复掺掺和料对混凝土抗冻性的影响试验.pdf

第 3 4卷第 1 0期 2 0 1 2年 1 O月 人民黄河 YELLOW RI VER V o 1 3 4 NO 1 O 0c t 2 01 2 【 水利水 电工程 】 复掺掺和料对混凝土抗冻性的影响试验 努 尔开力 依孜特 罗甫 ， 侍克斌 ( 1 新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ； 2 新疆兴农建筑材料检测有限公司， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘要： 通过试验分析了粉煤灰和矿渣微粉掺和料复掺对混凝土抗冻性能的影响。结果表明： 复掺掺和料后混凝土强度 比基 准混凝 土增加 ， 混凝土冻融循环后 的质量损 失率和动弹性模量损 失率低 于基准 混凝 土 ； 当掺和 物掺 量达 5 0 时 ， 混 凝土快速冻融循环5 0 0次未被破坏， 说明混凝土具有良好的抗冻性和抗渗性， 符合混凝土高性能、 高耐久性要求。 关键词 ： 粉煤灰 ；矿渣微粉 ；抗冻性能 ；高性 能混凝 土 中图分类号 ：T V 4 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 1 0 0 3 5 Te s t o n Effe c t o f Co mpl e x Ad mi x t ur e t o t h e Co nc r e t e Fr o s t Re s i s t a nc e Nu e r k a i l iYi z i t e l uo f u 一 S HI Ke b i n ( 1 T h e C o l l e g e o fC i v i l a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r in g， X i n j i a n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i ty，U r u m q i 8 3 0 0 5 2 ，C h i n a； 2 X i i a n g X i n g n o n g C o n t r u e t i o n Ma t e r i a l D e t e c t i o n L i mi t e d C o m p a n y ，U r u m q i 8 3 0 0 5 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e e f f e c t o f c o mp l e x fly a s h a n d s l a g p o wd e r a d mi x t u r e t o t h e c o n c r e t e fro s t r e s i s t a n c e wa s s t u d i e d b y t e s t Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mp l e x a d mi x t u r e c o n c r e t e s t r e n g t h i n c r e a s e s t h a n t h a t o f t h e s t a n d a r d c o n c r e t e a n d t h e ma s s l o s s r a t e a n d t h e d y n a mic e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c ret e f r e e z e - t h a w c y c l e l o s s r a t e i s l o we r t h a n t h a t o f t h e s t a n d a r d c o n c r e t e W h e n t h e b l e n d d o s a g e o f 5 0 ，t h e c o n c r e t e s a r e u n s p o i l e d i n 5 0 0 t i me s f r e e z e t h a w c y c l e s ，s l mwi n g t h a t c o n c r e t e h a s g o o d f r o s t r e s i s t a n c e a n d i mp e r me a b i l i t y，a n d a c c o r d t o c o n c r e t e h i s h - p e r f o r ma n c e a n d h i g h d u r a b i l it y r e q u i r e me n t s Ke y wo r d s：f l y a s h；s l a g p o wd e r ；f r e e z i n g r e s i s t an c e ；h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e 新疆的水利工程大部分建在山区， 处于严寒气候条件下， 多年平均气温为 8 8， 极端最高气温为3 9 5 ， 极端最低气 温为 一 3 7 9 ， 昼夜温差较 大 ， 全 年最冷 月月平 均温度在 一1 O 以下 ， 低 于 0 日数达 1 8 3 d 。混凝 土结构会 因冰冻 作用 而 开裂 ， 继而破坏 ， 因此采取有效 措施 ， 提高水 工混凝土 的抗渗 性 和抗冻性， 确保工程安全运行， 具有非常重要的意义。 粉煤灰具有较高的火山灰活性 ， 掺加一定量的粉煤灰取代 部分水泥， 可有效改善混凝土的和易性， 降低初期水化热， 减小 混凝土收缩 。掺加超细矿粉可提高混凝土的强度、 减少坍落 度损失。复掺粉煤灰和矿渣微粉代替部分水泥生产混凝土， 能 增加混凝土密实度， 降低孔隙率 ， 提高混凝土强度 ， 改善混凝土 耐久性 J 。笔者对复掺掺和料配制高抗冻性能混凝土进行 了 试验研究 。 1 混凝土原材料的技术性能 1 1 胶 凝材 料 ( 1 ) 水 泥。选 用新 疆 天 山水 泥 有 限公 司 生产 的 4 2 5级 P O 型普通硅酸盐 水泥。该水 泥试样 实测技 术性质 见表 1 ， 化 学组成见表 2 。 1 1 4 表 1 水泥的技术性质 密 度 面 标准 稠 度 喜 定 性 凝 结 时 ra in间 抗 抗 焉 ( g c m- 3 I m 。 k g - 1 ) 用水量 ( 沸 煮法 水泥0 3 6 2 5 2 0 6 8 0 8 1 2 4 4 3 5 6 3 3 7 4 5 6 5 1 3 3 3 1 6 5 粉煤灰0 9 0 1 0 8 1 7 6 2 0 6 5 2 0 6 2 1 6 5 7 9 6 8 4 3 3 0 5 矿渣微粉 0 7 6 0 0 5 0 6 2 1 1 3 3 8 1 4 9 7 0 1 6 3 9 1 4 I 1 0 7 ( 2 ) 粉煤灰。采用玛纳斯热电厂I 级粉煤灰， 细度为2 8 ， 烧失量为2 3 ， 需水量比为9 2 6 。其化学组成见表2 。 ( 3 ) 矿渣微粉。选用新疆八一钢铁有限责任公司生产的矿 渣微 粉 ， 其化学组成见表 2 ， 各项技术性质见表 3 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 1 1 6 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 0 9 6 9 0 1 0 ) ； 新疆水利水电工程重点学 科基金资助 项 目( X J Z DX K一2 0 0 21 00 5) 。 作者简介 ： 努 尔开力 依孜特 罗甫( 1 9 7 2 一 ) ， 男( 哈萨克族) ， 新 疆伊 犁人 ， 实验 师 ， 主要从事建筑材料的教学与研 究工作。 通讯作者 ： 侍克斌( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 新疆石河子人 ， 教授 ， 博 士， 博士生导师。 E m a i l ：x n d j ia n e ail 2 6 e o m 人 民 黄 河2 0 1 2年第 1 0期 表 3 矿渣微粉的技术性质 项 目 ( ， 3 ) (m比 表2 kg - 1) 7 d 28 d 流1：皴 簸 嚣 1 2骨料 ( 1 ) 细骨料。采用河砂， 细度模数为 2 2 2 ， 颗粒级配符合 普通混凝土用砂 、 石质量及检验方法标准 ( J G J 5 2 -2 0 0 6 ) 的 要求。其饱和面干表观密度为 2 6 0 c m ， 吸水率为 1 6 7 ， 紧密堆 积密度 为 1 6 5 3 k g i r l ， 孔隙率为 3 7 6 ， 含泥量为 1 2 ， 云母 含量为 0 2 。 ( 2 ) 粗骨料。粒径为 52 0 m m 的卵石 ， 饱 和面 干表 观密 度为2 6 4 g e m ， 吸水率为 1 0 3 ， 含泥量为 0 8 ， 压碎指标 值为5 9 ； 粒径为 2 04 0 m m的卵石饱和面干表观密度为 2 6 6 g c m ， 吸水率为0 6 3 ， 含泥量为0 3 ， 颗粒级配符合 普通混凝土用砂 、 石质量及检验方法标准 要求。 1 3 外加剂及拌和用水 外加剂选用北京鑫源科建科技有限公司生产的萘系高效 减水剂。拌和用水采用 自来水。 2 试验方法 冻融循环试验按照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验 方法( G B J 8 2 -8 5 ) 中的快冻法进行 J 。混凝土试件尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 mi D _ 4 0 0 m m， 采用强制式搅拌机拌 和 ， 振动 台振 动成型， 2 4 h 后拆模 ， 室内塑料薄膜覆盖， 经 2 8 d标准养护后 ， 开始冻融循环试验 J 。提前 4 d把试件浸泡在温度为 1 5 2 O 的水 中。每次冻融循 环在 2 4 h内完成 ， 其 中用于融 化 的时间不小于整个冻融时间的 1 4 ， 冻结和融化终了时进行抗 冻性测试。 3 试验配比及结果 试验配合比见表 4 。可见， 当掺和料的掺量分别为 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 时 ， 混 凝 土强 度 比基 准 混 凝 土 增 加 3 5 7 、 5 6 9 、 1 6 9 、 1 2 0 。 表 4 混凝土配合比 进行混凝土快速冻融试验， 考查的指标分别为混凝土相对 动弹模量、 混凝土质量损失率 ， 试验结果见表 5 。在混凝土中掺 加适量的粉煤灰、 矿渣微粉掺和料起到了填充孔隙的作用 ， 掺 和料颗粒上已有较多的水化产物生成， 并与混凝土中其他水化 产物胶结 ， 改善 了混凝 土 内部 的微观 结构 和水化 产物 的组成 ， 使混凝土内部孔径细化， 孔隙率降低， 提高了混凝土的抗渗能 力 ， 使混凝土整体性更强， 大大提高了表面混凝土抵抗拉应力 的能力。 由表 5可知 ： 混凝土 5 0 0次冻融循环后 的相对 动弹模 量均符合规范要求， 即大于6 0 ； 复掺粉煤灰、 矿渣微粉后的混 凝土 2 8 d龄期5 0 0次冻融循环后的质量损失均符合规范要求， 即小于 5 。当掺和物掺量达 5 0 时， 混凝土冻融循环次数达 5 0 0次 未破坏 ， 说 明复掺掺 和料后混凝 土具有 良好 的抗冻性和 抗渗性， 符合混凝土高性能 、 高耐久性的要求。 表5 冻融试验结果 H 一1 孽 壁 堡相 对 动 质 量 环 次 数 籁 美 射 H 相对动 弹模量 2 质量 损失 彭 0 H一 3 相对动 质量 弹模量 损失 l o o 0 0 H一 相对动 弹模量 4 质量 损失 新 O H一 相对动 弹模量 5 质量 损失 新 0 0 1 o 0 0 5 0 9 9 5 1 o 0 9 9 0 1 5 O 9 8 7 2 0 0 9 8 1 2 5 0 9 6 5 3 o 0 9 4 O 3 5 0 9 1 8 4 0 0 8 7 8 4 5 0 8 0 3 5 【x 】 7 5 1 l o o O 9 9 0 9 9 6 9 9 2 9 8 6 9 5 1 9 2 3 9 0 4 8 4 7 7 6 1 7 l 0 l 0 0 0 9 9 6 9 9 3 9 9 2 9 8 3 9 7 9 9 5 2 9 3 8 8 9 9 8 5 6 8 0 2 l 【x 】 0 9 9 6 9 9 4 9 9 1 9 9 5 9 8 6 9 6 7 9 4 4 8 8 3 7 6 2 8 2 4 4 分析与讨论 混凝土孔 隙中的水在低于冰点的温度 下将 结冰 ， 水结冰 时 体积将膨胀 9 ， 对混凝土形成冰结压力， 如果混凝土毛细孑 L 中 含水率超过 9 1 7 ， 则结冰将在毛细孔中产生较大的应力。在 这一压力下， 水将通过渗透从结冰区向未结冰区迁移。水的迁 移需 在一定 的压力下才 能进行 ， 这一压力 称之为渗透压 。当渗 透压 达到一定 程度时 ， 将会导 致混 凝土 内部产生 微裂纹 ， 微 裂 纹进一步扩展 ， 最终使混凝土破坏， 此为冻融破坏过程 。 粉煤 灰和矿渣微粉在 混凝土 中 的作 用主 要表现 为填充 效 应、 晶核效应和活性效应， 因此它可以减小混凝土的孔隙率、 增 大密实度、 增加粉体的总量。按照最紧密堆积理论， 混凝土中 的砂子 、 石子 、 矿物掺和料及 水泥相互 填充彼此 的孔 隙 ， 从 而达 到最紧密堆积状态。机制砂 中石 粉 的比表面 积一般 介于砂 子 与水泥之间， 能够改善混凝土的工作性能； 在硬化混凝土中粉 煤灰和矿渣微粉可以填充混凝土的孔隙， 减少有害大孔数量 ， 强化水泥浆体 一集料 的界 面结构 。当混凝 土 中同时加入 矿物 掺和料时， 可以起到相互叠加的效应， 进一步提高混凝土的抗 冻性指标 。 掺和料 的晶核和活性效应导致水泥水 化并 产生析 晶， 加速 水化产物形成 ， 与水泥产 物反应 生成水 化碳铝 酸钙 ， 并 阻止钙 矾石 向单硫型水化 硫铝 酸钙转化 。晶核及 活性效 应可 以明显 提高界面的强度， 并增加了掺和料对混凝土强度的贡献值 ， 这 有利于改善混凝土 的抗 冻性能 。 5 结语 通过优选环保型原材料、 优化配合比进行试验， 说明通过 复掺手段可充分提高掺和料的利用价值， 不同品种矿物掺和料 的复合存在超叠加效应。 混凝土中掺加粉煤灰和矿渣微粉后， ( 下转第 1 1 7页) l 1 5 ， 巧 O O O； 2 3 H 加船叭 O 0 0；1 2 3 ， 叫跎： 兮凹卯 0 O O 1 2 3 6 5 0 ，6 ，3 9 3 卯 眇 虬 8 2 9 6 4 6 l 2 2 O 5 6 9 2 斗6 9 9 O O O O i 1 2 ， 挖 踞 O O O O l 2 人 民 黄 河2 0 1 2年第 l 0 期 图 1 牛腿及荷载模型 表 2 浇筑层顺水流向正应力随着浇筑高度变化情况MP a 施工层 第1 层 第2 层 第3 层 第4 层 第5 层 第6 层 第7 层 第8 层 浇筑第2 层时 1 0 6 4 7 一 一 一 一 一 一 一 浇筑第3 层时0 6 3 8 6 一 一 一 一 一 一 浇筑第4 层时0 1 9 4 0 0 6 8 6 6 一 一 一 一 一 浇筑第5 层时0 3 0 3 2 0 6 8 4 4 一 一 一 一 浇筑第6 层时0 1 5 2 0 0 4 1 3 7 0 7 4 3 1 一 一 一 浇筑第7 层时0 2 7 1 1 0 5 1 0 7 0 8 o 6 7 一 一 浇 筑第8 层时0 1 4 4 7 0 3 5 9 4 0 5 9 5 2 0 8 7 3 7 一 浇 筑第9 层时0 2 3 8 2 0 4 7 01 0 6 9 7 4 0 9 4 4 8 注 ： 表 中“ 一 ” 表示无应 力值 ； 空白处 为压 应力， 此时结构不 需要 配筋 因此不 予统计。 2 悬臂牛腿施工期应力计算结果分析 3 配筋设计 选取每一计算浇 筑层 ( n层 ) 顶部 的坝 体和 牛腿连 接处 为 控制点， 浇筑层第一主应力 、 顺水流向正应力随着浇筑高度的 变化情况分别见表 1 、 表 2 。计算结果表明： 在施工期 自重作用 下 ， 每一个 浇筑层的控制点 出现 了不 同程度 的主拉 应力 ， 主 拉 应力 的方 向都表现为顺 水 流方 向； 随着 浇筑 层的增 加 ， 牛腿 的 悬臂逐渐加大， 第 1到第 4浇筑层控制点应力变化不大 ， 主拉 应力为 0 6 MP a左右； 第 4到第 8浇筑层控制点主拉应力逐渐 增大； 最大主拉应力出现在浇筑第 9层时， 第 8浇筑层的应力 为 0 9 4 4 8 MP a ； 每一浇筑层完成后， 对其他各浇筑层的应力亦 有影响； 随着闸墩浇筑高度的增加， 各浇筑层的应力随之变化 ， 主拉应力逐渐减小 ， 到一定程度后表现为压应力 ； 应力分布规 律与浇筑过程相对应 ， 符合施工期应力分布的一般规律。 表 1 浇筑层第一主应力随着浇筑高度变化情况 MP a 施工层 第l 层 第2 层 第3 层 第4 层 第5 层 第6 层 第7 层 第8 层 浇筑第2 层时 0 7 6 5 4 一 一 一 一 一 一 浇筑第3 层时0 6 4 6 3 一 一 一 一 一 浇筑第4 层时0 1 9 4 0 0 6 8 6 6 一 一 一 一 浇筑第5 层时0 3 0 3 4 0 6 8 4 4 一 一 一 浇筑第6 层时0 1 5 8 9 0 4 1 3 7 0 7 4 3 1 一 一 浇筑第7 层时0 2 7 4 2 0 5 1 0 7 0 8 0 6 7 一 浇筑第8 层时0 1 7 5 5 0 3 6 5 6 0 5 9 5 7 0 8 7 3 7 浇筑第9 层时0 1 2 5 9 0 2 6 9 4 0 4 7 5 1 0 6 9 7 8 注 ： 表 中“ 一 ” 表 示无应力值 ； 空 白处 为压应力 ， 此 时结构不需要配 筋 因此不予统计。 ( 上接第 1 1 5页) 可有效减轻混凝土的 自收缩， 降低水泥的水化 热 ， 改善混凝 土的密实性 ， 增加凝胶孑 L 的数量 ， 从而 提高混凝 土 的抗冻性。 参考文献： 1 赵铁军 混凝土渗透性 M 北京： 科技出版社， 2 0 0 6 2 王福元， 吴正严 粉煤灰利 用手册 M 2版 北京 ： 中 国水利水 电出版 社 ， 20 0 4 3 吴中伟， 廉慧珍 高性 能混凝 土 M 北 京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 根据有限元计算结果 ， 各浇筑层控制点均出现了一定范围 的主拉应力 ， 其中最大主拉应力为0 9 4 4 8 MP a ， 发生在浇筑第 9层时第 8浇筑层控制点处， 如果浇筑的 C AO混凝土按照 7 d 浇筑 一层 考虑 ， C 4 0混 凝土 7 d抗拉强度可取 2 8 d抗拉强 度的 5 5 ， 为0 9 4 M P a ， 与计算所得最大应力较为接近， 需按照 水 工混凝土结构设计规范 ( S L 1 9 1 -2 0 0 8 ) 中非杆件体系钢筋混 凝土结构配筋计算方法来进行配筋设计。其他浇筑层控制点 的最大主拉应力均小于 C 4 0混凝土 2 8 d 抗拉 强度 ， 水平配筋按 照构造配筋即可 。 4 结语 针对泄水 孔 的上 、 下 游牛腿施 工期配 筋问题 ， 采用大 型通 用有限元程序 A N S Y S对泄水孑 L 的上、 下游牛腿进行了施工浇 筑模拟计算， 计算结果能够较好地反映施工期牛腿各个浇筑层 之间的应力变化情况， 从而可根据应力分布进行施工期牛腿配 筋设计。 参考文献： 1 中华人 民共 和国国家 质量监 督检验 检疫 总局 ， 中 国国家标 准化管理 委员 会 S L 1 9 1 -2 0 0 8水工混凝土结构设 计规范 s 北 京 ： 中 国水 利水 电出版 社， 2 0 0 3 2 刘相新 ， 孟宪颐 A N S Y S 基础与应用 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 6 3 周述椿 泄水孔 口外伸悬臂 牛腿 浇筑期 的应力 及配筋 分析 J 水 电站设 计， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 1 ) ：4 3 4 6 - - _+- - 【 责任编辑张华岩】 0+0+ 0 + 4 施士升 冻融循环对混凝土力学性能的影响 J 土木工程学报， 1 9 9 7 ， 3 O ( 4) ： 3 5 4 5 、 5 中华人民共和国水利 部 S L 3 5 2 -2 0 0 6水工混 凝土试验 规程 S 北京 ： 中 国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 6 商怀帅， 宋玉普， 覃丽坤 普通混凝土冻融循环后性能的试验研究 J 混凝 土与水泥制品， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 9 1 1 7 张承志 建筑混凝土 M 北京： 化工工业出版社， 2 0 0 1 【 责任编辑张华岩】 1 1 7