外掺晶须对混凝土力学强度及耐久性影响试验研究

王馨雪

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110000)

0 前 言

随着我国城镇化建设进程的不断加快，对于基础设施建设重要的混凝土原料亟需提高其强度和耐久性，因此，针对上述需求改性混凝土已经成为土木材料领域的重要研究方向。改性混凝土由于其相较于普通混凝土具有较高的耐久性，因此取得广泛的应用，为了得到改性混凝土最优配比及降低生产成本，需要对外掺材料以及掺加量的影响开展研究[1-3]。硫酸钙晶须以纤维状晶体存在，其比表面积高及具有较高抵抗环境腐蚀的能力，同时，具有较低的生产成本和对环境的污染，呈现优异的材料性能，在材料制造领域具有广泛的应用，对于外掺晶须对混凝土性能的影响，王修山等以外掺硫酸钙晶须改性混凝土的路用特性为研究对象，得到外掺晶须能够提高材料的水稳性及抗疲劳等性能；张冬梅等研究外掺晶须对混凝土材料的耐久性影响，主要从耐水性、抗裂性以及防渗性等方面开展研究；汪开放等研究不同晶须掺量条件下再生混凝土力学特性，不同晶须掺量影响材料的凝结时间及坍落度等特性；段世荣等利用泡沫胶混凝土外掺晶须，得到最优晶须掺量为3%，外掺晶须降低了材料的表面张力，汪小庆等利用室内试验研究外掺硫酸钙晶须对混凝土相对抗压强度及变形模量的影响，并从细观结构演化角度对外掺晶须的作用机理开展研究[4-10]。

文章以硫酸钙晶须混凝土力学强度与耐久性为研究对象，研究改性混凝土相对抗压强度、抗折强度及弹性模量等强度参数的演化规律，同时，考虑改性混凝土的耐久性能，从冻融相对抗压强度及相对动弹性模量力学特性变化，研究硫酸钙晶须混凝土耐久性。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验中选用的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，粗细骨料分别为河砂、再生粗骨料及碎石，河砂为级配良好的天然中砂，天然粗骨料颗粒粒径处于5-20 mm的天然碎石，再生粗骨料为试验室或建筑废弃破碎混凝土，原始强度为C30。

硫酸钙晶须为长径比100-150、莫氏硬度为3-4以及密度为2.69g/cm3的无水晶须，其基本性能指标如表1所示。

表1 硫酸钙晶须基本性能指标

1.2 试验方案

试验重点研究不同硫酸钙晶须掺量条件下混凝土力学强度以及抗冻性能，混凝土试件中晶须掺量分别为(0、1、2、3、6、7、9、10)kg·m-3，试验中试件为棱柱体，尺寸为100×100×300mm，养护时间为28d，分别进行混凝土压缩试验及抗折试验，分别研究不同硫酸钙晶须掺量条件下混凝土抗压强度、弹性模量等。同时，为研究外掺硫酸钙晶须混凝土的耐久性，开展冻融循环作用下硫酸钙晶须混凝土压缩试验，研究硫酸钙晶须混凝土冻融相对抗压强度及相对动弹性模量变化规律。

2 混凝土力学强度变化

根据混凝土压缩试验，可以得到硫酸钙晶须混凝土相对抗压强度、弹性模量，随着施加于混凝土试件上外部荷载的逐渐增大，试件中裂缝不断生成与扩展，并伴随有试件边缘的剥落，区别于无掺加硫酸钙晶须普通混凝土，硫酸钙晶须混凝土无论是在加载过程中还是最终破坏状态下，试件观察到的裂缝尺寸小于普通混凝土。不同硫酸钙晶须混凝土相对抗压强度、弹性模量以及抗折强度的随硫酸钙晶须掺量的演化规律，如图1所示。

(a)抗压强度 (b)弹性模量

图1 不同硫酸钙晶须混凝土力学强度参数

从图1可以得到，外掺硫酸钙晶须能够提高混凝土的强度，随着硫酸钙晶须掺量的增加，混凝土强度逐渐提高，但是，从图中也可以看出，掺加硫酸钙晶须对于混凝土的强度的影响存在一定的极限，当超过一定限度后，混凝土试件力学强度的几乎不再增加。根据硫酸钙晶须混凝土试验结果，最优硫酸钙晶须掺量约为6kg·m-3，相较于普通混凝土相对抗压强度、弹性模量，增幅分别49.43%、37.29%。在最优硫酸钙晶须掺量范围内，通过对试验数据的拟合，可以得到相对抗压强度、弹性模量以及抗折强度随晶须掺量的定量演化关系，拟合关系如图(1)中所示。

3 混凝土抗冻性能变化

由于混凝土在基础设施建设中的广泛应用，环境条件对混凝土的耐久性提出新的考验，温度的变化导致混凝土内部结构的变化，造成实际性能的降低，通过研究对不通冻融循环次数下混凝土强度变化，对比分析普通混凝土与硫酸钙晶须混凝土的抗冻性能。以最优硫酸钙晶须掺量约为6kg·m-3条件下混凝土试件为研究对象，冻融循环次数分别为20、50、80、100、200次，混凝土冻融相对抗压强度及相对动弹性模量的变化规律，如图2所示。

采用相对抗压强度及相对动弹性模量，与损伤力学中损伤变量的定义一致，可以用来表征材料强度的弱化特征，由图2可以得到，冻融循环对普通混凝土和硫酸钙晶须混凝土强度均产生弱化作用，并且随着冻融循环次数的增加，材料强度逐渐降低，根据循环次数与强度的拟合关系，可以得到相对强度参数与循环次数呈现指数降低，关系式如公式(1)所示，拟合参数如表2所示。

(a)相对抗压强度 (b)相对动弹性模量

图2 混凝土冻融相对抗压强度及相对动弹性模量

(1)

表2 拟合参数

对比分析两种混凝土的强度变化规律，外掺硫酸钙晶须混凝土抗冻性明显提高，在冻融循环次数为200的条件下，普通混凝土相对抗压强度为56%，硫酸钙晶须混凝土相对抗压强度为64%，提高约为8%，普通混凝土相对动弹性模量为63%，硫酸钙晶须混凝土相对动弹性模量为72%，提高约为9%，试验结果表明，外掺硫酸钙晶须能够有效的提高混凝土的抗冻性能。

混凝土外掺硫酸钙晶须对于试件强度的增强作用主要体现在两个方面，一方面，硫酸钙晶须的掺加能够提高混凝土骨架强度，在混凝土生产过程中水泥水化产物能够与硫酸钙晶须相结合，增强混凝土的空间骨骼架构的强度，避免混凝土产生大的裂缝与软弱结构面，另一方面，硫酸钙晶须长度短且强度高，能够不断填充混凝土生产过程中出现的孔隙与微裂隙等缺陷，提高混凝土的密实程度，从而增强材料的强度与耐久性。

4 结 论

文章研究外掺硫酸钙晶须混凝土力学性质及耐久性能，分析不同晶须掺量条件下混凝土强度参数与抗冻性能的变化特征，研究外掺晶须对混凝土性能的影响，主要研究结论如下：

1)根据硫酸钙晶须混凝土试验结果可以得到，外掺硫酸钙晶须能够有效提高混凝土的强度及耐久性，并且存在最优晶须掺量约为6kg·m-3，在最优晶须掺量范围内混凝土强度参数值逐渐增大，耐久性逐渐提高：

2)在最优晶须掺量范围内，混凝土强度参数随晶须掺量线性增加，抗压强度、抗折强度及弹性模量增幅分比为%、%、%：外掺硫酸钙晶须能够有效的提高混凝土的抗冻性能外掺在冻融循环次数为200的条件下，混凝土相对抗压强度提高约为8%，相对动弹性模量提高约为9%。