綠色堆石混凝土的力學性能和氯鹽侵蝕性能研究

王仕龍，張湖兵，趙本容，朱 丹，吳福飛

(貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 研究背景

影響混凝土力學性能和耐久性能的因素有很多，譬如水膠比、振搗、砂率、養護方式和混凝土成型方式等，根據混凝成型方式的不同可以分為堆石混凝土和常規混凝土，堆石混凝土是以自密實混凝土在堆石體中流動充滿堆石體形成完整的混凝土[1]。

金峰等[2]對堆石混凝土的綜合性能進行了試驗研究，得出如下結論，在力學性能方面，堆石混凝土的抗壓強度約為自密實混凝土的120%～125%，堆石混凝土的軸向拉伸強度低于自密實混凝土，堆石裸露的堆石混凝土層面間具有良好的抗剪性能[2]。在變形性能方面，同尺寸的堆石混凝土和自密實混凝土，在180 d齡期時堆石混凝土大試件的最大干縮值為199.3×10-6，是自密實混凝土大試件最大干縮值的59.7%，堆石混凝土大試件自體積最大收縮值為72.5，是自密實混凝土大試件最大收縮值的69.8%[2]。在抗滲性能方面，自密實混凝土的抗滲等級超過W33，堆石混凝土的抗滲等級約為自密實混凝土的58%[2]。在抗凍性能方面，有做單邊凍融試驗和標準快速凍融試驗，綜合兩種實驗的結果，堆石混凝土的抗凍性能與澆筑的自密實混凝土相當，可以用自密實混凝土的抗凍等級表征堆石混凝土的抗凍性能[2]。在熱學性能方面，測定了自密實混凝土線膨脹系數為8.87×10-7/℃，堆石混凝土的線膨脹系數為7.76×10-6/℃[2]。

基于上述的研究和一些現場試驗研究，堆石混凝土技術已經在北京、四川、云南、山西、重慶、廣東、新疆、西藏等多個水利水電工程中成功應用[2]。但在近海地區、海洋工程和高鹽堿土壤地仍使用常態混凝土，主要是堆石混凝土在氯鹽侵蝕的環境下的研究還相對較少，為此，本試驗就開展綠色堆石混凝土在氯鹽侵蝕環境下，堆石混凝土中氯離子分布規律和侵蝕深度，堆石混凝土和自密實砂漿立方體抗壓強度的關系。

2 材料與方法

2.1 原材料

本試驗所用的水泥為42.5級堯柏水泥，Ⅱ級粉煤灰來自貴州欣恒福黔西加工廠，化學成分見表1。天津市致遠化學試劑有限公司生產的分析純氯化鈉，蒸餾水，碎石來自都勻水庫，粒徑為19～31mm，水為實驗室自來水，減水劑為聚羧酸減水劑，砂的細度模數為2.75，屬于中砂。

表1 水泥和粉煤灰的化學成分

2.2 試驗方法

通過前期大量的試配，最后確定的水膠比為0.33，減水劑摻量為膠凝材料的1%，砂率為39%，砂膠比為1.6，然后分析粉煤灰摻量、氯鹽溶液質量分數對堆石混凝土氯鹽分布規律和侵蝕深度的影響。粉煤灰摻量為0、10%、20%和30%，氯鹽溶液質量分數為0、5%、10%和15%。按上述比列以及根據普通堆石混凝土施工技術成型100 cm×100 cm×100 cm的立方體試件，每組試驗有三個平行試件，取其平均值作為試驗結果(三個測試值中與平均值相差大于±10%時，重做該組試驗)，把試件放在養護室里濕度>90%，溫度為(20±2) ℃養護7 d后，試件放在容器中，成型面朝上，下面與容器接觸，在上、下面(成型面和其背面)涂上環氧樹脂，以避免下面與容器接觸而和溶液接觸不均勻以及上面在成型時人為刮平造成的影響，移到不同氯鹽溶液質量分數中浸泡120 d后，將試件放在烘箱中烘干，采用帶有深度尺的電鉆在試件的4個側面取粉，取粉深度依次為0～5、5～10、10～15 mm，每個試件所取的粉末量超過40 g，將所有粉末放在烘箱中烘干至恒重，取20 g和80 g克蒸餾水混合攪拌均勻，利用氯離子含量快速測定儀檢測堆石混凝土粉末中氯離子的含量。

3 試驗結果與分析

3.1 氯離子在堆石混凝土中的分布規律和侵蝕深度

根據測試結果，以氯鹽溶液質量分數為橫軸，堆石混凝土粉末氯鹽含量為縱軸，繪出柱狀圖見圖1((a)、(b)、(c)、(d))。從圖1中可以看出，在深度小于15 mm時，氯鹽溶液質量分數的增加會增大堆石混凝土粉末氯離子含量，而隨著粉煤灰摻量的增加會降低堆石混凝土粉末氯離子的含量。

(a)粉煤灰摻量為0

(b)粉煤灰摻量為10%

(c) 粉煤灰摻量為20%

(d) 粉煤灰摻量為30%

1)氯離子分布規律：由圖1可知，在粉煤灰摻量固定且侵蝕深度相同的情況下，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著氯鹽溶液質量分數的增加呈遞增的趨勢。粉煤灰摻量從0增至30%的過程中，在侵蝕深度相同且氯鹽溶液質量分數相同時，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢，說明摻入粉煤灰后，能夠改善堆石混凝土的孔隙結構，使堆石混凝土更加密實，氯離子更不容易滲透到堆石混凝土中，從圖1中還可以看出，粉煤灰摻量從20%到30%，堆石混凝土粉末氯離子含量的遞減率大于0～10%和10%～20%，說明摻量從0增到30%時，最佳的粉煤灰摻量為20%～30%。

2)氯離子侵蝕深度：由于本試驗取粉深度依為0～5、5～10、10～15 mm，從圖1中還可知，在氯鹽溶液質量分數和粉煤灰摻量不變時，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著侵蝕深度的增大呈遞減的趨勢，10～15 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量仍低于5～10 mm的含量，未趨于平緩狀態，說明浸泡的這120 d里，氯離子的滲透深度大于15 mm，以及從圖1中可以看出，0～5 mm到5～10 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量之差大于5～10 mm到10～15 mm的堆石混凝土粉末氯離子含量之差，這是因為氯鹽會在堆石混凝土試件的表面形成氯鹽結晶，以及在表面的微孔會有一些氯鹽，因此，為保護混凝土中的鋼筋不生銹，鋼筋混凝土的混凝土保護層，一般都要求大于30 mm。

圖2為氯離子含量快速測定儀。圖3為鉆孔取粉。

圖2 氯離子含量快速測定儀

圖3 鉆孔取粉

3.2 抗壓強度

堆石混凝土和自密實砂漿均設計兩個水膠比，分別為0.38和0.43，減水劑摻量為膠凝材料的1%，粉煤灰摻量為0、20%、40%、60%，在養護室養護齡期為7 d和28 d后，采用萬能試驗機測試試件的力學性能，按下式計算其抗壓強度：

P=F/A

式中，P為抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為承壓面積，mm2。

試驗結果如圖4～5所示，在粉煤灰摻量和養護齡期相同時，無論水膠比是0.38還是0.43，堆石混凝土的抗壓強度均略大于自密實砂漿的抗壓強度，堆石混凝土抗壓強度約為自密實砂漿的105%～125%，這可能是因為在相同體積的堆石混凝土和自密實砂漿中，堆石混凝土中的膠凝材料含量低于自密實砂漿中，因此，在堆石混凝土中水化熱就會相應的低于自密實砂漿產生的水化熱，而且堆石混凝土中存在碎石，堆石混凝土水化過程產生部分熱量會被碎石吸收，從而有效減少因堆石混凝土水化熱引起的溫度裂縫，從而提高了堆石混凝土的抗壓強度。還可以看出，在粉煤灰摻量和養護齡期相同時，堆石混凝土和自密實砂漿的抗壓強度大小關系為：水膠比為0.38總是大于水膠比為0.43，可見增大水膠比，堆石混凝土的抗壓強度將降低，以及堆石混凝土和自密實砂漿的抗壓強度均隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢，養護齡期為28 d，水膠比為0.38時，粉煤灰摻量為60%的堆石混凝土的抗壓強度為29.31 MPa，是對照組的57%，而有些重力壩混凝土的標準立方體抗壓強度僅要求大于20 MPa，因此，只要其他的性能滿足要求，粉煤灰摻量可為60%，這將節省大量水泥。

(a)養護齡期為7 d

(b)養護齡期為28 d

(a)養護齡期為7 d

(b)養護齡期為28 d

4 結 論

1)在粉煤灰摻量固定且侵蝕深度相同的情況下，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著氯鹽溶液質量分數的增加呈遞增的趨勢，粉煤灰摻量從0增至30%的過程中，在侵蝕深度相同且氯鹽溶液質量分數相同時，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著粉煤灰摻量的增加呈遞減的趨勢。

2)在本試驗研究的深度范圍內，當氯鹽溶液質量分數和粉煤灰摻量不變時，堆石混凝土粉末氯離子含量隨著侵蝕深度的增大呈遞減的趨勢，隨著氯鹽溶液質量分數的增大而增加。

3)堆石混凝土的抗壓強度是自密實砂漿的105%～125%，抗壓強度均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量為60%時，堆石混凝土和自密實砂漿的抗壓強度是對照組的50%～60%。

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