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2023-02-13 04:16:12趙恒祥
水利科技與經(jīng)濟(jì) 2023年1期
關(guān)鍵詞:凍融循環(huán)凍融納米材料

李 娜,趙恒祥

(1.淄博市水利勘測設(shè)計院有限公司,山東 淄博 255000;2. 山東水利技師學(xué)院,山東 淄博 255000)

1 概 述

溫度是影響混凝土強(qiáng)度的一個因素,大壩因工程量大、環(huán)境復(fù)雜,其混凝土強(qiáng)度極易受到溫度的影響而改變。尤其對于寒冷地區(qū)而言,季節(jié)變換時溫差較大,混凝土存在凍融循環(huán)的情況,這種情況會使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫,并不斷擴(kuò)散,對其強(qiáng)度和耐久性會造成嚴(yán)重影響[1-2]。凍融作用不僅會降低混凝土的耐久性和力學(xué)性能,還會導(dǎo)致其他因素對混凝土造成破壞,比如溶蝕和沖刷。這些破壞因素都會嚴(yán)重威脅到大壩的安全性和穩(wěn)定性,國內(nèi)多處大壩都因為凍脹、凍融作用而受到程度不同的破壞[3]。所以,怎樣使大壩混凝土具有更好的抗凍性能,具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和工程意義。

大壩混凝土抗凍性提升的關(guān)鍵點(diǎn)在于原材料的選用,科學(xué)合理的材料配比決定了混凝土的強(qiáng)度和耐久性的高低。在混凝土原材料中,粗骨料占比最大,而骨料的類型、粒徑、吸水率等都會對混凝土性能產(chǎn)生影響。研究結(jié)果表明,相等情況下,原材料為砂巖的抗凍性最不好;玄武巖和花崗巖略強(qiáng);灰?guī)r最強(qiáng)。骨料的強(qiáng)度隨其吸水能力的增強(qiáng)而減弱,骨料中水分含量越多,越容易受到凍融作用的破壞。所以選用優(yōu)質(zhì)骨料可以減少增強(qiáng)混凝土的抗凍性,并減少用水量[4]。再者可以向混合料中加入優(yōu)質(zhì)材料,改善混凝土的膠凝能力,提高結(jié)構(gòu)密實性。如礦渣和粉煤灰,能夠改善骨料和水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu),從而提高其強(qiáng)度。所以在符合國家規(guī)定的情況時,合理科學(xué)地對混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計,對提高其抗凍性和力學(xué)強(qiáng)度是十分重要的。

隨著納米科技的完善,研究人員將混凝土與納米材料相結(jié)合,探索了一條發(fā)展混凝土的新路徑。 DU等[5]向混凝土中加入納米二氧化硅,對其耐久性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)混凝土的抗?jié)B性能得到顯著的提高。 BALAGURU[6]通過研究發(fā)現(xiàn),納米結(jié)構(gòu)能夠使混凝土的耐久性得到較好的改善。杜應(yīng)吉等[7]研究了凍融條件下納米材料的抗凍性,發(fā)現(xiàn)混凝土中氣泡的數(shù)量因納米材料的加入而大大減少,防止了孔隙中水分因被凍結(jié)脹開而引起的破壞,將混凝土的抗凍能力提高了至少50%。

近些年,納米材料價格的降低和粒徑的變小,為其應(yīng)用在實際工程中提供了可能性。本文設(shè)計不同凍融次數(shù)下納米材料混凝土的劈裂和抗壓試驗,研究納米材料對混凝土的改良效果,為更多的大壩工程提供理論基礎(chǔ)。

2 研究方法和設(shè)計試驗

納米材料作為一種不錯的改良材料,因此研究凍融循環(huán)條件下,大壩納米材料混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律是十分重要的。本文以實際大壩工程為背景,通過向混凝土內(nèi)添加納米材料,設(shè)計了室內(nèi)劈裂、抗壓以及凍融循環(huán)試驗,研究凍融循環(huán)條件下,納米材料對混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。為了試驗結(jié)果更具有真實性、準(zhǔn)確性,能夠精準(zhǔn)揭示大壩混凝土力學(xué)性質(zhì)在凍融作用下的變化規(guī)律,制作試樣樣品時以實際大壩工程中所用的混凝土種類和配比為參考,并從宏觀角度對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如納米材料混凝土劈裂、抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)次數(shù)不同情況下的變化規(guī)律,以此來判斷納米材料對高寒地區(qū)混凝土力學(xué)性能的影響,為該類地區(qū)大壩工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

2.1 原材料和配合比

為保證試驗的準(zhǔn)確性,原材料擇優(yōu)選取,納米材料選用3 500元/t的無機(jī)有機(jī)復(fù)合型材料,主料是類Ⅰ級粉煤灰、人為破碎的花崗巖骨料和42.5低熱硅酸鹽水泥,輔以引氣劑和高效減水劑。骨料級配是小石:中石:大石:特大石=20:20:30:30,其中最大骨料粒徑是150mm。

在設(shè)計混凝土的配比時,初步選定兩種類型的混凝土。第一種是添加納米材料的改性水泥土(簡稱MCC);第二種為普通混凝土(簡稱ODC),強(qiáng)度等級為C18040,其被廣泛應(yīng)用在大壩建造工程中。表1為兩類混凝土的配合比。從表1中的配合比數(shù)據(jù)能夠看出,與不含納米材料相比,向混凝土中加入納米材料不僅可以保持相同的黏聚性,還可以減少水和水泥的用量,可降低大壩工程的材料成本。其中,每立方米水泥降低9kg,用水量減少7kg。表明砼加入納米材料后,其中凝結(jié)材料的級配得到優(yōu)化,強(qiáng)化了混凝土的結(jié)構(gòu),使其更加堅實。

表1 低熱水泥全級配混凝土配合比

2.2 試驗方案

2.2.1 試樣制作

制作混凝土凍融試樣的尺為100 mm×100 mm×400 mm(長×寬×高),方法為濕篩法。試樣經(jīng)過凍融試驗后取出,用切割機(jī)將其分割成圓柱體試樣和立方體試樣,尺寸分別為100 mm×50 mm(直徑×高)與100 mm×100 mm×100 mm(長×寬×高),將分割好的試樣放置好,用作后續(xù)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、劈裂以及抗壓試驗。

2.2.2 測試方法和儀器

凍融試驗方法為室內(nèi)進(jìn)行的加速凍融法,選用的儀器是全自動快速凍融機(jī),型號為CDR6-9。試樣制作完成之后,養(yǎng)護(hù)滿90d,放入快速凍融機(jī)內(nèi),凍融液的溫度為-25℃~ 20℃,試樣中心溫度為(-18±2)℃~(5±2)℃,每次凍融過程時間為3.0±0.5h。

3 分析實驗結(jié)果

3.1 劈裂試驗分析

圖1為MCC混凝土和ODC混凝土劈拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化而改變的規(guī)律。從圖1中可以看出,在凍融次數(shù)達(dá)到300、500及800次時,MCC混凝土劈拉強(qiáng)度降低19.4%~54.5%,ODC混凝土的劈拉強(qiáng)度降低24.5%~59.0%。當(dāng)凍融次數(shù)一致時,與ODC混凝土相比,MCC混凝土劈拉強(qiáng)度增加幅度達(dá)到7.6% ~19.3%,說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高,兩類混凝土的劈拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)出下降的趨勢,且下降速度大致相同。盡管兩類混凝土劈拉強(qiáng)度都在下降,但總體而言,MCC混凝土的劈拉強(qiáng)度一直大于普通混凝土的劈拉強(qiáng)度,表明納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強(qiáng)度;并且凍融循環(huán)并不會對這種提高效果造成影響,表明即使在溫差較大、溫度交替頻繁的情況下,納米材料仍能保持對混凝土較好的改良效果。但需要說明的是,雖然在不同次數(shù)的凍融循環(huán)下,納米材料混凝土強(qiáng)度一直大于普通混凝土,但兩者在循環(huán)次數(shù)同步增長的情況下,劈拉強(qiáng)度下降趨勢相同,表明納米材料并不能抑制凍融對混凝土自身劣化的趨勢,僅能起到提高劈裂強(qiáng)度的效果。圖2直觀地反映出納米材料可以對混凝土抗劈裂能力起到很好的改良效果。

圖1 凍融循環(huán)和劈拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖2 凍融循環(huán)中MCC和ODC的劈拉強(qiáng)度比

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖3為MCC混凝土和ODC混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化而改變的規(guī)律。從圖3中可以看出,兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加,都呈現(xiàn)出緩慢變大、在300次左右達(dá)到峰值后加速減小的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是凍融開始前期,混凝土內(nèi)部不會受到太大的損傷,同時粉煤灰、納米材料及水泥的持續(xù)反應(yīng)會不斷改善混凝土的結(jié)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)更加密實,強(qiáng)度提高。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加后,混凝土內(nèi)部孔隙中的水分被凍結(jié),體積發(fā)生膨脹,對混凝土結(jié)構(gòu)造成影響,損傷不斷積累,加速了混凝土內(nèi)部的破壞。經(jīng)歷800次凍融以后,MCC混凝土抗壓強(qiáng)度減少2.8%,而ODC混凝土降低幅度達(dá)到5.0%,說明納米材料能夠明顯改善凍融對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,削弱混凝土的降低幅度,這是劈裂強(qiáng)度所不具備的特點(diǎn)。當(dāng)凍融次數(shù)一致時,與ODC混凝土相比,MCC混凝土對抗壓強(qiáng)度的提高幅度要高出3.1%~8.0%。并且在凍融次數(shù)300次時,前者的抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者,說明納米材料具對混凝土抗壓強(qiáng)度有非常顯著的改良效果。從圖4可以看出,與水泥和粉煤灰相比,混凝土內(nèi)的納米材料發(fā)揮了更好的填充作用、活化作用,改善了土體結(jié)構(gòu),降低了凍融對混凝土的破壞。

圖3 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 凍融循環(huán)中MCC和ODC的抗壓強(qiáng)度比

4 結(jié) 論

本文基于納米材料活性高、尺寸小的特點(diǎn),研究凍融作用下,納米材料對混凝土力學(xué)性能的影響。通過設(shè)置MCC混凝土與ODC混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的劈裂對比試驗和抗壓對比試驗,準(zhǔn)確評價納米材料對混凝土的改良作用,結(jié)論如下:

1)納米材料的增加可以減少混凝土中水和水泥的用量,其中每立方米水泥降低9kg、用水量減少7kg,可大大降低大壩工程的材料成本,利于大壩工程的發(fā)展。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高,MCC和ODC混凝土的劈拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)出下降的趨勢,且下降速度大致相同;納米材料能夠有效提高混凝土的劈拉強(qiáng)度,對混凝土起到較好的改良效果,并且凍融循環(huán)不會對這種提高效果造成影響,但納米材料不能抑制凍融對混凝土的劈裂劣化程度。

3)兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加,都呈現(xiàn)出緩慢變大再逐漸降低的趨勢,在300次左右達(dá)到峰值點(diǎn)。當(dāng)凍融次數(shù)一致時,與ODC混凝土相比,MCC混凝土對抗壓強(qiáng)度的提高幅度要高出3.1%~8.0%,并且前者的抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者,說明納米材料具對混凝土抗壓強(qiáng)度有非常顯著的改良效果,且能有效抑制凍融對混凝土抗壓的劣化程度。

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