抗冻融耐久性混凝土的配合比研究.pdf

第 3 6卷第 2期 2 0 1 0年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 2 33 抗冻融耐久性混凝土的配合比研究 王丽玫 ， 梁隽 ( 1 廊坊师范学院建筑工程学院， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0； 2 廊坊市交通局公路工程质量监督处 ， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要 ： 在对混凝土的冻融破坏原理与因素的认识的基础上， 通过改进原料配合比来增强混凝土的密实性、 抗裂性 ， 以提高其 在冻融环境下的耐久性能。 关键词： 抗冻融； 耐久性； 配合 比 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 【 2 0 1 0 ) 0 2 2 3 3 0 4 S t u d y o n t h e m i x p r o p o r t i o n o f e n d ur a n c e q u a l i t y a n d f r e e z e - t h a w r e s i s t i ng c onc r e t e WANG L i me i L I ANG J u n ( 1 L a n g f a n g T e a c h e r s C o U e g e I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e C i v i l E n g i n e e ri n g ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 H i g h w a y E n gi n e e ri n g Q u al i t y Mo n i t o ri n g D e p a r t me n t o f L a n g f a n g C i ty T r a f fi c B u r e a u ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wh i l e r e a l i z e t h e p rin c i p l e t h a t f r e e z e - t h a w d e s t r o y s c o n c r e t e， we i n c r e a s e e n d u r a n c e q u ali t y o f c o n c r e t e i n f r e e z e t h a w s u r r o u n d i n g s ， t h r o u g h i mp r o v e t h e p r o p o i o n o f r a w ma t e r i al ， c o mp a c t n e s s a n d r e s i s t a n c e t o c r a c k i n g Ke y wo r d s ： f r e e z e t h a w r e s i s t i n g ； e n d u r a n c e q u a l i t y； mi x p r o p o i o n O 引 言 凡是出现正负温交替地 区的混凝土工程都会发 生冻融破坏问题 ， 而现有的抗冻等级不能满足混凝 土结构长期耐久安全运行 的要求 。工程类别 中， 又 以水工 、 路桥、 港工较为突出。我 国当前正在进行全 球规模最大的土建工程建设 ， 这些土建结构工程的 安全性与耐久性 能否很好地适应今后 生产 、 生活 的 需要 ， 事关 巨大投资的效益和广大人民的根本利益。 因此 ， 通过研究混凝土的原料配合 比来增强混凝土 的密实性、 抗裂性和抗化学腐蚀性， 以提高其冻融环 境下耐久性 的技术要求 ， 同时 ， 为今后抗冻融耐久混 凝土的推广使用提供依据。 1 抗冻融原理和影 响因素 在混凝土冻融破坏 的各种分析原理 中， 公认程 度较高的是由美国学者提出的膨胀压和渗透压的理 论 ， 即吸水饱和的 昆 凝土在其冻融的过程 中， 遭受 的 破坏应力主要由两部分组成 ： 一是混凝土毛细孔 中 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 1 1 0 作者简介 ： 王丽玫 ( 1 9 7 1一) ， 女 ， 河北 廊坊 人 ， 副教授 ， 硕士 ， 研究方 向为结构工程 。 基金项 目： 廊坊市科技局 2 0 0 8年科技支撑项 目( 2 0 0 8 0 5 5 1 0 1 ) E m a i l ： h b wa n g l i me i 1 6 3 c o rn 的水在负温下 由水转变成冰， 体积膨胀 ， 但 由于受到 毛细孔壁约束 ， 因而在孔周 围的微观结构 中产生拉 应力 ； 二是 当毛细孔水结成冰时 ， 由于表面张力的作 用， 混凝土毛细孔隙中水 的冰点随着孑 L 径 的减小而 降低。凝胶孔水形成冰核的温度在 一7 8 以下 ， 因 而， 由冰与过冷水的饱 和蒸汽压差和过冷水之 间的 盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压 。当混凝土 受冻时， 这两种压力会损坏混凝土的内部微观结构， 当经过多次反复的冻融循环 以后 ， 损坏逐步积 累不 断扩大 ， 最终发展成互相连通 的裂缝 ， 使混凝土的强 度逐步降低， 直至完全丧失。因此， 饱水状态是混凝 土发生冻融破坏的必要条件。为了满足施工中混凝 土和易性的要求 ， 混凝土 的用水量大大超过水泥水 化反应 的实际用水量 ， 以游离态存在于混凝土中， 造 成孔隙多 ， 密实度减 小， 降低 了混凝土 的抗 冻融能 力 。 影响混凝 土冻融破坏的因素是多方 面的： 一是 水灰 比， 水灰 比越大 ， 混凝 土 中可冻水 的含 量就越 多， 混凝土 的结冰速度就越快 ； 气 泡结构越差 ， 平均 气泡间距越大 ； 混凝土强度越低 ， 抵抗冻融的能力越 差 ； 二是含气量 ， 非引气剂外加剂引入的气泡大小、 分布都不均匀， 也不稳定 ， 对混凝土的性能不会产生 积极影 响。引气剂引入 的气泡是稳定的、 细小的、 均 匀分布的， 混凝土 的抗冻性就会提高。在一定 范围 2 3 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 内， 含气量越多， 混凝土 的抗冻性越好 ； 三是水泥 的 品种， 混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高。采 用普通硅酸盐水泥的混凝土的抗冻性优于采用混和 水泥的混凝土， 更优于采用火山灰水泥的混凝土 ； 四 是骨料质量 ， 混凝土骨料对混凝土抗冻性影响主要 体现在骨料吸水率及骨料本身的抗冻性。吸水率大 的骨料对抗冻不利 ； 五是外加剂及掺合料 ， 矿渣粉、 减水剂、 引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混 凝土的抗冻性。矿渣粉能够减少水泥和混凝土的用 水量， 引气剂能增加 混凝 土的含气 量， 并使气泡均 匀； 而减水剂则能降低混凝土的水灰 比， 从而减少孔 隙率 ， 最终都能提高混凝土的抗冻性 。 2 外掺材料对提 高混凝土抗冻性的 作用 矿渣粉是将高炉矿渣细磨后得到的一种高效掺 合料。以矿物掺合料配制混凝土时， 不仅可以替代 硅酸盐水泥( 2 0 7 0 ) ， 而且所配制的混凝土的 力学性能、 坍落度损失、 耐蚀性等都得到相应的提高 和改善。再加上矿渣粉 自身 的需水量较少 ， 掺人混 凝土中还能起到减水的作用 ， 因此 ， 矿渣粉是 目前综 合性能最为优 良的人造矿物原料。 引气剂可以明显地降低混凝土拌合水 的表面张 力 ， 使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。 而这些气泡可以切断部分毛细管通路 ， 使混凝土结 冰时产生的膨胀压力得到缓解。因而， 不仅使混凝 土不会遭到破坏 ， 还能起到缓冲减压的作用 。再加 上气泡可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路 ， 使外界水分不易浸入 ， 减少了混凝土的渗透性 ， 同时 还能起到润滑作用 ， 改善混凝土的和易性。因此 ， 掺 用引气剂 ， 会大大提高混凝土的抗冻耐久性 。 减水剂在混凝土坍落度基本相同和不影响和易 性条件下 ， 可以减少混凝土用水量 ， 降低水灰比， 节 约水泥并改善其和易性。 3 确定配合比的关键参数和掺量 由于混凝土采用罐车运输 ， 且运距较长， 根据工 作性要求， 考虑坍落度为9 0 1 3 0 IT I IT I 。考虑高抗冻 要求 ， 混凝土含气量在 4 6 之间。立方体抗压 强度 C 4 0 ， 抗折 4 5 MP a 。抗冻指标设为 F 2 0 0 ， 抗渗 指标为 S 6 。 水泥采用 唐 山冀东 水 泥有 限公 司生产 的 P 0 4 2 5 R水泥 ， 水泥细度 0 4 ， 凝结时间及安定性 符合要求。粗集料采用易县产 l 0 2 0 m m及5 1 0 m m碎石 ， 比例为 1 0 2 0 ra m 7 0 ， 51 0 mm 3 0 ， 合成级配符合 桥涵施工规范 5 2 0 m m级配要 求 。细集料采用易县产中砂。引气 剂采用 S J 一 2型 混凝土引气剂 。减水剂采用 B Z K - 4高效缓凝减水 剂( 粉剂 ) 。矿渣粉采 用唐 山生产 的精制矿渣 粉。 其他各种外加剂掺量预设 以下外加剂用量 ( 以下 比 例均为胶凝材料比例， 其中矿渣粉为内掺， 其他为外 掺 ) ： 减 水 剂 掺 量 ： 0 3 ， 0 6 ， 1 O ， 1 3 ， 1 5 ； 矿渣粉掺量： 2 5 ， 3 0 ， 3 5 ， 4 0 ， 4 5 ； 引 气剂掺量 ： 1 5 ， 2 0 ， 2 5 ， 3 0 ， 3 5 。 4 配合比设计及性能 4 1 初设配合比设计 减水剂在研制期间， 一般都是使用当地水泥进 行试验。根据使用经验 ， 水泥品种不 同将会影响减 水剂的使用效果。为了初步了解减水剂对混凝土的 影响， 需要进行初设配合 比试验 ， 参照普通配合 比设 计结果选择合理水灰 比和减水剂掺量。 本配合比中减水剂的掺加主要用于调整混凝土 的坍落度 ， 同时改善混凝土的和易性 ， 按照减水剂的 减水率调整配合 比的单位用水量 ， 计算混凝土 的单 位水泥用量 ， 然后 ， 根据实际用水量和水泥用量反算 水灰比。 针对此 配合 比设 计， 保 持水 灰 比 0 3 5 ， 砂 率 4 0 ， 减水剂掺量 由 0 ， 0 3 ， 0 6 ， 1 0 ， 1 3 ， 1 5变化 进行初设配合比设计 ， 试验结果见表 1 。 表 1 初设配合 比设计试验结果 Ta b l e 1 M i x d e s i g n o f p r e l i m i n a r y d e s i g n r e s u l t s 根据试验设计参数 ， 从和易性性能及标准养护 条件下的强度等试验结果可以看 出： ( 1 ) 此减水剂 可以大幅降低用水量 ， 减小水灰比， 同时得到较好 的 和易性和较高的抗压强度。( 2 ) 随着减水剂用量的 增加 ， 强度逐渐增 加， 说 明减 水剂和水泥之 间“ 相 容” 效果较好 。但减水 剂掺量较大后泌水不太好。 ( 3 ) 不 同掺量得到不同的坍落度 ， 其中， 0 4 ， 0 5 ， 0 6号 配合 比坍 落度符合设计要求 。参考 国产减水剂掺 量 ， 掺量范围 0 2 一1 0 ， 故舍弃高掺量配合 比， 选用O 4号配合比作为初设配合比， 以此配合比为基 础 ， 设计以下配合 比试验 。 4 2 抗冻融耐久性配合比设计 4 2 1试验 方 法 为评价混凝土抗冻融耐久性的性能 ， 特采用水 王丽玫， 等 ： 抗冻融耐久性混凝土的配合比研究 2 3 5 泥混凝土拌合物含气量试验 ( 混合式气压法 ) 测定 混凝土拌合物含泥量 ， 水泥混凝土抗弯拉强 度试 验 测定混凝土抗折强度 ， 水泥混凝 土抗冻性试验 ( 快 冻法) 测定抗冻标号， 水泥混凝土抗渗性试验测定 抗渗标号。 4 2 2 设计参数 以初设 配合 比选定的水灰 比、 砂率及减水剂掺 量为基础， 按照预设 的矿渣粉和引气剂 的掺量进行 配合 比设计 。其 中以矿渣粉加水 泥作 为胶凝材料 ， 矿渣粉 等量 替代水 泥。在 保持水 胶 比 0 3 5， 砂 率 4 0 ， 减水 剂 掺 量 1 的基 础 上 ， 矿 渣 粉 掺 量 按 2 5 ， 3 0 ， 3 5 ， 4 0 ， 4 5 ， 引气剂掺量按 1 5 ， 2 ， 2 5 ， 3 ， 3 5 的比例进行配合 比设计 。由 以上配合 比设计经过试验得出的结果见表 2 。 表 2 抗冻融耐久性配合比试验结果( 1 ) T a b l e 2 Wi t h t h e r a t i o o f a n t i f r e e z e t h a w d u r a b i l i t y t e s t r e s u l t s 【 1 ) 从表 2配合 比中可 以看 出， 由于矿渣粉等量替 代水泥 ， 且矿渣粉 比表面积为 4 0 0 m k g ， 与水泥 的 细度差不多 ， 所 以， 随着 矿渣粉替代水 泥 的用 量增 加 ， 和易性有所降低 ， 抗压及抗折强度也有所 降低。 而随着引气剂掺量 的增加 ， 混凝土和易性增加 ， 特别 是泌水现象得到很好的缓解 ， 但强度降低 比较严重 ， 经过综合考虑 ， 缩小矿渣粉掺量和引气剂掺量， 矿渣 粉按 2 5 ， 3 0 ， 3 5 的掺 量 和 引气剂 按 2 O ， 2 5 ， 3 O 的掺量 ， 能够保证混凝土有 良好的和易 性 ， 且强度不会下降太多 ， 即选 用 1 2 ， 1 3 ， 1 4， 1 7， 1 8 ， 1 9 ， 2 2 ， 2 3 ， 2 4号配合 比， 据此进行下 一步配合 比设 计 ， 引人抗冻 和抗 渗指标 ， 对 配合 比进行进 一步优 化 。 综合表3试验数据， 抗冻等级和抗渗等级均满 足 目标要求。可以看 出， 在相 同引气剂掺量 的情况 下， 随着矿渣粉掺量 的增加 ， 其混凝土抗渗等级逐渐 增加 ， 抗冻融性能有所减 弱， 但掺合 比例合适时 ， 抗 冻性能与普通混凝土相 比有较大改善。而随着引气 剂掺量增加 ， 混凝土抗冻融性能显著增加 ， 同时也加 强了混凝土的抗渗能力。 引气剂的掺人虽然是提高混凝 土抗冻耐久性最 有效的手段， 但引气剂的掺人同时会引起混凝土其 他性能降低 ， 如强度、 耐磨蚀能力等。所 以， 在掺人 引气剂的同时， 合理加入矿渣粉 能够使混凝土的抗 冻融能力进一步加强 ， 同时弥补强度降低 的缺陷。 通过 以上各项试验 指标 的检测， 可 以确定最佳 2 3 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 表 4 最佳 配合比设计参数 T a b l e 4 T h e b e s t mi x d e s i g n p a r a me t e r s 表 5 最佳配合比试验结果 Ta b l e 5 Te s t r e s u l t s o f t h e b e s t mi x 5 结语 在混凝土的基本组成材料中， 水泥的价格最贵 ， 在满足对混凝土质量要求 的前提下 ， 单位体积混凝 土的水泥用量愈少愈经济。因此 ， 用一些具有活性 的掺合料 ， 如矿渣粉来替代一部分水泥 ， 正在被广泛 地应用。同时， 使用减水剂可以大幅度降低混凝土 的水灰 比( 水胶 比) ， 提高混凝 土的强度和致密性 ， 使混凝土抵抗冻融破坏 的能力提高 ， 从而提高混凝 土的抗冻耐久性。而掺用引气剂 ， 使混凝土达到足 够的含气量要求， 可改善混凝土的孔结构性质， 并明 显改善混凝土的抗冻耐久性。 抗冻融耐久性 混凝土除 了正确进行配合 比设 计 ， 合理选用原材料 ， 还要严格按施工规范技术要求 施工， 加强养护。对于影响混凝土中气泡体系形成 与稳定性的因素， 如混凝土各组成材料、 混凝土配合 比、 拌合物特性以及外界条件 ， 如环境温度、 搅拌 、 运 输和浇灌技术等， 都要加强控制。所以， 在施工中要 落实配合 比的应用， 加强控制， 使此配合 比能够更好 地应用在实际工程中。 参 考 文 献 ： 1 蒋亚清 混凝土外加剂应用基础 M 北京 ： 化学 工业出版社 ， 2 0 0 4 2 混凝土结构耐久性设计与施工指南 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 3 弗朗索瓦 德拉拉尔( 法) 混凝土混合料的配合 M 北京： 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 4 郭成举 混凝土的物理和化学 M 北京： 中国铁道出版社， 2 O o 4 5 过镇海 混凝土的强度和本构关系原理与应用 M 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 6 J G J 5 5 - 2 0 0 0普通混凝土配合比设计规程 s 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 1 7 J rr G E 3 0 2 0 0 5 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 s 8 ， U 0 4 1 2 0 0 0公路桥涵施工技术规程 s