情况下,温度匹配养护有利于促进后期强度的提升。

试验测定温度匹配和标准养护下S1、S2、S4组试件的化学结合水测试值如表3所示,结果显示温度匹配相比于标养能够更加明显地提升结合水量,这说明温度越高越有利于促进二次水化,减少水泥基体内的硅钙比,提高混凝土水化产物数量及整体抗压强度[12]。

表3 浆体化学结合水含量

2.2 抗硫酸盐侵蚀性能

硫酸盐侵蚀干湿循环100次和125次时,温度匹配和标准养护下的试件强度损失率如图2。

图2 强度损失率变化特征

从图2可以看出,对于S1组试件,硫酸盐侵蚀干湿循环100次和125次时,温度匹配下均高于标养时的强度损失率,说明温度匹配养护下对硫酸盐侵蚀产生了明显的负面影响。对于S2～S5组试件,干湿循环次数相同时温度匹配均低于标养时试件的强度损失率,说明温度匹配可以改善掺矿粉或粉煤灰试件的抗侵蚀性,其中S4组试件的抗侵蚀性表现最好,干湿循环125次的损失率仅为11.7%。

温度匹配会激发掺合料的活性,通过消耗Ca(OH)2大大减少钙矾石生成量,从而提升其对微观孔隙的优化作用,改善内部结构的致密性和骨料界面特性,对有害离子向混凝土内部侵蚀起到有效的阻碍作用,从而增强其抗侵蚀能力[13]。

2.3 抗氯离子侵蚀性能

试验测定温度匹配和标准养护下各组试件的电通量如图3所示,从图3可以看出标准养护下S1组试件的电通量最高,说明该组的抗氯离子侵蚀性最低;此外,28d、90d龄期时S2～S5组试件的电通量均有所下降,这表明S2～S5组试件的抗氯离子侵蚀性较好,并以S2组最优,其28d、90d龄期电通量分别为1306C和882C。温度匹配养护下S1组试件的电通量有所增加,说明该养护条件下加剧了氯离子渗透;此外,28d、90d龄期时S2～S5组试件的电通量有所减少,这表明温度匹配养护有利于改善掺矿渣粉与粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性,并以S4组试件的抗侵蚀性最优,该组试件的28d、90d电通量最小分别为922C和500C。

图3 混凝土电通量

对于温度匹配养护未掺矿渣粉与粉煤灰的水工混凝土,由于28d龄期内部水化产物的不均匀分布使其内部很容易形成大孔,不利于抗氯离子侵蚀性的提升。研究认为,温度匹配养护具有激发矿渣粉、粉煤灰活性的作用,能够有效降低基体的电通量[14]。因此,对于掺矿渣粉与粉煤灰的水工混凝土,温度匹配养护能够在一定程度上增强其抗氯离子侵蚀性。