唐 鵬

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，大跨度及超高層建構(gòu)筑物不斷涌現(xiàn)。在提高結(jié)構(gòu)跨度和高度方面，輕骨料混凝土因重度小、強(qiáng)度高、資源消耗量小而受到眾多學(xué)者專家的重視[1-3]?；炷两Y(jié)構(gòu)抗力在各種不利環(huán)境條件長時(shí)期作用下會呈現(xiàn)下降趨勢，混凝土的耐久性不僅涉及到結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)特性，更關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全特性。因此，輕骨料混凝土要想在工程中大規(guī)模應(yīng)用，其耐久性研究顯得尤為重要。楊綠峰等[4]研究了粗骨料在不同飽和度下輕骨料混凝土的抗凍融性能，結(jié)果表明，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下其質(zhì)量損失在5%以內(nèi)。余波等[5]對不同礦渣摻量的輕骨料混凝土進(jìn)行了力學(xué)和耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，適量的礦渣摻量能提高其終凝強(qiáng)度和耐久性。苗壯[6]研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度下輕骨料混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能，研究表明，養(yǎng)護(hù)溫度在20℃時(shí)其耐腐蝕性能最佳。黃加圣等[7]發(fā)現(xiàn)在輕骨料混凝土中摻入一定比例的鋼纖維能有效提高其耐久性。胡宸瑞[8]研究了硅粉在不同細(xì)度模數(shù)下輕骨料混凝土的耐久性的影響，結(jié)果表明，隨著硅粉細(xì)度模數(shù)的增加其耐久性也隨之增長。從以上的研究中可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于礦物摻量對輕骨料混凝土性能影響的研究局限于某單一礦物的摻和含量，缺少不同礦物含量的耦合作用效果，且對其耐久性的研究中集中于凍融循環(huán)和抗?jié)B性，對于混凝土耐久性的其他指標(biāo)研究并不全面。因此，本文研究了不同粉煤灰、礦渣粉摻量下輕骨料混凝土的凍融循環(huán)特性、碳化特性、抗?jié)B性、收縮特性及抗壓強(qiáng)度。研究表明，礦物摻合料能有效提高混凝土的耐久性和抗壓強(qiáng)度。

1 輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

混凝土的配合比設(shè)計(jì)是混凝土制備過程中的核心工作，在不同的集料比例下混凝土的物理力學(xué)性能完全不同，因此，輕骨料混凝土耐久性研究的第一步是確定配合比[9]。輕骨料混凝土的集料包括粗骨料、細(xì)骨料、水泥、礦物摻合料、外加劑和水。

輕骨料混凝土與普通混凝土相比最大的不同是采用了陶粒等重量輕的骨料替代級配碎石，且所用輕骨料的性質(zhì)直接決定了混凝土的力學(xué)性質(zhì)和耐久性，因此，要嚴(yán)格控制粗骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)。試驗(yàn)用粗骨料為陶粒，其粒徑在5～18mm，堆積密度為0.762g/cm3，表觀密度為1.425g/cm3，筒壓強(qiáng)度為3.1MPa，1h吸水率為6.6%。

細(xì)骨料的作用是填充粗骨料間空隙，提升級配均勻性，增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度。試驗(yàn)用細(xì)骨料為天然河砂，其表觀密度為2.84g/cm3，堆積密度為1.56g/cm3，空隙率為45.8%，含水率為0.47%。

試驗(yàn)用水泥為河北上安水泥廠生產(chǎn)P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為385m2/kg，終凝時(shí)間為250min，SO3含量為1.93%，燒失量為2.65%，28d抗折強(qiáng)度為9.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度為46.0MPa。

試驗(yàn)中礦物摻和料為粉煤灰、礦渣粉。粉煤灰是山西神木粉煤灰有限公司生產(chǎn)Ι級粉煤灰，其中CaO含量為6.22%，K2O含量為1.17%，SiO2含量為43.25%，Na2O含量為0.39%，F(xiàn)e2O3含量為6.59%，Al2O3含量為40.01%，SO3含量為0.55%，MgO含量為1.29%，其比表面積為397m2/kg，密度為2.29g/cm3，含水量為1.4%，燒失率為1.98%。礦渣粉采用河北鑫唐礦渣粉有限公司生產(chǎn)的S95級?；郀t礦渣粉，流動(dòng)度比為98%，含水量為0.3%，SO3含量為0.18%，氯離子為0.02%，燒失量為0.1%。

試驗(yàn)中外加劑為聚羧酸高效減水劑，試驗(yàn)用水為普通自來水。試塊配合比如表1所示。

表1 輕骨料混凝土配合比Table 1 Mix ratio of lightweight aggregate concrete

2 輕骨料混凝土耐久性試驗(yàn)

混凝土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力。根據(jù)輕骨料混凝土所處的環(huán)境本文將其耐久性分為凍融循環(huán)特性、碳化特性、抗?jié)B性及收縮特性[10-12]，在此基礎(chǔ)上通過混凝土的抗壓強(qiáng)度反映混凝土的工作強(qiáng)度。本文擬采用實(shí)驗(yàn)的方法，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究輕骨料混凝土的耐久性。

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

圖1 試塊凍融循環(huán)破壞示意圖Fig.1 The failure diagram of freeze-thaw cycle for test block

凍融循環(huán)試驗(yàn)是在凍融試驗(yàn)機(jī)內(nèi)模擬凍融環(huán)境，利用快速凍融法測定混凝土在經(jīng)歷若干次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失以評價(jià)其抗凍融特性[13]。試驗(yàn)中將25℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土在20℃的恒溫水箱中養(yǎng)護(hù)28d，之后取出試件擦干水分并稱重，如此循環(huán)直至達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)。實(shí)驗(yàn)用混凝土試塊為100×100×400mm3方形塊，圖1為試塊凍融破壞示意圖?；炷猎噳K的質(zhì)量損失率計(jì)算公式如下：

(1)

式中：A為質(zhì)量損失率；wi為第i次實(shí)驗(yàn)后試塊質(zhì)量；wi-1為第i-1次實(shí)驗(yàn)后試塊質(zhì)量。

2.2 碳化試驗(yàn)

混凝土的碳化實(shí)驗(yàn)是用碳化箱模擬碳化環(huán)境，混凝土試塊尺寸為100×100×400mm3立方體試塊，實(shí)驗(yàn)中用濃度1%的酒精酚酞溶液滴入試塊表面，通過溶液在試塊中的滲透深度測定其碳化深度，圖2為其碳化深度檢測示意圖。

圖2 混凝土碳化深度測定示意圖Fig.2 Measurement of carbonation depth of concrete

2.3 滲水試驗(yàn)

輕骨料混凝土的抗?jié)B能力是通過滲水實(shí)驗(yàn)得到的，實(shí)驗(yàn)中試塊尺寸為175×185×150mm3的方形試塊，抗?jié)B實(shí)驗(yàn)在混凝土抗?jié)B儀中完成。圖3所示為輕骨料混凝土滲水后實(shí)驗(yàn)效果圖?；炷恋钠骄鶟B水高度和相對滲透系數(shù)計(jì)算公式分別如式(2)、(3)所示：

圖3 輕骨料混凝土滲透效果圖Fig.3 Permeation effect of lightweight aggregate concrete

(2)

(3)

式中：Kr為相對滲透系數(shù)，單位為cm/h；Dm為平均滲水高度，單位為cm；T為保持恒壓的時(shí)間，單位為h；H為水壓力，以水柱高度表示，單位為cm；a為混凝土的吸水率，一般為0.03。

2.4 自由收縮試驗(yàn)

圖4所示為自由收縮實(shí)驗(yàn)中所用混凝土試塊，其尺寸為100×100×515mm3。

圖4 輕骨料混凝土自由收縮實(shí)驗(yàn)試塊Fig.4 Free shrinkage test block of lightweight aggregate concrete

混凝土的收縮也稱為干縮，是由于水泥在失水后體積減小，引起混凝土結(jié)構(gòu)的體積變化，減小了混凝土的有效工作面積，同時(shí)混凝土收縮后產(chǎn)生裂縫，危害結(jié)構(gòu)安全[14]?；炷恋氖湛s用收縮率表示，其計(jì)算公式如下：

式中：εst為混凝土收縮率，單位為%；Lb為試件的測量標(biāo)距，單位為mm；L0為試件長度的初始讀數(shù)，單位為mm；LT為試件在試驗(yàn)齡期t天時(shí)的長度讀數(shù)，單位為mm。

2.5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖5 混凝土受壓破壞示意圖Fig.5 Concrete compression failure

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是測試在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d齡期混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度(圖5為混凝土受壓破壞示意圖)，所用立方體尺寸為150mm×150mm×150mm，以三塊試件的算術(shù)平均值作為抗壓強(qiáng)度的代表值，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：F為液壓機(jī)壓力；A為混凝土截面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從輕骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)可以看出，相對于未添加礦物摻合料的混凝土而言，含有礦物摻合料的混凝土能有效減輕凍融循環(huán)質(zhì)量損失，特別是凍融循環(huán)次數(shù)在175次時(shí)，S0號試塊和S5號試塊的質(zhì)量損失差值達(dá)到了4%。另外，在不同礦物摻和料含量和兩種礦物摻和比例下其質(zhì)量損失也不相同，礦物摻合料含量在40%時(shí)的質(zhì)量損失比30%時(shí)小，粉煤灰和礦渣粉質(zhì)量比在2∶3時(shí)質(zhì)量損失比其他比例下小。因此，從上述實(shí)驗(yàn)中可以得出礦物摻合料在40%，粉煤灰和礦渣粉質(zhì)量比在2∶3時(shí)混凝土的抗凍融能力最強(qiáng)。

從輕骨料混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果(表3)可以發(fā)現(xiàn)，各組的碳化深度相差不大，表明添加摻合料后并沒有明顯提高輕骨料混凝土的抗碳化性能。當(dāng)摻合料取代率為40%，粉煤灰和礦渣粉比例為2∶3時(shí)，試塊的碳化深度最淺，為10.8mm，但相比較未添加摻合料試塊，碳化深度僅減少了1.1mm。當(dāng)摻合料對水泥的取代率為30%，粉煤灰和礦渣粉的比例為1∶2時(shí)，混凝土的碳化深度最大，最大為14.1mm，其抗碳化能力最差。

從輕骨料混凝土透水試驗(yàn)結(jié)果(表4)可以發(fā)現(xiàn)，添加了摻合料的輕骨料混凝土的相對滲透系數(shù)都比未添加摻合料時(shí)低，表明摻合料能有效提高輕骨料混凝土的抗?jié)B性。當(dāng)摻合料替代率為40%，粉煤灰和礦渣粉比例在2∶3時(shí)，混凝土的相對滲透系數(shù)數(shù)最小，為0.184×10-7cm/h，提高效果最強(qiáng)，當(dāng)摻合料對水泥的取代率為30%，粉煤灰和礦渣粉的比例為1∶2時(shí)，其相對滲透系數(shù)為0.319×10-6cm/h，抗?jié)B能力提高最弱。

表2 輕骨料混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失Table 2 Quality loss of freeze-thaw cycles of lightweight aggregate concrete 單位：%

從輕骨料混凝土自由收縮結(jié)果(表5)可以發(fā)現(xiàn)，添加摻合料后的輕骨料混凝土收縮率并未出現(xiàn)明顯的改善，除S2和S5號試塊的混凝土收縮率略低于未添加摻合料混凝土試塊外，其余組別均高于未添加摻合料試塊。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)摻合料替代率為30%，且粉煤灰和礦粉比例為2∶3時(shí)，其收縮率最低為0.02442。

從輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度(表6)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻合料替代率為30%，且粉煤灰和礦粉比例為2∶3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高為38.2MPa，而普通配合比下混凝土抗壓強(qiáng)度為36.9MPa，其強(qiáng)度提高了3.52%。

表3 輕骨料混凝土碳化深度Table 3 Carbonation depth of lightweight aggregate concrete

表4 輕骨料混凝土相對滲透系數(shù)Table 4 Relative permeability coefficient of lightweight aggregate concrete

表5 輕骨料混凝土試塊自由收縮率Table 5 Free shrinkage of lightweight aggregate concrete test blocks

表6 輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度Table 6 Compressive strength of lightweight aggregate concrete

4 結(jié)論

輕骨料混凝土的耐久性設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物的使用年限，更能影響結(jié)構(gòu)安全。本文從粉煤灰和礦渣粉兩種摻合料含量角度出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了不同摻合料替代率和兩種摻合料不同比例下，輕骨料混凝土的凍融循環(huán)特性、碳化特性、抗?jié)B性、收縮特性及抗壓特性，主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)兩種摻合料取代率為40%，且粉煤灰和礦渣粉比例為2∶3時(shí)，其抗凍融循環(huán)能力最強(qiáng)，在凍融循環(huán)175次后其質(zhì)量損失率僅為3.6%，相比較未添加摻合料時(shí)質(zhì)量損失率7.6%，質(zhì)量損失率減小了4%。

(2)礦物摻合料并未明顯提高輕骨料混凝土的抗碳化能力。當(dāng)摻合料取代率為40%，粉煤灰和礦渣粉比例為2∶3時(shí)，試塊的碳化深度最淺，為10.8mm，但相比較未添加摻合料試塊，碳化深度僅減少了1.1mm。

(3)當(dāng)兩種摻合料取代率為40%，且粉煤灰和礦渣粉比例為2∶3時(shí)，其相對滲透系數(shù)最小，為0.184×10-7cm/h，與未添加摻合料時(shí)，相對滲透系數(shù)6.26×10-7cm/h，相差約35倍。

(4)礦物摻合料并未明顯提高輕骨料混凝土的抗收縮能力。當(dāng)摻合料取代率為30%，粉煤灰和礦渣粉比例為1∶1時(shí)，其28d齡期的收縮率最低，為244.2×10-6，相比較未添加摻合料時(shí)的272.3×10-6收縮率，提高效果并不明顯。

(5)礦物摻合料能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)兩種摻合料取代率為40%，且粉煤灰和礦渣粉比例為2∶3時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高位38.2MPa，相比普通混凝土36.9MPa，其抗壓強(qiáng)度提高了3.52%。