梁巧,桑正輝,伍松云,楊婕雯

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙,410018;2. 湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司,湖南 長沙,410005)

摻礦渣生態(tài)多孔混凝土的凍融試驗(yàn)

梁巧1,桑正輝2,伍松云1,楊婕雯1

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙,410018;2. 湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司,湖南 長沙,410005)

用潤濕狀態(tài)下的快速凍融試驗(yàn)方法,對礦渣摻量分別為0%、10%、20%、30%的生態(tài)多孔混凝土進(jìn)行了抗凍性能試驗(yàn)。分析了生態(tài)多孔混凝土強(qiáng)度損失率、相對動彈模量及質(zhì)量損失率對抗凍性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:摻入礦渣試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率明顯低于基準(zhǔn)組;試驗(yàn)組的相對動彈性模量隨礦渣摻量的增加先增后減,且均高于基準(zhǔn)組,表明礦渣的摻入改善了生態(tài)多孔混凝土的相對動彈模量和質(zhì)量損失,提高了生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能;礦渣摻量為20%的生態(tài)多孔混凝土抗凍性能最佳。

生態(tài)多孔混凝土;快速凍融;質(zhì)量損失率;抗凍性

普通混凝土由于具有原材料資源豐富、造價低廉、堅(jiān)固耐久、可塑性好、耐火耐震、維修費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn),在國防建設(shè)、民用建筑、水利水電、公路、鐵路及橋梁隧道等工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計,2015年全球水泥產(chǎn)量為41億t,混凝土使用量大約為240億t?；炷脸蔀榱巳祟惻c自然界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換活動中使用量最大的一種土木工程材料,它極大地改善了人類的居住環(huán)境、工作環(huán)境及出行環(huán)境,在社會進(jìn)步和物質(zhì)文明發(fā)展過程中發(fā)揮了巨大作用[2]。但是,普通混凝土給人們提供便利的同時也造成了許多負(fù)面影響,如城市綠色面積減少,易造成“城市熱島效應(yīng)”影響生存環(huán)境等。日本在20世紀(jì)90年代初最早提出了綠色混凝土的概念[3]。生態(tài)多孔混凝土(EPC,Eco-porous concrete)是綠色混凝土的一種,內(nèi)部存在許多連續(xù)的孔隙,能夠適應(yīng)植物在其表面生長,其主要應(yīng)用在邊坡防護(hù)、綠色屋頂、停車場等場地,減少環(huán)境負(fù)荷的同時大大改善了周圍的環(huán)境[4–5]。

生態(tài)多孔混凝土應(yīng)用于工程時,經(jīng)常受到雨水、河水浸泡,在寒冷天氣中不可避免地會遭受凍融作用。目前,關(guān)于生態(tài)多孔混凝土抗凍性能的相關(guān)研究較少[6–8],生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能的研究,對掌握生態(tài)多孔混凝土的性能和大范圍推廣應(yīng)用,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。為改善生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能,本試驗(yàn)將配制不同礦渣摻量(0%、10%、20%、30%)的生態(tài)多孔混凝土,并制做試件,對其進(jìn)行凍融試驗(yàn)。分析礦渣摻量對生態(tài)多孔混凝土抗凍性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

材料的選取及其性能指標(biāo),以及試件的制作方法與文獻(xiàn)[10]相同。

鑒于生態(tài)多孔混凝土不適宜采取飽水狀態(tài)下進(jìn)行快速凍融試驗(yàn),因此采取潤濕狀態(tài)下進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。測試抗壓強(qiáng)度試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm;測試質(zhì)量及相對動彈模量變化試件規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm。生態(tài)多孔混凝土試件根據(jù)不同礦渣摻量分為S1、S2、S3、S4四組,其中S1組為未摻礦渣的基準(zhǔn)組,S2～S4分別為礦渣取代水泥用量10%、20%、30%的試驗(yàn)組。各組中骨料粒徑為19.0～26.5 mm;膠凝材料用量為300 kg/m3;水膠比為0.3。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB／T50082—2009)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

生態(tài)多孔混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d后,在潤濕狀態(tài)下進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。每5個凍融循環(huán)測試1次試件的強(qiáng)度、質(zhì)量及相對動彈模量。當(dāng)各組生態(tài)多孔混凝土試件經(jīng)快速凍融循環(huán)后,滿足試件的強(qiáng)度損失率達(dá)40%、相對動彈模量降低到60%、質(zhì)量損失率達(dá)5%三個條件之一時停止試驗(yàn),并分析其強(qiáng)度、質(zhì)量及相對動彈模量的變化情況。試驗(yàn)主要儀器有TYE-2000E型壓力試驗(yàn)機(jī)、快速凍融試驗(yàn)箱、混凝土動彈儀、電子天平等。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度損失率

不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土的強(qiáng)度損失率降至40%時,其抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示,強(qiáng)度損失率如圖2所示。

圖1 不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土強(qiáng)度變化

圖2 不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土強(qiáng)度損失率變化

生態(tài)多孔混凝土強(qiáng)度損失率可按公式Δfc=(fc0-fcn)/fc0×100%進(jìn)行計算。式中:Δfc為強(qiáng)度損失率;fc0為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后抗壓強(qiáng)度測定值(MPa),精確至0.1 MPa;fcn為經(jīng)n次快速凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度測定值(MPa),精確至0.1 MPa。

由圖1可知:(1) 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,未摻礦渣生態(tài)多孔混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均高于摻礦渣試件的抗壓強(qiáng)度值;(2) 不同礦渣摻量的生態(tài)多孔混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值皆隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

由圖2可知,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,S1～S4試驗(yàn)組的強(qiáng)度損失率曲線均呈上升趨勢。當(dāng)循環(huán)50次后,S1～S4組的強(qiáng)度損失率分別為40.86%、39.13%、40.45%、45.88%。當(dāng)強(qiáng)度損失率達(dá)到40%時,表明試件已失效。由圖2知,S1、S3、S4試驗(yàn)組試件已失效,而S2試驗(yàn)組也接近失效,且未摻礦渣試驗(yàn)組S1與摻礦渣試驗(yàn)組S2～S4的強(qiáng)度損失率相差不大,故摻礦渣對改善生態(tài)多孔混凝土抗凍強(qiáng)度損失方面效果不明顯。

2.2 相對彈性模量

不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土試件相對動彈模量的變化規(guī)律見圖3。

生態(tài)多孔混凝土相對動彈模量可按公式Pi=fni2/f0i2×100%進(jìn)行計算。式中:Pi為相對動彈模量;f0i2為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個混凝土試件橫向基頻初始值(Hz);fni2為經(jīng)n次快速凍融循環(huán)后第i個混凝土試件的橫向基頻(Hz)。

由圖3可以得出:試件S1～S4的相對動彈模量隨著快速凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)減小的趨勢,且在礦渣摻量為20%時相對動彈模量曲線減小幅度最緩。經(jīng)過50次凍融循環(huán)后,S1～S4相對動彈模量分別為66.14%、68.69%、84.11%和82.23%。在凍融循環(huán)次數(shù)相同時,試件S1～S4的相對動彈模量隨著礦渣摻量的增加先增加后減小,且摻礦渣試驗(yàn)組S2～S4的相對動彈模量均高于未摻礦渣試驗(yàn)組S1,表明摻入一定量的礦渣后,提高了生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能,并在摻量為20%時生態(tài)多孔混凝土抗凍融性能最好。相對動彈模量的降低是由于骨料表面水泥基膠凝材料的凍融損傷所導(dǎo)致。在生態(tài)多孔混凝土試件中摻入一定量的礦渣后,能夠填充水泥基膠凝材料顆粒間隙,起到密實(shí)生態(tài)多孔混凝土的作用,降低了生態(tài)多孔混凝土的孔隙率,從而減少了混凝土內(nèi)部缺陷。當(dāng)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時,水分在混凝土的孔隙及缺陷內(nèi)結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力,使水泥基膠凝材料在薄弱區(qū)發(fā)生酥松或破碎,并逐漸擴(kuò)散,最終,試件內(nèi)部損傷加劇的宏觀表現(xiàn)為相對動彈模量的快速下降。在試件中摻入一定量的礦渣后,水泥基膠凝材料的缺陷減少,其抵抗凍融破壞能力加強(qiáng),故摻礦渣試驗(yàn)組比未摻礦渣試驗(yàn)組的相對動彈模量下降趨勢緩。

2.3 質(zhì)量損失率

不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土試件質(zhì)量損失率的變化規(guī)律見圖4。

生態(tài)多孔混凝土質(zhì)量損失率可按公式Δmc=(fm0–fmn)/fm0×100%進(jìn)行計算。式中:Δmc為質(zhì)量損失率;fm0為快速凍融循環(huán)前質(zhì)量測定值(g),精確至0.1 g;fmn為經(jīng)n次快速凍融循環(huán)后質(zhì)量測定值(g),精確至0.1 g。

由圖4可以得出:試件S1～S4的質(zhì)量損失率均隨著快速凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加;S2～S4組試件質(zhì)量損失率變化相對較緩,而未摻礦渣S1組試件質(zhì)量損失率增長較快。經(jīng)過50次凍融循環(huán),S1～S4組的質(zhì)量損失率分別為1.4%、0.43%、0.45%、0.47%,摻有礦渣的生態(tài)多孔混凝土的質(zhì)量損失率明顯降低,說明摻入一定量的礦渣能改善生態(tài)多孔混凝土的質(zhì)量損失。生態(tài)多孔混凝土試件在制備過程中摻入礦渣,因礦渣火山灰反應(yīng)改變了水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu),且水化反應(yīng)釋放了骨料中的水分,對過渡區(qū)界面的水泥基膠凝材料起到養(yǎng)護(hù)作用,增強(qiáng)了水泥漿強(qiáng)度及與骨料的粘結(jié)能力。當(dāng)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時,孔隙及缺陷內(nèi)結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力使水泥基膠凝材料從薄弱區(qū)開始逐漸剝離、脫落,出現(xiàn)細(xì)小的顆粒。隨礦渣摻量的增加,這種細(xì)小顆粒數(shù)量逐漸減少,從而降低了生態(tài)多孔混凝土的質(zhì)量損失率。

圖4 不同礦渣摻量下生態(tài)多孔混凝土質(zhì)量損失率變化

2.4 凍融破壞機(jī)理分析

生態(tài)多孔混凝土的凍融破壞主要是由于材料本身含有一定的水分及混凝土凝結(jié)形成時混凝土中仍有殘留水并占據(jù)一定的空間。生態(tài)多孔混凝土試件在潤濕狀態(tài)快速凍融循環(huán)中,骨料表面水泥基膠凝材料直接承受凍融作用,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,水泥基膠凝材料薄弱區(qū)產(chǎn)生剝蝕。因混凝土中水體積反復(fù)變化產(chǎn)生反復(fù)應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混凝土能承受的極限應(yīng)力時,混凝土內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸擴(kuò)大,使得混凝土強(qiáng)度逐漸降低,從而造成混凝土試件表面剝落及結(jié)構(gòu)破壞。試驗(yàn)用生態(tài)多孔混凝土試件在制備過程中,因采用低水膠比與凈漿裹石工藝,增強(qiáng)了水泥漿強(qiáng)度及其與骨料的粘結(jié)力,從而強(qiáng)化了生態(tài)多孔混凝土的界面過渡區(qū),使得單一粒級粗骨料與水泥漿體材料的整體抗凍性能大大增加。摻入礦渣后的生態(tài)多孔混凝土,因礦渣火山灰反應(yīng)使水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,二次水化生成結(jié)構(gòu)密實(shí)的水化產(chǎn)物,故一定的礦渣摻入可起到填充水泥基膠凝材料顆粒間隙微集料作用,使生態(tài)多孔混凝土更加密實(shí)。因此,生態(tài)多孔混凝土的孔隙率低于未摻礦渣試驗(yàn)組,且水化反應(yīng)使水泥基膠凝材料毛細(xì)孔中水分不斷消耗,導(dǎo)致生態(tài)多孔混凝土內(nèi)部濕度降低。骨料中釋放出的水分對過渡區(qū)界面的水泥基膠凝材料起到養(yǎng)護(hù)作用,從而增強(qiáng)了水泥漿強(qiáng)度及與骨料的粘結(jié)能力,使生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能得到改善。但當(dāng)?shù)V渣摻量過多時,生態(tài)多孔混凝土內(nèi)水泥用量相對過少,礦渣的二次水化作用在短期內(nèi)進(jìn)行并不充分,導(dǎo)致大摻量礦渣生態(tài)多孔混凝土的強(qiáng)度降低,使生態(tài)多孔混凝土抗凍性能反而降低。

3 結(jié)論

針對不同礦渣摻量生態(tài)多孔混凝土,基于凍融試驗(yàn)結(jié)果,可以得到如下結(jié)論:

(1) 不同摻量礦渣的生態(tài)多孔混凝土,在凍融循環(huán)次數(shù)相同時,隨著礦渣摻量的增加,相對動彈性模量也隨之提高。礦渣摻量為20%時,生態(tài)多孔混凝土相對動彈性模量最大。

(2) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時,摻有礦渣的生態(tài)多孔混凝土試件的質(zhì)量損失率明顯低于基準(zhǔn)組試件,說明摻入一定量的礦渣可以降低生態(tài)多孔混凝土的質(zhì)量損失率。

(3) 基準(zhǔn)組試件的抗壓強(qiáng)度值均高于摻礦渣試件的抗壓強(qiáng)度值;凍融循環(huán)次數(shù)相同時,基準(zhǔn)組與試驗(yàn)組的強(qiáng)度損失率相差不大,說明調(diào)整礦渣的摻量對改善生態(tài)多孔混凝土的強(qiáng)度損失效果不明顯。

(4) 礦渣摻量對生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能有明顯影響?；鶞?zhǔn)組的抗凍融破壞能力顯著低于摻礦渣試件的抗凍融破壞能力,且生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能隨礦渣摻量的增加先增加,后減少。因此,若要使生態(tài)多孔混凝土具有較好的生態(tài)效益,且同時具備一定的抗凍性能,則礦渣摻量不宜超過膠凝材料總量的20%。

[1] 重慶建筑工程學(xué)院,南京工學(xué)院. 混凝土學(xué)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1981:2.

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Freeze-thaw test of eco-porous concrete containing slag

Liang Qiao1,Sang Zhenghui2,Wu Songyun1,Yang Jiewen1
(1. School of Civil Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changshan 410018,China;2.Hunan Zhongda Construction Engineering Testing Technology Co Ltd,Changsha 410005,China)

Based on rapid freeze-thaw test method,under wetting state,the frost resistance test of eco-porous concrete containing slag is carried out when the slag content is 0%,10%,20%,30% respectively. The effects of strength loss ratio,relative modulus of elasticity and mass loss rate on frost resistance of eco-porous concrete are analyzed. The results show that the mass loss rate of concrete containing slag is significantly lower than that of the reference group,the relative dynamic modulus of elastic of the experimental group increases at first,and then decreases with the increasing of the slag content,but the loss rates are all higher than the reference group.Furthermore,the relative dynamic modulus of elasticity,frost resistance and mass loss late of eco-porous concrete containing slag are improved,and the frost resistance of eco-porous concrete is the best when the slag content is 20%.

eco-porous concrete;rapid freeze-thaw;mass loss rate;frost resistance

TU 528

A

1672–6146(2017)04–0081–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.020

梁巧,857448318@qq.com。

2017–07–05

(責(zé)任編校:江河)