不同种类液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响_袁倩男.pdf

第 卷第期 材料科学与工程学报 总第 期 文章编号：（）不同种类液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响袁倩男，何廷树，刘莎，杨仁和，官梦芹（西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 ；厦门市建筑科学研究院，福建 厦门 ）【摘要】针对寒冷地区喷射混凝土存在冻胀破坏现象，采用快冻法，对比研究了偏铝酸钠基（）、氟铝酸基（）及硫酸铝基（）三种液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响。结果表明：冻融循环后，掺 混凝土的质量损失率、抗压强度损失率及相对动弹模量损失率均最大，外观破坏最严重。而掺 的，掺 的混凝土受冻融破坏程度小，且与不掺速凝剂的基准混凝土相当。及显微分析表明：掺 的混凝土有害大孔多，最可几孔径、平均气孔直径及气孔间距大；掺 的混凝土有害大孔少，最可几孔径、平均气孔直径及气孔间距小；掺的混凝土间于 、的之间。及会极大降低混凝土的抗冻性能，前者尤甚。有抗冻要求的喷射混凝土工程，应选择使用 ，而不应使用 及。【关键词】混凝土；液体速凝剂；抗冻性能；孔隙结构中图分类号：文献标志码：，（，；，）【】，（），（）（），【】；收稿日期：；修订日期：基金项目：垒知创新基金资助项目（）作者简介：袁倩男（），硕士研究生，研究方向：建筑材料。：。通信作者：何廷树（），教授，博士，研究方向：建筑材料。：。前言喷射混凝土在隧道及矿井巷道的初期或永久支护、基坑边坡支护、结构加固等领域广泛使用。在寒冷地区，喷射混凝土结构的冻胀破坏现象不容忽视。如多山的日本，修建的铁路隧道中 都存在着冻胀破坏现象。我国部分隧道，如大坂山隧道、天山二号隧道及牙林线岭顶隧道等也存在冻胀破坏现象，有的已需要维修加固才能继续运行使用。冻胀破坏现象已经严重影响了建筑结构的安全性，因此对喷射混凝土抗冻性能及对其影响因素 的 研究 具 有重要意义。近年来，许多学者对影响喷射混凝土抗冻性能的因素展开了广泛研究。有研究表明，喷射混凝土的抗冻性能与其孔结构有密切关系，通过掺入引气剂、纤维、纳米掺合料、硅灰等有利于改善喷射混凝土的孔结构，从而增强其抗冻性能 。除此之外，喷射混凝土的喷射工艺也会对抗冻性能产生影响。喷射工艺可分为干喷法和湿喷法。湿喷法可提高混凝土内部直径小于 的气孔数量，因此抗冻性能明显优于干喷法成型的喷射混凝土 。此外，合适的喷射风压可大大降低混凝土拌合物在喷射过程中的气孔损失。等 对一种低碱喷射混凝土在渗流温度及温度的两种环境条件下的抗冻性能进行了研究，结果表明渗流环境会降低其抗冻性能。等 对覆盖喷射混凝土的花岗岩板进行冻融试验，通过连续监测温度和声发射，证实了水会导致混凝土的劣化。速凝剂作为配制喷射混凝土中不可或缺的组成部分，其种类及结构组分也是影响喷射混凝土性能的重要因素。速凝剂分为粉体速凝剂和液体速凝剂两大类。目前，粉体速凝剂因存在粉尘污染大、回弹量大等缺陷，逐渐被淘汰，而液体速凝剂因克服了上述缺点，得到广泛研究应用。液体速凝剂主要分为碱性（当量碱含量 ）和无碱（当量碱含量 且 ）两大类。碱性液体速凝剂目前研究应用较多的是以氢氧化钠、氢氧化铝为主要原料合成的偏铝酸钠基（简称）。无碱液体速凝剂目前研究应用较多的是以氢氧化铝、氢氟酸、硫酸铝为主要原料合成的氟铝酸基（简称 ）和以硫酸铝和有机、无机酸为主要成分的硫酸铝基（简称 ）。有关液体速凝剂的研究，目前多集中在产品开发，以及不同种类液体速凝剂对喷射混凝土抗碳化、抗渗、抗硫酸盐侵蚀和施工性能、力学性能及体积稳定性等方面的影响，而有关液体速凝剂种类及组分构成对混凝土抗冻性能的影响，至今鲜有研究报道。鉴于此，本实验系统地研究了、和 三种液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响差异性，并结合混凝土气孔结构 分 析、压 汞 法（，），探讨了三种液体速凝剂对混凝土抗冻性能影响差异性的原因。实验 原材料及配合比试验采用海螺 水泥。细骨料为细度模数 的渭河河砂，含泥量 。粗骨料为灵寿县 的连续级配瓜米石。砂浆强度检测使用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的 标准砂。碱性液体速凝剂产自陕西友邦新材料科技有限公司，是以 、（）为主要原料合成的。两种 无 碱 液 体 速 凝 剂 为 实 验 室 自 制。是 以（）、氢氟酸（）、（）为主要原料，复合适量其它促凝、早强增效剂和稳定剂等配制而成的。是以 （）和有机、无机酸为主要成分，复合适量其它促凝、早强增效剂和稳定剂等配制而成的。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，陕西友邦新材料科技有限公司生产，固含量为，减水率为。所用水泥的性能参数与化学组成如表、表所示，三种液体速凝剂基本物理性能及相关成分含量如表所示。由表可知：碱性液体速凝剂，碱含量高；两种无碱液体速凝剂，的 含量高、含量表水泥的性能参数 （）表水泥的化学成分 第 卷第期袁倩男，等 不同种类液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响表液体速凝剂主要性能参数 （）（）低，的含量很低，但 含量高。净浆及砂浆的性能测试参考 喷射混凝土用速凝剂（）进 行，、分别表示液体速凝剂掺量为水泥质量的、的 净浆 试 样，测 试 结 果 如 表所示。表掺加液体速凝剂的净浆及砂浆性能 （）试 验 混 凝 土 试 件 成 型 采 用 水 胶 比 ，砂 率，减水剂掺量为水泥用量的。试件掺加三种不同种类液体速凝剂：、。、分别表示液体速凝剂掺量为水泥质量的、的混凝土试件。试验配合比如表所示（所有配合比的拌合水加外加剂中的水，即总水量相同）。由表可知：在水胶比相同的情况下，经过标养，和 的抗压强度均高于 的，的抗压强度低于 的；的 抗压强度最低，、及 的 抗压强度相近，其中 的强度略低。表混凝土配合比及抗压强度 （）（）（）（）混凝土冻融试验方法试验参考 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（）。试件在标准养护条件下养护，饱水取出，擦除表面水分，分别测量外观尺寸、初始质量，随后进行快速冻融试验。每 次冻融循环后进行一次性能测试，力学性能试验使用尺寸为 的试件，相对动弹性模量使用尺寸为 的试件。采用冻融循环前后质量损失率、抗压强度损失率及相对动弹性模量等参数来评价掺加不同液体速凝剂混凝土的抗冻性能。测试将水化 混凝土试件取中心未碳化部分，在无水乙醇中浸泡 后放入真空干燥箱干燥至恒重，抽真空 后用麦克 型全自动压汞仪检测。混凝土气孔结构测试将水化 及冻融循环 次的混凝土试件切割成 的薄板，将切割面分别用 目、目、目、目、目及 目的砂纸依次打磨，清洗后用碳化硅丙三醇悬浊液为介质在抛光机上抛光，超声清洗，随后在 环境下烘干，冷却至室温，用黑色记号笔将抛光面均匀涂黑，干燥 后用纳米碳酸钙粉末填充气孔；利用光学显微镜对处理后的试件表面拍照，用 软件计算混凝土孔结构。结果与讨论 质量损失率试件质量损失率如图所示。从图可见，混凝土的质量损失率随循环次数的增加而增大。循环 次后，、的质量损失率分别为 、，的质量损失率已超过破坏标准（质量损失率），其他三种材料科学与工程学报 年月图冻融循环后试件的质量损失率 混凝土质量损失率相差不大，均较小。冻融循环 次后，、的质量损失率分别为 、，其中 的质量损失率远超过破坏标准，的质量损失率接近破坏标准，的质量损失率与 相当，仍较小。循环 次后，、的质量损失率分别为 、，均接近破坏标准；的质量损失率为 、已粉碎无法测量其质量损失率，远超破坏标准。因此，从质量损失率来看，对喷射混凝土抗冻性影响最严重，其次是，而 的影响较小。抗压强度损失率试件抗压强度损失率如图所示。图冻融循环后试件的抗压强度损失率 从图可见，混凝土的抗压强度随着循环次数的增加而下降。循环 次后，、的 强 度 损 失 率 分 别 为 、，其中、的强度损失已超过破坏标准（抗压强度损失率）。循环 次后，、的强度损失率分别为 、，除基准混凝土强度损失接近 以外，其他掺速凝剂的三种混凝土的强度损失率均已超过，其中 的最大，其次是的，相对而言 的较小。因此，从强度损失率来看，对喷射混凝土抗冻性影响最严重，其次是，而 的影响较小，这与质量损失率的结果一致。相对动弹性模量试件相对动弹性模量如图所示。图冻融循环后试件的相对动弹性模量 从图可见，混凝土相对动弹性模量随循环次数的增加 而 降 低。循 环 次 后，、的相对动弹性模量分别为 、，远超过试件破坏标准（相对动弹性模量 ）。循 环 次 后，、的相对动弹性模量分别为 、，、的均超过破坏标准，而 、的相对动弹性模量较好。动弹模量、抗压强度及质量随冻融循环次数的损失情况均表明：对喷射混凝土的抗冻性能影响最严重，其次是，而 的影响较小。外观形貌观察试件外观形貌如图所示。从图可见，试件的破坏程度随循环次数的增加而增大。循环 次后，、及 表面完好，而 表面浆体剥落。循环 次后，、表面开始出现极少量剥落，而、的剥落明显。冻融循环 次后，、表面浆体脱落量增加，但结构基本完整，但、已无法保持立方体形状，尤其是 ，外部骨料完全脱落。冻融循环 次后，、表皮完全剥落，但仍可看到边、角形状，而 的表层已严重粉化脱落，仅内部还保持形状，则已完全粉碎。外观形貌随冻融循环次数的破坏情况与前述性能劣化情况完全一致。第 卷第期袁倩男，等 不同种类液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响图冻融循环后试件的外观形貌 分析为了研究不同种类速凝剂对喷射混凝土抗冻性影响的原因，检测了掺不同速凝剂混凝土 龄期、冻融循环之前的孔径分布特性及孔径分布占比，结果见图和表。图不同混凝土孔径分布特性 表不同混凝土孔径分布 根据混凝土孔径划分，小于 为无害孔，为少害孔，为有害孔，大于 为多害孔。从图可见，各组试样孔径均为双峰分布，左峰峰值较为集中，在 之间，属于无害孔，对混凝土抗冻性能基本没有影响，四种混凝土的左峰峰值相差不大。、的右峰峰值均为 左 右，属 于 少 害 孔，而 的 右 峰 峰 值 为 ，属于有害孔。从表可见，掺入速凝剂后混凝土总孔隙率有所增大，的孔隙率最大，次之，的孔隙率最小。较 的孔径分布而言，的孔径与之接近，而 和 的无害孔、少害孔占比较少，孔隙多属于有害孔和多害孔。其中，的有害孔和多害孔数量多于。混凝土的孔径大小是孔中水冰点的决定因素。孔径越小冰点越低，冻融环境对其结构的破坏越小。同水胶比条件下，的最可几孔径大于其他三种混凝土。从孔径大小分布来看，的抗冻性能应该最差，其次是 的，而 的较小。这与宏观性能研究结果一致。混凝土气孔结构分析为了研究冻融循环对掺不同种类速凝剂喷射混凝土气孔结构的影响，使用光学显微镜并结合软件计算处理，对比研究了 龄期混凝土冻融循环次（、）和 次（、）的气孔结构变化情况。结果如图至图所示。由图的气孔形貌变化可知，冻融循环后，试件的气孔数量增多、直径增大。对比冻融前的混凝土气孔材料科学与工程学报 年月图冻融循环后混凝土的气孔形貌照片 （）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）图混凝土平均气孔直径及气孔间距（）；（）（）；（）图冻融循环后混凝土孔直径分布（）；（）（）；（）形貌，的气孔直径明显大于其他种混凝土试件，而的气孔较 、大。掺入 给混凝土带入了大量的 却没有足够的，使得水化形成的多硫型水化硫铝酸钙（）转化成单硫型 水 化 硫 铝 酸 钙（）。由 于 密 度 （）较 （）低，相同的质量下 会占据更大的空间体积。随着 转换成 ，水泥浆体中孔隙会增大。由图的气孔大小及孔间距变化可知，对比 ，掺加液体速凝剂的混凝土平均气孔直径及气孔间距均有所增大，由低到高依次为 （，）、（，）、（，）。其抗冻性能优劣顺序与此相反。这与 研究结果一致。冻融循环 次后，种混凝土的平均第 卷第期袁倩男，等 不同种类液体速凝剂对混凝土抗冻性能的影响气孔直径均有所增大。的平均气孔直径增大程度最大，表 明 结 构破坏的最为 严 重，其 抗 冻 性 能最差。由图孔径分布变化可知，冻融循环前，、的气孔在 范围内，占比均低于 。冻融循环 次后，各试件在 范围内占比下降，直径大于 气孔占比上升，小于 气孔的比例与 相当，而 在 范围内占比减少了 ，降低程度最大。这表明冻融作用使原本的小气孔直径增大，导致混凝土抗冻性能下降。其中，冻融循环后 的小气孔占比降低最多，大气孔占比增加最多。结论质量损失率、抗压强度损失率、相对动弹模量损及