不同掺量渗透结晶材料水工混凝性能影响研究

张行衍

(瓦房店市水务事务服务中心,辽宁 瓦房店 116300)

混凝土属于一种非均质多孔复合材料,其内部连通性、微损伤、孔隙分布、数量和大小等性质,都会在一定程度上影响外界有害介质的侵蚀和混凝土力学性能,在不利环境下裂缝扩散、贯通呈宏观裂缝还会降低混凝土耐久性[1]。因此,如何降低内部微结构受不利环境及服役荷载作用,有效改善内部缺陷和耐久性能已成为混凝土技术研究的重要课题。

渗透结晶材料(CCCW)是一种具有无毒无害、防水性能优异的防水材料,现已在大坝、地铁和房屋建筑等领域得到广泛应用[2-4]。目前,对渗透结晶混凝土性能国内外学者开展了深入探究,如Liu等认为混凝土掺渗透结晶能够明显改善其抗氯离子侵蚀、抗碳化和力学性能,可有效提高抗冻能力;Ferrara等探讨了纤维增强水泥基复合材料自愈能力和普通强度混凝土受结晶外加剂的影响,发现掺结晶材料加速了强度的发展和裂纹愈合速度,对实体质量具有积极作用;王可良等利用抗渗压力和抗压强度试验,分析混凝土自修复能力受渗透结晶材料的影响规律,发现渗透结晶可以修复裂缝增强基体抗渗性和强度,微观试验表明渗透结晶中的活性物质可以生成填充于宏观裂缝与毛细孔的产物,增强水泥基体强度;陈晓雨等通过对比复掺渗透结晶、矿物掺合料与单掺渗透结晶对抗侵蚀性的影响规律,发现复掺配制的试块性能明显更优;姚嘉诚等研究认为单掺纳米SO2或渗透结晶材料的增强效果不如两者的复掺。因此,渗透结晶能够有效改善混凝土性能,而现有研究较少考虑水工混凝土,并且渗透结晶主要是与水反应生成晶体填充内部孔隙及裂缝。因此,这是一种较理想的裂缝修复掺合剂,研究水工混凝土性能受渗透结晶材料的影响就显得非常重要[5-9]。文章结合水电站面板工程特点设计C30W12F200等级水工混凝土,试验探究了水工混凝土强度和耐久性受不同掺量渗透结晶材料的影响规律,以期为水利工程裂缝修复及渗透结晶材料的研究应用提供科学依据。

1 试验方法

1.1 原材料测试

1)水泥:抚顺大伙房水泥厂生产的P·O42.5级水泥,初、终凝时间145min和600min,标准稠度28%,安定性合格,比表面积390m2/kg,密度3.11g/cm3,3d、28d抗压强度28.8MPa和9.5MPa。

2)粗、细骨料:大连建材厂生产的Ⅱ区天然河砂和人工碎石,经检测砂的堆积密度1600kg/m3,表观密度2620kg/m3,细度模数2.7,孔隙率40%,吸水率0.6%,硫酸盐及硫化物含量0.41%;碎石粒径为20～40mm中石和5～20mm小石,其力学性能参数如表1所示。

表1 碎石的力学性能参数

3)纤维:通过对比经济指标和力学性能,最终选择徐水正达钢纤维厂生产的防锈镀铜钢纤维,长度12mm,直径0.7mm,密度7.7g/cm3,弹性模量210MPa,抗拉强度2640MPa,体积掺量1.0%。

4)渗透结晶:从市场上购买水泥基渗透结晶,以石英砂、普通硅酸盐水泥等为基材掺入渗透结晶配制成的粉末状材料作为受检砂浆。经检测渗透结晶氯离子含量0.018%,细度0.07mm,受检砂浆的28d收缩率比100%,透水压力比235%,抗压强度比104%。

1.2 配合比设计

设计二级配C30W12F200等级水工混凝土,水胶比0.4,小石∶中石=45∶55,砂率35%,减水剂和引气剂掺量1.2%、0.1%,渗透结晶掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%,试验配合比如表2所示。

表2 试验配合比

1.3 制作养护

根据《水工混凝土试验规程》进行试件的制作与养护,具体流程为:将粗、细骨料倒入强制搅拌机干拌60→加入渗透结晶、水泥和纤维干拌60s→加水湿拌180s→拌合均匀后装模,移到振动台振动30s→养护室标养24h拆模成型。

2 结果分析

2.1 抗拉与劈拉强度

将成型后的边长150mm立方体试件标养28d,采用微机控制压力试验机按照试验规程测定各组试件的劈裂抗拉强度和抗压强度,如图1所示。

(a)抗压强度 (b)劈拉强度

从图1可以看出,未掺渗透结晶P0组的劈拉、抗压强度为2.24MPa和42.6MPa,掺P0.5～P2.5%渗透结晶组劈拉、抗压强度处于2.10MPa～2.78MPa和44.3MPa～53.7MPa。劈拉、抗压强度最大值为掺1.0%渗透结晶组的2.78MPa和53.7MPa,相较于未掺基准组分别提高24.1%和26.1%。渗透结晶占胶材用量最多只有2.5%,胶材仍然是试件强度的主要来源,且胶凝材料水化产物强度远高于渗透结晶,故渗透结晶对混凝土强度发展的促进作用有限。

随渗透结晶掺量的提高劈拉和抗压强度均呈现出先上升后下降的变化趋势,这是因为在硬化过程中渗透结晶会与水生成能够填充孔隙或裂缝的结晶体,从而提高了水泥基体密实度和强度。掺量超过2.0%时渗透结晶的增强作用下降,这是因为渗透结晶掺量较高而基体内部的微裂缝、孔隙有限,多余的活性物质处于休眠状态,分散在基体内部形成一定孔隙,从而使得基体强度增幅变缓。

2.2 极限拉伸值与弹性模量

将拌合物制成300mm×Φ150mm圆柱体标养28d,采用标准8字试样按照试验规程测定各组试件极限拉伸值和静压弹性模量,如图2所示。

(a)压缩模量

从图2可以看出,掺P0.5～P2.5%渗透结晶组压缩弹模、拉伸弹模、极限拉伸值处于32.1GPa～35.2GPa、32.4MPa～35.7MPa和1.22×10-4～1.34×10-4之间,压缩弹模略低于拉伸弹模。渗透结晶的掺入在不同程度上提高了试件的极限拉伸值、拉伸弹模和压缩弹模,随着掺量的增大增幅表现出先上升后下降的趋势,掺0.5%渗透结晶组的极限拉伸值、拉伸和压缩弹模较基准组增大约10%。

2.3 抗渗性能

将拌合物制成高150mm×下口Φ185mm×上口Φ175mm的圆锥体标养28d,参照现行规范逐级加压至1.3MPa,维持最大水压力8h,观察混凝土表面渗水情况,加压后劈开试件测定平均渗水高度如图3所示,依据规范计算各组试件均达到W12抗渗等级。

图3 不同渗透结晶掺量的试件渗水高度

从图3可以看出,P0～P2.5组试件的平均渗水高度处于25.0mm～65.2mm范围,均低于试件高度150mm。随渗透结晶掺量的增大水工混凝土渗水高度逐渐减小,表明掺入渗透结晶可以明显改善抗渗性能。一方面,渗透结晶均匀分散到试件表面和内部,养护过程中表面的结晶能够形成沉淀,从而发挥一定的防水作用;另一方面,通过混凝土中的微裂缝、毛细管等环境水逐渐向内部渗透,未完全水化的水泥胶凝体会与渗透结晶中的活性物质反应生成稳定的结晶体,对内部毛细孔道起到填充效用,有利于抑制外界水体的渗透。

2.4 抗冻性能

将拌合物制成400mm×100mm×100mm的棱柱体标养24d,然后取出浸入(20±2)℃的水中浸泡4d,总龄期达到28d时利用快冻法测定各组试件的抗冻性能,设定最大冻融次数200次,试验数据如表3所示。

表3 抗冻试验数据

由表3可知,在水工混凝土中掺入渗透结晶可以改善其抗冻性能,渗透结晶的作用效果随冻融次数的增加而增大。随渗透结晶掺量的增大各组试件的质量损失率逐渐减小,经200次冻融后掺2.5%渗透结晶组的质量损失率只有1.49%。随渗透结晶掺量的增大各组试件的相对动弹模量逐渐增加,经200次冻融后掺2.5%渗透结晶组的相对动弹模量仅减小7%。这是由于渗透结晶的掺入可以明显改善抗渗性能,均匀分布在试件内部和表面的沉淀晶体阻碍了环境水向内部的渗透,从而显著改善了其抗冻性能。综上分析,水工混凝土掺1.0%渗透结晶时具有较好的耐久性和强度,可以为水利工程裂缝修复及渗透结晶材料的研究应用提供科学依据[13]。

3 结 论

1)随着渗透结晶掺量的增大试件劈拉、抗压强度均表现出先上升后下降的变化趋势,掺1.0%渗透结晶组相较于未掺基准组的劈拉、抗压强度分别提高24.1%和26.1%,进一步增大掺量至2.0%后,渗透结晶对强度发展的促进作用减弱。

2)渗透结晶的掺入在不同程度上提高了试件的极限拉伸值、拉伸弹模和压缩弹模,且随着掺量的增大增幅均表现出先上升后下降的趋势,掺0.5%渗透结晶组相较于基准组增大约10%。

3)在水工混凝土中掺入渗透结晶可以改善其耐久性能,随着渗透结晶掺量的增大试件渗水高度和质量损失率均逐渐减小,相对动弹模量逐渐增大,混凝土掺1.0%渗透结晶时的耐久性和强度达到最优。