高性能混凝土的抗冻性研究及其工程应用

高性能混凝土的抗冻性研究及其工程应用 前言 高性能混凝土（HPC），应该具备优良的施工性、体积稳定性、抗渗性、耐久性以及足够高的力学强度，这是对高性能混凝土的共识[1]，其中抗冻融性是混凝土耐久性的一个重要指标。对高性能混凝土的抗冻融性研究前人已经做了很多的工作，但从实验结果来看，有些存在较大的分歧。如对于低水灰比的混凝土的抗冻性，有人认为即使在不引气时也能抵抗冻融破坏，也有人认为，水灰比很低时，混凝土也并非总是抗冻。[2][3][4][5][6]因此有必要在这方面继续做进一步的研究，本研究从宏观和微观结构两个方面探讨了高性能混凝土的抗冻性及其冻融的破坏规律，并以实验结果作为依据，在实际工程中进行了推广应用。 1、 实验用原材料、实验方法及实验配合比 1. 1 实验原材料 1.1.1 水泥：兴发525普通硅酸盐水泥。 1.1.2 碎石：朝白河碎石，5-25mm连续级配，含泥量0.6%，泥块含量0.2%，针、片状含量4.6%。 1.1.3 砂：龙风山砂，筛分析细度模数2.4，级配区Ⅱ区，含泥量1.2%，泥块含量0.6%，按JGJ-92标准, Ⅱ区中砂。 1.1.4 矿渣细掺料：两种细度，一种普通细度，该种细度为球磨+振动磨工艺路线正常生产细度，一种为超细矿渣。两种矿渣粒度分布见下表。 矿渣粒度分布 表1 矿渣 D10(微米) D50(微米) D90(微米) D97(微米) 体积比表面（cm2/cm3） 普通细度 1.61 10.87 24.85 27.82 14245 超细 0.77 5.05 19.07 23.14 18233 注：表中数据采用四川省轻工业研究设计院研制JL-1155型激光粒度分布测试仪测得 1.1.5 Ⅰ级粉煤灰：元宝山发电厂生产，烧失量1.7%，45微米筛余9.2%，需水量比87%，根据GB1596-91标准，达到Ⅰ级粉煤灰指标要求。 1.1.6 外加剂：UNF-5A，非引气型高效减水剂，天津生产，粉剂推荐掺量为胶凝材料用量的0.5-1.0%。FY73-7和FY73-8是市建材院课题组自行研制的高效引气型混凝土减水剂，属于聚羧酸系高效减水剂。它突出的特点是集减水、引气及坍落度控制等性能于一身。 1.2 实验方法 混凝土抗冻性能采用快冻实验方法，成型100*100*400mm的棱柱体试件，实验至相对动弹性模量下降至60%以下或重量损失率达5%或达到300次循环时停止。该实验在北京市水利科学研究所完成。 1.3 实验配合比 试样混凝土单方配合比 表2 编号 W/C ßS 单方混凝土材料用量kg 含气量% 冻前28d抗压强度(MPa) 冻后抗压强度(MPa)* W C S G Fa SL 外加剂 A 0.54 40% 195 252 742 1117 36 72 木钙 1.2 40.9 46.9 B 0.36 35% 170 282 632 1173 47.5 142.5 UNF-5A 1.0 66.2 56.5 C 0.3 32% 165 330 560 1190 110 110 UNF-5A 0.8 70.7 75 D 0.464 40% 157 330 800 1200 0 0 FY73-7 2.2 40.7 43.5 E 0.497 40% 164 330 800 1200 0 0 FY73-8 4.5 25 20.6 2、 实验结果及分析 2.1 实验结果 混凝土抗冻实验结果 表3 编号 项目 冻融次数 SD105-82标准 25 50 75 100 150 200 250 300 A 相对动弹性模量% 73.9 50.2 D25合格 失重率% 0 0.6 B 相对动弹性模量% 95.3 56 D25合格 失重率% 0 0 C 相对动弹性模量% 98.4 83.3 31.8 D50合格 失重率% 0 0 0 D 相对动弹性模量% 94.6 80.5 46.1 D50合格 失重率% 0.03 0.03 0.03 E 相对动弹性模量% 98.1 97.85 96.7 95.5 92.2 87.7 75.4 72.2 D300合格 失重率% 0.10 0.16 0.28 0.37 0.63 1.55 2.75 4.37 2．2 结果分析 对高性能混凝土，水胶比在0.54-0.3范围，如果不掺加引气剂或采用引气型高效减水剂（编号A，B，C），则混凝土抗冻均不会超过100次冻融循环，由此同时，混凝土在动弹模量降至原来的60%以下时，混凝土重量无损失，抗压强度不仅不降低，甚至还在增长（B试样除外，冻后抗压强度为将冻融后的试件切开后的试压值）。而如果采用引气剂或引气型高效减水剂（编号D，E），只要保证混凝土含气量在4-5%，则无论是否掺加细掺料，混凝土的抗冻性均可达到300次以上。 3、 微观结构分析样品 从显微照片中可见，对编号A，B，C、D冻融后试样，界面和气孔壁以及孔底均有许多裂缝，且裂缝由孔内向周围水泥石传播扩展。对编号E试样（含气量4.5%），可见到混凝土内部孔隙较多，分布均匀，孔内壁只有少数微裂缝，在骨料界面处无裂缝可见。 4、 对高性能混凝土抗冻性的认识 4.1 对于高性能混凝土，强度也许并不是决定其抗冻性能好坏的标准，高强高性能混凝土抗冻性能就一定优良的说法，我们认为是不全面的。一般认为，混凝土强度越高，抗渗性能越好，则抵抗有害介质如水的入侵的能力越强，因而耐久性也越高。但在受冻融循环情况下，强度与耐久性并不一定成正比的关系，从我们得到的结果来看，20MPa低强度的引气混凝土（编号E）要比70MPa高强度的非引气混凝土（编号C）抗冻性高得多。 4.2 强度是抵抗破坏的能力，当然是抗冻性的有利因素。在相同含气量或相同气泡间距的情况下，强度越高，抗冻性也越高，这点从A、B、C试样，水胶比从0.54到0.3，试样抗冻结果可以明显看出，但是混凝土抗冻融指标的绝对值不高。 4.3 混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响远远大于强度的影响，强度也就不成为主要因素。而且对高强高性能混凝土，如果不具备合理的含气，其抗冻性能并不会有较大的改善，经历冻融循环后，在混凝土界面及气孔依然会产生许多的裂缝，并延伸到周围水泥石。其中，微裂纹的出现是混凝土动弹模量降低的原因，它对混凝土抗压强度的损失却可以并没有什么影响，但因此造成的内部缺陷对混凝土在实际使用中抵抗有害介质的侵蚀将产生致命的影响。 4.4 引入合理的封闭气孔有助于缓冲应力作用和渗透作用，从而提高混凝土的抗冻性能，这也是引气混凝土优良抗冻性能的原因。因此我们认为，即使在低水灰比下，当要求混凝土抗冻性能时，仍然必须引气，而且必须控制混凝土合理的含气量。 4.5 从显微照片可以看到，优良的Ⅰ级粉煤灰内所含的大量硬质玻璃微珠，对冻融裂缝的扩散有阻止作用，这表明Ⅰ级粉煤灰掺和料在提高混凝土抗冻融性能方面具有一定的作用。 5、 工程应用实例 上述对高性能混凝土抗冻性的认识，在具体的实际工程中得到了成功的应用，以下是实际工程中的从试配到应用情况介绍，其中混凝土由榆树庄构件厂搅拌站提供。 5.1 技术要求要求： 北京某重点工程中，使用强度为C45、C50、C55的混凝土，耐久性指标为S6D250，施工要求泵送。针对以上强度与耐久性的要求，我们在混凝土配合比设计中以强度与耐久性为目标，采取了一些特殊的方法，选择相应的材料，进行了试验工作。 5.2 原材料选择： 砂：永定河水系水洗Ⅱ区中砂，细度模数2.8，坚固性1.42% 石：永定河水系5-2.0碎石，压碎指标4.2%，坚固性1.26% 水泥：兴发拉法基P.O525#，R28=63.6MPa，碱含量0.51% 粉煤灰：元宝山Ⅰ级，需水量比85.3%、烧失量4.68% 外加剂：北京辛庄TZ1-2高效泵送剂 天津雍阳高效减水剂UNF-5 北京辛庄861-C引气剂 5.3 配合比设计要点： 5.3.1 试配强度的确定 在鲍罗米公式中把混凝土试配强度做为一个重要参数，来确定需要的水灰比,这对于相对密实的混凝土是有效的,但是对于引气混凝土来说不太准确。因此，在配合比设计中需要体现引气对强度的影响，以往的研究结果认为，混凝土中的含气量每增加1%，强度损失4~5%。在本配合比的设计中混凝土的含气量定为4±1%，按4%计算，并设定在混凝土中引入的气量为2%，因此在计算水灰比时将混凝土的试配强度提高10%，由此得出的水灰比值作为试配时的基础水灰比。 5.3.2 混凝土的容重的选择 本设计采用假定容重的方法进行试配，对于含气量较大的混凝土来说，在假定容重时，应将引入的气泡所占的体积考虑进去，因此在确定混凝土容重时需要扣减2%，这样可以保证混凝土的设计容重与实际值接近，不用进一步的调整。 5.4 试配计算 根据以上原则，实验中以C50为基础进行计算， 5.4.1 混凝土含气按4±1（%）设计、混凝土强度损失按10%计算 fcu，k=50/1-10%= 55.56 fcu，0=55.56+1.645×6=65.43 其中σ取6.0MPa 5.4.2 计算水灰比(W/C) 5.4.2.1 W/C公式：W/C=fce.A/(fcu.o+ABfce) 式中 fce—取52.5×1.12=58.8(MPa) A—取碎石0.48 B—取碎石0.52 5.4.2.2 代入上式 W/C=0.48×58.8/(65.43+0.52×0.48×58.8)=0.35 依据JGJ/T55-96标准W/C取0.42、0.38、0.35、0.32、0.30进行试配。 5.4.2.3 容重的确定 假定密实混凝土的容重为2440kg/m3 含气混凝土的容重为：2440×（1-2%）=2391，取2390 kg/m3 5.4.2.4 配合比如表4所示 混凝土单方配合比 表4 编号 W/C ßS 单方混凝土材料用量kg 坍落度mm 含气量% W C S G Fa TZ1-2 UNF-5 861-C 01 0.41 40 175 384 711 1067 43 5.12 / 0.086 190 4.2 02 0.38 39 170 403 687 1075 45 5.82 / 0.078 200 4.3 03 0.35 37 165 424 649 1105 47 6.59 / 0.070 200 4.1 04 0.32 36 160 450 623 1107 50 7.50 / 0.105 210 3.8 05 0.30 35 155 465 605 1123 52 7.76 / 0.114 210 3.6 06 0.42 40 175 384 711 1067 43 / 6.40 0.020 220 3.9 07 0.38 39 170 403 687 1075 45 / 6.72 0.020 220 4.2 08 0.35 37 165 424 649 1105 47 / 8.48 0.010 230 4.0 09 0.32 36 160 450 623 1107 50 / 9.50 0.015 230 3.7 10 0.30 35 155 465 605 1123 52 / 10.86 0.025 240 3.8 5.4.2.5 试配强度及施工强度结果如表5所示 试配强度及施工结果 表5 编号 抗压强度(MPa) 备 注 3d 7d 28d 01 26.4 43.6 54.3 外加剂采用：1. TZI-2泵送剂2. 861-C引气剂 02 30.2 48.0 58.8 03 35.4 52.6 64.7 04 39.4 55.6 71.2 05 44.0 58.2 75.1 07 31.0 47.3 60.3 外加剂采用：1. UNF-5高效减水剂2. 861-C引气剂 07 34.5 47.9 62.9 08 39.9 54.3 65.6 09 44.5 59.5 70.6 10 46.8 63.0 75.4 混凝土施工结果 C50 43.7 52.1 68.1 达到设计值的136%，选自03 C55 46.7 64.3 77.3 达到设计值的140%，选自04 5.4.2.6 快冻法冻融检测结果如表6所示 快速法冻融检测结果 表6 编号 标号 项 目 冻融次数 0 50 100 150 200 250 300 03 C50 相对动弹性模量% 100 99.5 98.7 97.6 96.0 91.5 89.3 失重率% 0 0 0 0 0 0 0 04 C55 相对动弹性模量% 100 98.5 96.8 95.2 93.2 92.0 失重率% 0 0 0 0 0 0.06 5.5 应用结果 5.5.1在实际施工中，混凝土的和易性良好，可泵性良好。在该工程中C50使用了5000m3， C55使用了1000 m3。 5.5.2混凝土的含气量波动较小，坍落度损失较小。 5.5.3 容重波动较小，与设计值接近，偏差小于2%，按规范要求不需要调整。 5.5.4混凝土的试配强度与计算选用强度非常接近，说明在含气量稳定的前提下，水灰比计算过程中的强度选择方法是可行的。实际施工中混凝土的强度按115%评定均达到了标准。 5.5.5混凝土达到并超过了耐久性设计要求。 5.6 值得引起设计与施工及应用单位注意的问题 5.6.1 在《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ/T 55-96）3.0.5条中，明确规定了“长期处于潮湿环境和严寒环境中的混凝土应掺用引气剂”，但是在实际中还未引起足够的重视。 5.6.2 如果能在设计时就能明确判别影响混凝土结构物在使用中的耐久性的主要因素，为混凝土的配合比设计及施工提供可靠的依据，还需要各界进行相应的研究，这对提高混凝土结构的安全使用寿命具有重要的意义。 5.6.2商品混凝土的含气量的稳定性控制，是保证混凝土质量的关键。因为通过实践发现，在不同的水灰比、坍落度、环境温度、搅拌方式下，同一配合比混凝土的含气量不同。因此，在实际生产中需要随时检测含气量和容重，防止混凝土质量的波动，对工程质量的控制具有重要的的意义。