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浅析掺合料与引气剂对混凝土的影响

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摘要:冻融环境下的混凝土很容易受到抗冻融破坏和压溃破坏,因此加强对寒冷地区混凝土耐久性能的研究,对于提高北方寒冷地区混凝土结构的耐久性有重要的理论和现实意义。目前常用的解决方法是在混凝土中添加掺合料和引气剂。通过实验对冻融环境下掺合料与引气剂对混凝土的影响进行了研究,进行了快速冻融实验和抗压强度测试实验。研究发现,大颗粒掺合料的添加能够提高抗压强度和抗冻融性能,但是小颗粒的掺合料会恶化混凝土抗压强度和抗冻融性能;引气剂的添加能够提高混凝土抗压强度和抗冻融性能。

关键词:掺合料;引气剂;冻融环境;抗冻融性能;抗压强度

我国正处于大规模基础建设的阶段,一些较为重要的工程,对混凝土的质量提出了较高的要求。尤其在一些北方地区,由于常年寒冷造成混凝土寿命降低,因此解决寒冷地区的建造物的抗冻融破坏和压溃破坏的问题对实际工程有指导意义[1]。根据前人研究得出,对混凝土的抗冻融性能和抗压强度影响最大的是掺合料、引气剂的种类和比例[2]。在冻融环境下,抗冻融性能和抗压性能是混凝土最主要的性能[3]。为了能够得到混凝土在冻融环境下的破坏机理和解决方案,本文将对冻融环境下掺合料与引气剂对混凝土的影响进行研究。

1实验部分

1.1实验材料

本实验的实验材料主要是水泥、掺杂料、集料、减水剂、引气剂以及拌合水[4]。水泥:由大同水泥厂生产的白鹅牌普通硅酸盐水泥(P.O42.5R),水泥具体的参数如表1所示。引气剂:采用SJ-2皂素类非离子型表面活性剂引气剂,要求能够使气泡均匀形成。拌合水:为了更加贴合现场实际,本次试验直接采用自来水。

1.2实验装置

(1)冻融装置本文采用是DR-I冻融试验机,如图1所示。采用冻融主机对混凝土试件进行冻融循环实验,要求变换温度时间短。(2)弹性模量测试仪测量混凝土试样的相对动弹性模量。静弹性模(3)压力试验机本实验采用是HL-2000压力试验机。采用压力试验机对混凝土试件进行抗压性能测试,要求对试件施压均匀[5]。(4)热电偶采用热电偶对冻融机中心温度进行测定。试验所用热电偶必须保证能在-20~20℃内短时间测定试件中心温度,测量精度不低于±0.5℃[6]。(5)案秤称取物料,精确到g。

2实验方法

2.1混凝土配比研究

有关学者[7]对现场的混凝土的抗冻融性能数据采用神经网络算法进行训练,预测出了影响再生混凝土的影响因素,其中沙率,水灰比以及替代率等因素军会影响混凝土的抗冻融性能,因此为了最大限度的降低这些因素的干扰,本文按照优化后的参数对混凝土的配比进行计算。实验选择混凝土的强度等级为C30,C40以及C50,为了探究掺和料和引气剂对混凝土的影响,采用控制变量的方法将掺合料(粉煤灰、矿渣粉、超细偏高岭土、硅灰)和引气剂(2%3911#,4%3911#,5%3911#)加入到混凝土中,做成对比实验组。如表5所示。

2.2快速冻融实验

将表5配比的三种强度等级混凝土浇筑成10cm×10cm×40cm的混凝土试块,在标准养护室内养护24d时将其浸没入(20±2)℃水中,浸泡4d,试件在龄期为28d时进行抗冻融试验[8]。

2.3抗压性能实验

将表5配比的三种强度等级混凝土浇筑成100mm×100mm×100mm的立方体抗压强度试件,并对试件进行标准养护操作,取出试件,在压力试验机上进行力学性能试验。

3实验结果及分析

3.1掺合料的添加对抗压强度的影响

将添加掺合料试块和纯水泥试块进行抗压性能的对比试验,得到养护时间和抗压强度之间的关系曲线,经过对比发现三个强度等级的曲线走势相似,本文将着重以C30强度等级的混凝土进行分析,如图3所示。随着养护时间的增加,混凝土试块的抗压强度均有上升趋势,最终添加掺合料的混凝土试块的抗压强度均超过纯水泥试块,说明掺合料能够提高混凝土的抗压强度。当养护时间较短时,抗压强度的增长速率几乎相同,没有明显的差别,但是由于掺合料的骨架和稳定体积的作用,使得抗压强度发生改变。造成这种情况的原因主要是由于掺合料的粒度造成的,颗粒过大的掺合料会增加混凝土的透气率,造成内部结构疏松,抗压性能下降;颗粒较小的掺合料能够填充在砂石缝隙之间,降低混凝土的透气率,内部结构充实,增大其抗压强度;随着养护时间的不断增加,混凝土试块内部的结构逐渐紧实,使得抗压强度增加。

3.2掺杂料对抗冻融性能的影响

将添加掺合料试块和纯水泥试块进行抗冻融性能的对比试验,得到相对弹性模量变化和冻融循环次数之间的关系曲线,如图4所示。由图4可知,随着冻融循环次数的不断增加,相对动弹性模量逐渐下降,质量损失率不断增加,这是由于掺合料改变了混凝土的气孔率,进而引发的冻融破坏,因此在质量损失率方面来讲,在进行混凝土的配比时,应该减少掺合料的使用,但是根据相关文献,掺合料的添加会提高混凝土的稳定性以及抗荷载变形能力,提高其承载能力,因此在工程应用方面,应根据实际需要选择合适的骨料以及其替代比例。

3.3引气剂对抗压强度的影响

将添加引气剂试块和纯水泥试块进行抗压性能的对比试验,将SJ-2皂素类作为引气剂,分别向混凝土中加入2%,4%以及5%作为对照组,得到相对弹性模量变化和冻融循环次数之间的关系曲线,如图5所示。随着养护时间的增加,抗压强度不断增加,说明增加养护时间对于提高混凝土的综合能力是有利的。随着混凝土引气剂含量不断,造成混凝土内部含气量增大,气孔率增加,混凝土的紧实程度降低,强度不断下降。但是当养护时间超过70d时,4%含量引气剂的混凝土抗压强度超过了2%的实验组,因此可说明引气剂存在一个最佳添加量。造成这种现象的原因主要有两方面:一是引气剂的加入使得混凝土内部形成较小的气孔,改善拌合物的离析、泌水现象,提高其和易性;二是气泡的细化作用能够提高水泥石和集料之间的界面结构,提高了混凝土的抗压强度性能。

3.4引气剂对抗冻融性能的影响

由图6可以看出,当试块含气量较小时,混凝土强度对其抗冻性能有决定性影响,随混凝土强度提高,抗冻性能增大。而且随着引气剂的增加,其抗冻融性能明显提高,能够承受的冻融循环次数增加,这是由于引气剂含量的增加,会使得十块的含气量增加,混凝土内部形成微小的气泡,改善拌合物的离析、泌水现象,使得在冻融循环过程中,冷冻破坏作用较小,提高了混凝土的耐久性;但是随着循环次数增加,冻融破坏速率不断增加。

4结论

通过对冻融环境下掺合料与引气剂对混凝土的综合性能的影响研究,得出了以下结论:(1)添加不同种类的掺合料对混凝土的抗冻融性能和抗压强度的影响不同,其中颗粒较小的掺合料能够增强混凝土的抗压强度和抗冻融性能,颗粒较大的掺合料能够降低混凝土的抗压强度和抗冻融性能。如果混凝土养护时间足够充分,任何种类的掺合料均可以提高混凝土的抗压强度。(2)添加引气剂能够提高混凝土的抗压强度,并且研究发现存在一个最佳添加量值,可以使混凝土的抗压强度达到最高;添加引气剂是提高混凝土抗冻融性能最好的方法,能够大幅度降低冻融破坏,提高混凝土的寿命。

参考文献:

[1]沙勇,宿晓萍.冻融环境下引气剂对钢筋与混凝土黏结性能影响的试验研究[J].长春工程学院学报(自然科学版),2017,18(1):26-29.

[2]张粉芹,王海波,王起才.掺合料和引气剂对混凝土孔结构与性能影响的研究[J].水力发电学报,2010,29(1).

[3]张云清,余红发,王甲春.气泡结构特征对混凝土抗盐冻性能的影响[J].华南理工大学学报(自然科学版),2010,38(11).

[4]谭克锋.水灰比和掺合料对混凝土抗冻性能的影响[J].武汉理工大学学报,2006,28(3).

[5]谭克锋.水灰比和掺合料对混凝土抗冻性能的影响[J].武汉理工大学学报,2006,28(3).

[6]宁作君.冻融作用下混凝土的损伤与断裂研究[D].哈尔滨工业大学,2009.

[7]宁作君,巴恒静.硅灰对冻融环境下混凝土断裂损伤的影响[J].武汉理工大学学报,2009(5):46-50.

[8]侯晓晶,周斌,陈若曦.冻融环境下掺合料与引气剂对混凝土的影响研究[J].当代化工,2018,47(07):1398-1401.

作者:周斌 侯晓晶 单位:西安铁路职业技术学院

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