不利环境下水工混凝土抗裂性试验研究_张成哲.pdf

1 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）不利环境下水工混凝土抗裂性试验研究张成哲（营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000）摘 要：文章应用环境试验箱模拟盐渍土侵蚀及大温差不利环境下，不同矿粉-粉煤灰掺量及基准组水工混凝土的抗折抗折强度及抗裂性能。试验表明：矿物掺合料的掺入可以提高水工混凝土强度增长速率和抗裂性能，但会降低其力学性能；掺 20%矿粉和 15%粉煤灰混凝土较基准混凝土 314d 抗压强度增长率提高 164.7%，28d 断裂能提高 50.74%，早期具有较高的抗压和抗折强度增长速率；经 SEM 微观分析，掺入适量的矿物掺合料可以明显减小裂缝宽度，改善混凝土孔隙结构、密实度及其抗裂性能。关键词：不利环境；矿物掺合料；抗裂性能；微观结构中图分类号：TV431文献标识码：AExperimental Study on Crack Resistance of Hydraulic ConcreteExperimental Study on Crack Resistance of Hydraulic Concreteunder Adverse Environmentunder Adverse EnvironmentZHANGCheng-zhe(Yingkou Urban Water Conservancy Investigation Construction Design Institute,Yingkou 115000,China)Abstract：Inthispaper,theenvironmentaltestchamberisusedtosimulatetheflexuralstrengthandcrackresistanceofhydraulicconcretewithdifferentslave-flyashcontentandreferencegroupundertheadverseenvironmentofsalinesoilerosionandlargetemperaturedifference.Theresultsshowthattheadditionofmineraladmixturescanimprovethestrengthgrowthrateandcrackresistanceofhydraulicconcrete,butreduceitsmechanicalproperties.Comparedwiththebenchmarkconcrete,theconcretemixedwith20%mineralpowderand15%flyashhas164.7%highercompressivestrengthgrowthrateat3-14dand50.74%higherfractureenergyat28d,andhashighercompressiveandflexuralstrengthgrowthrateatearlystage.SEManalysisshowsthattheproperamountofmineraladmixturescansignificantlyreducethecrackwidthandimprovetheporestructure,compactnessandcrackresistanceofconcrete.Key words：adverseenvironment;mineraladmixture;anti-crackingability;microstructure中国东北地区具有干燥少雨、受盐渍土侵蚀、昼夜温差大等特点，这种不利环境对水工构筑物耐久性能构成严重影响。混凝土水化放热引起的内部温度场变化以及所处环境的昼夜温差极易导致混凝土收缩开裂，加之东北沿海地区土壤含有大量、Cl-等侵蚀性离子，水工构筑物长期处于盐渍土环境下，其内部缺陷或裂缝会加速有害离子的侵蚀，使得混凝土耐久性明显下降1-3。因此，有必要深入探讨盐渍土大温差不利环境下的混凝土耐久性能。收稿日期 2022-12-21作者简介张成哲（1977-），男，辽宁营口人，高级工程师，研究方向为水土保持、水利工程设计、水利工程建设管理等。文章编号:1007-7596（2023）01-0001-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.037 2 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）有研究表明，掺入适量的矿物掺合料有利于促进水泥水化，在一定程度上降低混凝土的收缩开裂风险4-8。周白林等9通过对比试验探讨了矿物掺合料的影响作用，结果显示复掺 5%硅灰+30%矿渣+15%粉煤灰的抗侵蚀能力最优；魏亚等10试验探讨内养护和普通混凝土的性能差异，结果表明内养护技术难以有效改善混凝土的抗裂性；王洪生等11以 10%、20%、30%粉煤灰定量替代水泥，通过开裂试验发现粉煤灰掺量越高则混凝土的抗裂性能越好；陈有亮等12认为混凝土的弹性模量、峰值应力、力学性能均随着高温循环次数的增多和温度的升高而降低；田帅等13研究认为适量的矿粉和粉煤灰可以显著改善混凝土抗氯离子侵蚀性能，但会降低其抗冻性能。通过分析现有文献资料，综合考虑盐渍土、大温差不利环境下水工混凝土抗裂性能的研究还鲜有报道。因此，文章应用环境试验箱模拟盐渍土侵蚀及大温差不利环境，探讨不同矿粉和粉煤灰掺量各龄期混凝土力学性能、抗裂性能和微观结构变化特征，旨在为北方严寒及其它不利环境下矿物掺合料水工混凝土的应用提供一定参考。1 试验材料与方法1.1 原材料1）水泥：山东山水水泥集团有限公司生产的PO42.5 级水泥，比表面积 375m2/kg，初、终凝时间 195min 和 248min，3d、28d 抗压强度 32MPa和 56MPa，抗折强度 6.6MPa 和 8.9MPa。2）矿物掺合料：绥中电厂生产的 F 类级粉煤灰，细度 5.7%，需水量比 98%，比表面积286m2/kg，密度 2.30g/cm3，含水量 0.50%，烧失量1.2%；大连亚泰科技新材料股份有限公司生产的S95 级矿粉，比表面积 429m2/kg，密度 3.10g/cm3，含水量 0.25%，烧失量 4.6%，7d、28d 活性指数 85%和 108%，各项性能指标均符合现行规范要求。3）粗细骨料：粒径 520mm 的天然碎石，表观密度 2770kg/m3，坚固性 1.0%，压碎指标 7.5%，细度模数 2.5 的天然河砂，表观密度 2650kg/m3，石粉含量忽略不计。4）外加剂：苏博特PCA-聚羧酸高效减水剂，经检测减水率 28%。5）拌合水：当地自来水。1.2 配合比依据试验目的和 水工混凝土配合比设计规程初步设计出 4 种不同矿物掺合料掺量的混凝土，设计水胶比 0.42，用矿粉和粉煤灰等量替代水泥。水工混凝土配合比，见表 1。表 1 水工混凝土配合比 kg/m3编号水水泥矿粉粉煤灰石砂减水剂A01603800011457001.2A1160266763811457001.0A2160266575711457001.0A3160247765711457000.8注：A0 组矿粉、粉煤灰掺量为 0%；A1 组掺 20%矿粉+10%粉煤灰；A2 组掺 15%矿粉+15%粉煤灰；A3 组掺 20%矿粉+15%粉煤灰。1.3 试验方法1）试验条件。水工混凝土试件的制备严格按照水工混凝土试验规程执行，具体流程如下：将预先称量好的原材料倒入 SJD-60 搅拌机内，干拌 120s 加入减水剂，再混合搅拌 120s 倒出装入试模，机械振捣以保证内部密实性，为防止试模表面水分散失用塑料薄膜覆盖，并编号标记。24h 成型后拆模，然后将混凝土试件置于环境模拟试验箱。控制试验箱内的温度为-540，湿度 40%，一个循环周期内包括 5h 低温(-5)、6h 高 温(40 )恒 温 段 和 8h 升 温(-540 )、5h 降温(40-5)变温段，循环周期 24h，配制5%Na2SO4+3%NaCl 复合溶液，为模拟盐渍土侵蚀环境试验选用喷雾洒水的方式。环境模拟试验箱内部结构，见图 1。图 1 环境模拟试验箱内部结构2）测试方法。水工混凝土的抗压与抗折强度测试方法参考 混凝土物理力学性能试验方法标准，抗压试件为100mm100mm100mm立方体，采用WHY-2000 微机控制压力试验机测试各组试件的 3 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）抗压强度；抗折试件为 400mm100mm100mm棱柱体，利用相同试验机按“四点加载法”测试各组试件破坏时的峰值荷载，并计算确定其抗折强度。混凝土的断裂性能测试方法参考水工混凝土断裂试验规程，断裂性能测试试件为515mm100mm100mm 棱柱体，按照三点弯曲加载试验法利用 WAW-1000 型万能试验机进行测试，详细流程为：试验之前先测量混凝土试件的预制裂缝长度、质量、形状尺寸等参数，试验时采用夹式引伸计、位移传感器和荷载传感器测量试件的裂缝张开口位移值、跨中挠度及断裂荷载，结合测量数据利用下式计算出断裂能 GF14：(1)式中：m、g、0为加载垫块与试件总质量，kg；重力加速度以及试件断裂时的变形值，g 取9.81m2/s；A、W0为断裂带横截面积，m2；挠度与荷载曲线围成的面积，N/m。2 试验结果与分析2.1 力学性能模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各组混凝土不同龄期抗压强度，不利环境下混凝土抗压强度，见图 2。结果显示，龄期 3d 时 A0 组混凝土抗压强度最高 36.1MPa，A3 组混凝土抗压强度最低29.3MPa，314d 期间 A3 组混凝土抗压强度增速最快，强度增长率较 A0 组提高 164.7%；1428d 期间A3 组混凝土强度增速逐渐放缓，而其它组增速较快；A1、A2、A3 组试件 28d 抗压强度达到 A0 组的 86.46%、90.97%、88.89%，均小于未掺矿物掺合料的 A0 组，这表明在盐渍土侵蚀和大温差环境下矿物掺合料的掺入会降低抗压强度，但降幅不大。图 2 不利环境下混凝土抗压强度模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各组混凝土不同龄期抗折强度，不利环境下混凝土抗折强度，见图 3。结果显示，随着龄期的增大混凝土抗折强度逐渐增加，龄期 314d 时 A0 基准混凝土抗折强度均高于掺矿物掺合料组，A1、A2、A3 组试件 28d 抗折强度达到 A0 组的 95.74%、102.13%、104.26%，掺矿物掺合料组总体高于基准混凝土的抗折强度增长率，约为基准组的 2 倍。图 3 不利环境下混凝土抗折强度2.2 抗裂性能模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下龄期 28d 时各组混凝土裂缝张开口位移荷载关系线，裂缝张开口位移-28d 荷载关系线，见图 4。结果显示，掺矿物掺合料组的裂缝张开口位移荷载关系线上升段斜率低于 A0 组，下降段斜率相差不大并最终趋于平稳，相比于其它掺矿物掺合料组 A3 组的裂缝张开口位移荷载关系线下降段更加平缓，但各组的关系曲线整体相差不明显，应结合 SEM 微观结构、断裂能和荷载峰值进一步探讨混凝土的抗裂性能。图 4 裂缝张开口位移-28d 荷载关系线模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各龄期混凝土断裂荷载峰值，混凝土断裂荷载峰值，见图 4。4 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science