唐 強(qiáng)

（大連市莊河市鞍子山鄉(xiāng)人民政府水利站，遼寧 莊河 116414）

為緩解天然骨料資源日趨短缺的矛盾，經(jīng)機(jī)械破碎、篩分、整形等技術(shù)工藝制成的人工骨料被越來越多的應(yīng)用于水電工程混凝土領(lǐng)域[1-2]。人工砂具有級(jí)配穩(wěn)定、石粉含量可控、物理力學(xué)性能好、強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，然而受母巖巖性和加工方法等方面的影響人工砂的石粉含量往往具有較大差異。石粉多少直接決定著干縮率、抗拉與抗壓強(qiáng)度、拌和物性能等，并對(duì)抗裂性能產(chǎn)生間接影響，而水工混凝土試驗(yàn)研究和配合比設(shè)計(jì)一直追求較高的抗裂性能[3]。另外，在飽水條件下水工混凝土受凍融作用極易產(chǎn)生凍脹破壞，其抗凍性能也是寒冷地區(qū)混凝土耐久性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)[4]。鑒于此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)40%砂率+6%、8%、10%、12%石粉含量四組試件，12%石粉含量+37%、38%、39%砂率三組試件，探討水工混凝土抗凍性與人工砂、石粉之間影響關(guān)系。

1 試驗(yàn)分析

1.1 原材料

水泥選用金隅P·O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度370m2/kg，用水量24.8%，細(xì)度1.30%，比表面積3.12g/cm3，初凝、終凝時(shí)間180min 和255min，3d、28d 抗折強(qiáng)度5.6MPa 和8.5MPa，3d、28d 抗壓強(qiáng)度18.8MPa 和49.1MPa。

粉煤灰用綏中電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度20.4%，含水量0.1%，需水量比99%，燒失量3.8%，28d 活性指75.0%。

石粉主要通過研磨石屑制備而成，含量88.1%，試驗(yàn)用石粉細(xì)度主要有4 種，即S1、S2、S3、S4。

外加劑選用科諾QW-4 聚羧酸高效減水劑，摻量取膠凝材料的2.0%，含固量17.1%，減水率28%，摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度230mm，1h 坍落度損失10mm。

人工砂采用骨料生產(chǎn)系統(tǒng)制成的機(jī)制砂，人工砂棱角尖銳，表面粗糙，不同細(xì)度模數(shù)的人工砂凸凹程度相當(dāng)，其主要參數(shù)與力學(xué)性能如表1 所示。

表1 人工砂的性能與配制

拌合水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的有關(guān)要求和計(jì)算方法，通過改變?nèi)斯ど吧奥始笆酆亢侠碓O(shè)計(jì)配合比，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 測(cè)試方法

參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試水工混凝土的工作性能、抗凍融性能、抗壓強(qiáng)度，依據(jù)試驗(yàn)配合比稱取所需原材料，經(jīng)拌和、振搗、入模、成型養(yǎng)護(hù)后制成400mm×100mm×100mm 的試件，標(biāo)養(yǎng)28d 后按規(guī)程測(cè)定抗凍融性能。試驗(yàn)采用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量下降率評(píng)價(jià)混凝土抗凍耐久性，當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)到8%、相對(duì)動(dòng)彈模量減少65%或凍融循環(huán)達(dá)到300 次的條件之一時(shí)，則判定為混凝土被完全破壞，終止凍融試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同石粉含量的影響

1）抗凍融彈性模量。水工混凝土抗凍融彈性模量受不同石粉含量的影響規(guī)律，如圖1 所示。

圖1 不同石粉含量的抗凍融彈性模量

結(jié)果顯示，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大S1、S2、S3、S4 試件的彈性模量均呈下降趨勢(shì)，250 次凍融循環(huán)后試件的彈性模量降幅變小，變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。相同凍融次數(shù)下，隨石粉含量的增加S1、S2、S3、S4 試件的彈性模量逐漸減少，究其原因是早期石粉發(fā)揮著促進(jìn)作用，受冰晶體膨脹壓力和環(huán)境水的侵入作用早期混凝土無微裂縫擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)且表面完整，具有較好的抗凍性[5]。水工混凝土的抗晶體膨脹壓力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而下降，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，結(jié)構(gòu)整體性破壞，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸小于局部壓應(yīng)力，原本密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，經(jīng)多次反復(fù)凍融微裂縫開始變大，表面開始脫落，混凝土質(zhì)量下降[6]。

2）抗凍融質(zhì)量損失率。水工混凝土抗凍融質(zhì)量損失率受不同石粉含量的影響規(guī)律，如圖2 所示。

圖2 不同石粉含量的抗凍融質(zhì)量損失率

結(jié)果表明，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大S1、S2、S3、S4 試件的質(zhì)量損失率均呈上升趨勢(shì)，相同凍融次數(shù)下，隨石粉含量的增加S1、S2、S3、S4 試件的質(zhì)量損失率逐漸增大，摻12%石粉的S4 試件相較于摻6%石粉的S1 試件最大相對(duì)質(zhì)量損失率提高了26.6%，這是混凝土表面質(zhì)量損失較小與水泥水化引起的質(zhì)量增加共同作用的結(jié)果。早期石粉發(fā)揮著促進(jìn)作用，標(biāo)養(yǎng)28d 后，混凝土硬化結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)作用易發(fā)生破壞，在宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)量損失率的持續(xù)增大[7]。石粉的微集料效應(yīng)具有填充混凝土內(nèi)部空隙的作用，使得結(jié)構(gòu)整體的密實(shí)度和抗凍性明顯提高。因此，摻入適量的石粉有利于優(yōu)化砂漿的孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和水泥的抗凍性能，若機(jī)制砂石粉含量過高則不利于抗凍性的改善。因此，最佳石粉含量范圍為10%～50%，該石粉含量可以有效改善混凝土抗凍性。

2.2 不同人工砂的影響

1）抗凍融彈性模量。水工混凝土抗凍融彈性模量受不同人工砂含量的影響規(guī)律，如圖3 所示。

結(jié)果顯示，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大S4、S5、S6、S7 試件的彈性模量均呈下降趨勢(shì)，250 次凍融循環(huán)前試件的彈性模量降幅較大，變化趨勢(shì)比較明顯，250 次凍融循環(huán)后試件的彈性模量降幅較小，變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。相同凍融次數(shù)下，隨石粉含量的增加S4、S5、S6、S7 試件的彈性模量逐漸減少，摻40%人工砂的S4 試件相較于摻37%人工砂的S7 試件彈性模量最高多出31.52%，究其原因是人工砂改善了拌合物的工作性能，增加了混凝土漿體量。從抗壓強(qiáng)度上，水工混凝土中的人工砂發(fā)揮著一定的微集料填充效應(yīng)，當(dāng)混凝土漿體含量少而人工砂含量較高時(shí)，人工砂的微集料效應(yīng)在一定程度上提高了混凝土密實(shí)度[8-10]；當(dāng)人工砂對(duì)水泥比例過高而人工砂含量較低時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土的堆積效果產(chǎn)生破壞作用，水泥無法較好地包裹人工砂，從而降低了試件的彈性模量。

2）抗凍融質(zhì)量損失率。水工混凝土抗凍融質(zhì)量損失率受不同人工砂含量的影響規(guī)律，如圖4 所示。

結(jié)果表明，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大S4、S5、S6、S7 試件的質(zhì)量損失率均呈上升趨勢(shì)，相同凍融次數(shù)下，隨人工砂含量的減小S4、S5、S6、S7試件的質(zhì)量損失率逐漸減小，摻40%人工砂的S4試件相較于摻37%人工砂的S4 試件最大相對(duì)質(zhì)量損失率提高了23.60%。深入分析可知，水泥的表觀密度小于人工砂，這在一定程度上減少了漿體量，拌和過程中漿體下沉易形成不同于主體微觀結(jié)構(gòu)的多孔漿層，在凍融作用下最先產(chǎn)生破壞，多次反復(fù)凍融后出現(xiàn)剝蝕脫落[11-13]。標(biāo)養(yǎng)28d 時(shí)，摻量較高且活性效應(yīng)有限的人工砂會(huì)使得混凝土孔隙率增大，這導(dǎo)致混凝土抗凍融性有所下降，人工砂的摻入降低了混凝土的抗凍融性能，在長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)變得疏松。

3 結(jié) 論

1）隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大不同石粉含量或人工砂含量的水工混凝土彈性模量均表現(xiàn)出減小趨勢(shì)；凍融次數(shù)相同時(shí)，隨石粉含量或人工砂含量的增加混凝土彈性模量均呈減少趨勢(shì)，摻12%石粉的S4 試件相較于摻6%石粉的S1 試件最大相對(duì)質(zhì)量損失率提高了26.6%，摻40%人工砂的S4 試件相較于摻37%人工砂的S7 試件彈性模量最高多出31.52%，摻40%人工砂的S4 試件相較于摻37%人工砂的S4 試件最大相對(duì)質(zhì)量損失率提高了23.60%。

2）人工砂和石粉的硬化結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)作用極易發(fā)生破壞，在宏觀上體現(xiàn)在質(zhì)量損失率的增加和彈性模量的減少。石粉的微集料效應(yīng)有利于填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高其整體密實(shí)性與抗凍性，摻人工砂和石粉可以增加拌合物漿體量，改善拌合物工作性。