不同粗骨料粒径对水工混凝土力学及耐久性影响研究

赵德奎

(盘山县水利事务服务中心,辽宁 盘锦 124100)

混凝土是由砂石集料、水泥胶凝材料按一定比例与水混合搅拌而成的工程复合材料,即集料与胶凝材料胶结成的非均质多相复合材料,其中粗骨料作为主要组成材料构成了基体的构架结构,其体积占比达到70%左右[1-3]。混凝土的工作性能受粗骨料级配密实程度、粒径、用量的影响显著,而工作性能又在一定程度上决定着混凝土的耐久性和力学性能,如Bonen等研究发现新拌混凝土的稳定性和工作性能受粗骨料粒径的影响较大,粒径越大则拌合物越易出现离析及骨料下沉的情况;Larard等认为骨料中针片状颗粒过多会增大骨料间摩擦阻力与水泥浆体间的接触面积,提高内部孔隙率和比表面积,减小混凝土包裹浆体厚度及其和易性;姚立红等提出拌合物初始坍落度和扩展度与水泥净浆流动性能之间存在正的相关关系;邢心魁等模拟分析了掺不同粒形粗集料混凝土破坏过程中的能量变化、破坏形态及应力应变曲线;李国强等以粒径分形维数与骨料级配为基础,经一系列推导计算提出骨料分形维数级配公式;吴锦光等探讨了高强混凝土耐久性、强度和工作性能受粗骨料粒径的影响,结果显示骨料粒径在一定程度上影响着高强混凝土耐久性和工作性,实际工程应选用连续级配5～16mm粒径骨料[4-7]。现阶段,针对混凝土工作性能的研究大多集中于水泥替代材料、外加剂等方面,关于粗骨料粒径对水工混凝土力学及耐久性影响规律的研究还较少。

文章通过室内对比试验,在不改变碎石最大粒径和其它试验条件的情况下,系统分析了水工碎石与同料源国标碎石配制混凝土的性能,并参照现行规范评定了渗透压和碳化环境下节制闸构件的耐久性。

1 试验方案

1.1 原材料

采用盘锦金润水泥有限责任公司生产的P·O42.5级水泥和鞍山火电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,主要性能如表1和表2所示。

表1 水泥物理力学性能指标

表2 粉煤灰物理性能指标

外加剂用大连某公司生产的聚羧酸缓凝高效液态减水剂。细骨料选用浑河河砂,细度模数2.7,表观密度2640g/cm3,吸水率1.1%,云母含量0.1%,含泥量1.6%,轻物质含量0.3%。粗骨料选用20～40mm、5～20mm和5～31.5mm三种粒级碎石,主要性能见表3,碱活性检测数据见表4。

表3 碎石性能指标

表4 碱活性测试数据

1.2 配合比设计

依据《水工混凝土配合比设计规程》计算C25W4F50和C30W4F50混凝土的配置强度为31.8MPa、37.5MPa,然后通过紧密堆积密度试验确定粗骨料级配比例,试验数据见表5。结果表明,中石∶小石质量比=50∶50组合的级配最优,此时粗骨料空隙率最小、紧密堆积密度最大。

表5 粗骨料级配比例试验数据

参照现行规范选择水胶比不同的C25W4F50和C30W4F50混凝土配合比进行试验,并结合胶水比与抗压强度回归方程式确定最大水胶比,见表6,并进一步建立胶水比与抗压强度相关方程式及其关系曲线如图1所示。

图1 抗压强度域胶水比关系线

表6 抗压强度域水胶比的关系

根据理论配制强度和回归方程式可以确定C25W4F50、C30W4F50混凝土的最大水胶比为0.46及0.43,而采用国标碎石配制的C25、C30混凝土28d抗压强度依次为35.1MPa和40.7MPa,整体大于相应的理论强度。为了确保试验数据的客观性与准确性,控制强度等级不变,利用水工碎石配制混凝土可以适当减小水胶比,即C25W4F50与C30W4F50混凝土水胶比取0.45、0.42。

采用水工碎石与国标碎石设计的配合比如表7,结果表明最大骨料粒径从32.5mm增加至40mm所配制的C25混凝土水胶比从0.42增大到0.45,可以减少水泥用量36kg/m3和单位用水量15kg;最大骨料粒径从32.5mm增加至40mm所配制的C30混凝土水胶比从0.40增大到0.42,可以减少水泥用量38kg/m3和单位用水量13kg。通过对比分析可知,比表面积随着最大骨料粒径的增加而减小,混凝土达到相同和易性时所需要的单位用水量随之减少,即所需的水泥浆量降低。水泥用量相同情况下,减小水胶比会提高最大粒径较大骨料混凝土强度,但该变化规律存在一定的适用范围。研究认为,对于最大粒径超出特定区间的骨料,随骨料粒径的增大混凝土强度整体呈减小趋势,造成该变化的因素主要有:①骨料内部形成细微缺陷的概率随着粒径的增加而增大;②在拌合过程中粗骨料的下沉速度随着粒径的增加逐渐加快,从而使得拌合物内部颗粒均匀性和硬化混凝土强度下降[10]。一般地水工混凝土具有较大的结构尺寸,为了降低工程成本往往控制胶凝材料用量,特别是大体积混凝土选用粒径较大的粗骨料,可以减少水化热、单位用水量以及水泥用量,在级配合理的情况下抑制温度裂缝的形成与发展。

表7 混凝土试验配合比

2 结果与分析

2.1 试验结果

水工碎石与国标碎石配制的混凝土抗压与抗拉强度、极限拉伸值、弹性模量、抗渗性及抗冻性试验数据,见表8。从表1可以看出,两种碎石配制的C25和C30混凝土的抗冻性、抗渗性及抗压强度均符合设计要求,配制强度等级相同时国标碎石与水工碎石配制的混凝土弹性模量、极限拉伸值、抗拉强度相差不大。

表8 水工混凝土性能试验数据

2.2 现场检测

依据现行规范,水工混凝土所处的环境类别主要有碱骨料反应、硫酸盐、氯盐、碳化、冻融、磨蚀和渗透压。锦州市境内某节制闸构件设计使用年限100a,大多处于二类及以上环境,无悬移质或含沙水流,一般不涉及硫酸盐、氯盐侵蚀和磨蚀环境。通过碱活性试验发现同料源粗骨料为非活性骨料,冻融前后的回弹推定値之比表明混凝土结构物上不具备冻融条件。因此,结合节制闸构件实际服役情况和混凝土结构所处的环境,试验评定渗透压与碳化环境下的混凝土耐久性能,具体如下:

2.2.1 碳化环境下

经现场检测该构件的钢筋保护层厚度c为40mm,平均碳化深度5.5mm,抗压强度推定值37.2MPa,实测钢筋直径18mm。空气中的CO2长期与钢筋保护层的混凝土接触使其原有碱性环境破坏,碱度减小使得钢筋表面的钝化膜逐渐消失,在不利因素作用下钢筋锈胀导致混凝土开裂剥落。一般需要计算3个时间节点评定碳化环境下的耐久性:钢筋开始锈蚀至结构建成时间ti、保护层锈胀开裂至钢筋开始锈蚀时间tc以及表面出现最大可接受外观损伤至钢筋开始锈蚀时间tcl。其中,局部环境系数、保护层厚度以及碳化速率等参数直接决定着钢筋开始锈蚀时间ti,结合混凝土所处的实际环境确定局部环境系数m值4.2,经计算确定ti值35.5a;局部环境、环境湿度、环境温度、钢筋直径、混凝土强度以及保护层厚度等因素影响着保护层锈胀开裂至钢筋开始锈蚀时间tc,经计算混凝土强度的影响最为显著,每5MPa大约影响20～30a,按照回弹法检测的推定值37.2MPa计算tc为78.1a;表面出现最大可接受外观损伤至钢筋开始锈蚀时间tcl与tc的影响基本相同,经计算tcl为104.0a。

根据以上计算数据,利用公式td=ti+tcl可以确定出现最大可接受外观损伤时间为139.5a,将失效时间减去该节制闸构件已运行年限2a即可确定剩余使用年限tre为137.5a。通过计算tre/(teγ0)评定碳化环境下混凝土耐久性等级,评定标准为:tre/(teγ0)≥1.8、1.0≤tre/(teγ0)<1.8、tre/(teγ0)<1.0所对应的耐久性等级为A、B、C级。其中,期望使用年限te取100a,耐久重要性系数γ0取1.1。经计算,该构件的tre/(teγ0)值为1.53,按照评定标准达到B级,说明期望使用年限内该构件基本符合耐久性要求。一般条件下,混凝土质量和外界环境是混凝土碳化的主要影响因素,外加剂、骨料、水胶比和胶凝材料用量等因素又决定着混凝土质量,粗骨料粒径并非影响混凝土碳化的主要因素。现阶段,大多数学者认为混凝土碳化深度受掺合料用量和水胶比的影响较为显著[11]。

碳化产物的存在使得混凝土表面更加致密,这对内部继续碳化产生一定的减弱作用,即混凝土碳化表现出前期增速快、后期变缓的变化特征。《水工混凝土结构耐久性评定规程》一般适用于变化环境下老建筑物评估,加之研究评定的水工混凝土结构使用年限较短,以上评定结果可以为耐久性分析提供一定参考。

2.2.2 渗透压环境下

参照《水运工程混凝土试验检测技术规范》中的规定在混凝土构件表面钻取Φ150mm的芯样,然后利用取芯法评定抗渗等级。根据设计抗渗等级逐级加压至规定压力维持8h,观测抗渗试件的透水情况[12]。结果显示,加压0.4MPa维持8h未发现芯样透水,因此渗透压情况下的耐久性可以评定为A级。

3 结 论

1)配制强度等级相同时,使用水工碎石配制的混凝土单位用水量和水泥用量较国标碎石均有所减小,两种碎石配制的混凝土的抗冻性、抗渗性及抗压强度均符合设计要求,力学性能也相差不大。

2)应用与国标相近骨料配制混凝土时既要做好经济性核算,适当增加水泥用量,还要进一步系统研究增加水泥用量所产生的不利效应。渗透压作用和碳化环境下利用国标碎石配制的混凝土耐久性达到A级、B级。

3)采用国标标准规定的粗骨料粒径能够满足水工混凝土性能要求,有利于缓解水利工程建设粗骨料短缺供给压力。本研究仅探讨了混凝土耐久性、力学性能受不同最大粒径骨料的影响,未来仍需深入探讨混凝土长期性能和热学性能等。