掺矿渣生态多孔混凝土的冻融试验

梁巧,桑正辉,伍松云,杨婕雯

(1. 中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙,410018;2. 湖南中大建设工程检测技术有限公司,湖南 长沙,410005)

掺矿渣生态多孔混凝土的冻融试验

梁巧1,桑正辉2,伍松云1,杨婕雯1

(1. 中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙,410018;2. 湖南中大建设工程检测技术有限公司,湖南 长沙,410005)

用润湿状态下的快速冻融试验方法,对矿渣掺量分别为0%、10%、20%、30%的生态多孔混凝土进行了抗冻性能试验。分析了生态多孔混凝土强度损失率、相对动弹模量及质量损失率对抗冻性能的影响。试验结果表明:掺入矿渣试验组的质量损失率明显低于基准组;试验组的相对动弹性模量随矿渣掺量的增加先增后减,且均高于基准组,表明矿渣的掺入改善了生态多孔混凝土的相对动弹模量和质量损失,提高了生态多孔混凝土的抗冻性能;矿渣掺量为20%的生态多孔混凝土抗冻性能最佳。

生态多孔混凝土;快速冻融;质量损失率;抗冻性

普通混凝土由于具有原材料资源丰富、造价低廉、坚固耐久、可塑性好、耐火耐震、维修费低等优点,在国防建设、民用建筑、水利水电、公路、铁路及桥梁隧道等工程中得到广泛应用[1]。据统计,2015年全球水泥产量为41亿t,混凝土使用量大约为240亿t。混凝土成为了人类与自然界进行物质与能量交换活动中使用量最大的一种土木工程材料,它极大地改善了人类的居住环境、工作环境及出行环境,在社会进步和物质文明发展过程中发挥了巨大作用[2]。但是,普通混凝土给人们提供便利的同时也造成了许多负面影响,如城市绿色面积减少,易造成“城市热岛效应”影响生存环境等。日本在20世纪90年代初最早提出了绿色混凝土的概念[3]。生态多孔混凝土(EPC,Eco-porous concrete)是绿色混凝土的一种,内部存在许多连续的孔隙,能够适应植物在其表面生长,其主要应用在边坡防护、绿色屋顶、停车场等场地,减少环境负荷的同时大大改善了周围的环境[4–5]。

生态多孔混凝土应用于工程时,经常受到雨水、河水浸泡,在寒冷天气中不可避免地会遭受冻融作用。目前,关于生态多孔混凝土抗冻性能的相关研究较少[6–8],生态多孔混凝土的抗冻性能的研究,对掌握生态多孔混凝土的性能和大范围推广应用,具有十分重要的现实意义[9]。为改善生态多孔混凝土的抗冻性能,本试验将配制不同矿渣掺量(0%、10%、20%、30%)的生态多孔混凝土,并制做试件,对其进行冻融试验。分析矿渣掺量对生态多孔混凝土抗冻性能的影响规律。

1 材料与方法

材料的选取及其性能指标,以及试件的制作方法与文献[10]相同。

鉴于生态多孔混凝土不适宜采取饱水状态下进行快速冻融试验,因此采取润湿状态下进行快速冻融试验。测试抗压强度试件规格为100 mm×100 mm×100 mm;测试质量及相对动弹模量变化试件规格为100 mm×100 mm×400 mm。生态多孔混凝土试件根据不同矿渣掺量分为S1、S2、S3、S4四组,其中S1组为未掺矿渣的基准组,S2～S4分别为矿渣取代水泥用量10%、20%、30%的试验组。各组中骨料粒径为19.0～26.5 mm;胶凝材料用量为300 kg/m3;水胶比为0.3。参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB／T50082—2009)相关规定进行试验。

生态多孔混凝土试件养护28 d后,在润湿状态下进行快速冻融循环试验。每5个冻融循环测试1次试件的强度、质量及相对动弹模量。当各组生态多孔混凝土试件经快速冻融循环后,满足试件的强度损失率达40%、相对动弹模量降低到60%、质量损失率达5%三个条件之一时停止试验,并分析其强度、质量及相对动弹模量的变化情况。试验主要仪器有TYE-2000E型压力试验机、快速冻融试验箱、混凝土动弹仪、电子天平等。

2 结果与分析

2.1 强度损失率

不同矿渣掺量生态多孔混凝土的强度损失率降至40%时,其抗压强度变化规律如图1所示,强度损失率如图2所示。

图1 不同矿渣掺量生态多孔混凝土强度变化

图2 不同矿渣掺量生态多孔混凝土强度损失率变化

生态多孔混凝土强度损失率可按公式Δfc=(fc0-fcn)/fc0×100%进行计算。式中:Δfc为强度损失率;fc0为标准养护28 d后抗压强度测定值(MPa),精确至0.1 MPa;fcn为经n次快速冻融循环后抗压强度测定值(MPa),精确至0.1 MPa。

由图1可知:(1) 随冻融循环次数的增加,未掺矿渣生态多孔混凝土试件的抗压强度值均高于掺矿渣试件的抗压强度值;(2) 不同矿渣掺量的生态多孔混凝土试件的抗压强度值皆随冻融循环次数的增加而降低。

由图2可知,随冻融循环次数的增加,S1～S4试验组的强度损失率曲线均呈上升趋势。当循环50次后,S1～S4组的强度损失率分别为40.86%、39.13%、40.45%、45.88%。当强度损失率达到40%时,表明试件已失效。由图2知,S1、S3、S4试验组试件已失效,而S2试验组也接近失效,且未掺矿渣试验组S1与掺矿渣试验组S2～S4的强度损失率相差不大,故掺矿渣对改善生态多孔混凝土抗冻强度损失方面效果不明显。

2.2 相对弹性模量

不同矿渣掺量生态多孔混凝土试件相对动弹模量的变化规律见图3。

生态多孔混凝土相对动弹模量可按公式Pi=fni2/f0i2×100%进行计算。式中:Pi为相对动弹模量;f0i2为冻融循环试验前第i个混凝土试件横向基频初始值(Hz);fni2为经n次快速冻融循环后第i个混凝土试件的横向基频(Hz)。

由图3可以得出:试件S1～S4的相对动弹模量随着快速冻融循环次数的增加均呈现减小的趋势,且在矿渣掺量为20%时相对动弹模量曲线减小幅度最缓。经过50次冻融循环后,S1～S4相对动弹模量分别为66.14%、68.69%、84.11%和82.23%。在冻融循环次数相同时,试件S1～S4的相对动弹模量随着矿渣掺量的增加先增加后减小,且掺矿渣试验组S2～S4的相对动弹模量均高于未掺矿渣试验组S1,表明掺入一定量的矿渣后,提高了生态多孔混凝土的抗冻性能,并在掺量为20%时生态多孔混凝土抗冻融性能最好。相对动弹模量的降低是由于骨料表面水泥基胶凝材料的冻融损伤所导致。在生态多孔混凝土试件中掺入一定量的矿渣后,能够填充水泥基胶凝材料颗粒间隙,起到密实生态多孔混凝土的作用,降低了生态多孔混凝土的孔隙率,从而减少了混凝土内部缺陷。当进行冻融循环试验时,水分在混凝土的孔隙及缺陷内结冰产生的膨胀力,使水泥基胶凝材料在薄弱区发生酥松或破碎,并逐渐扩散,最终,试件内部损伤加剧的宏观表现为相对动弹模量的快速下降。在试件中掺入一定量的矿渣后,水泥基胶凝材料的缺陷减少,其抵抗冻融破坏能力加强,故掺矿渣试验组比未掺矿渣试验组的相对动弹模量下降趋势缓。

2.3 质量损失率

不同矿渣掺量生态多孔混凝土试件质量损失率的变化规律见图4。

生态多孔混凝土质量损失率可按公式Δmc=(fm0–fmn)/fm0×100%进行计算。式中:Δmc为质量损失率;fm0为快速冻融循环前质量测定值(g),精确至0.1 g;fmn为经n次快速冻融循环后质量测定值(g),精确至0.1 g。

由图4可以得出:试件S1～S4的质量损失率均随着快速冻融循环次数的增加而增加;S2～S4组试件质量损失率变化相对较缓,而未掺矿渣S1组试件质量损失率增长较快。经过50次冻融循环,S1～S4组的质量损失率分别为1.4%、0.43%、0.45%、0.47%,掺有矿渣的生态多孔混凝土的质量损失率明显降低,说明掺入一定量的矿渣能改善生态多孔混凝土的质量损失。生态多孔混凝土试件在制备过程中掺入矿渣,因矿渣火山灰反应改变了水泥水化产物结构,且水化反应释放了骨料中的水分,对过渡区界面的水泥基胶凝材料起到养护作用,增强了水泥浆强度及与骨料的粘结能力。当进行冻融循环试验时,孔隙及缺陷内结冰产生的膨胀力使水泥基胶凝材料从薄弱区开始逐渐剥离、脱落,出现细小的颗粒。随矿渣掺量的增加,这种细小颗粒数量逐渐减少,从而降低了生态多孔混凝土的质量损失率。

图4 不同矿渣掺量下生态多孔混凝土质量损失率变化

2.4 冻融破坏机理分析

生态多孔混凝土的冻融破坏主要是由于材料本身含有一定的水分及混凝土凝结形成时混凝土中仍有残留水并占据一定的空间。生态多孔混凝土试件在润湿状态快速冻融循环中,骨料表面水泥基胶凝材料直接承受冻融作用,随冻融循环次数的增加,水泥基胶凝材料薄弱区产生剥蚀。因混凝土中水体积反复变化产生反复应力,当应力超过混凝土能承受的极限应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐扩大,使得混凝土强度逐渐降低,从而造成混凝土试件表面剥落及结构破坏。试验用生态多孔混凝土试件在制备过程中,因采用低水胶比与净浆裹石工艺,增强了水泥浆强度及其与骨料的粘结力,从而强化了生态多孔混凝土的界面过渡区,使得单一粒级粗骨料与水泥浆体材料的整体抗冻性能大大增加。掺入矿渣后的生态多孔混凝土,因矿渣火山灰反应使水泥水化产物结构发生变化,二次水化生成结构密实的水化产物,故一定的矿渣掺入可起到填充水泥基胶凝材料颗粒间隙微集料作用,使生态多孔混凝土更加密实。因此,生态多孔混凝土的孔隙率低于未掺矿渣试验组,且水化反应使水泥基胶凝材料毛细孔中水分不断消耗,导致生态多孔混凝土内部湿度降低。骨料中释放出的水分对过渡区界面的水泥基胶凝材料起到养护作用,从而增强了水泥浆强度及与骨料的粘结能力,使生态多孔混凝土的抗冻性能得到改善。但当矿渣掺量过多时,生态多孔混凝土内水泥用量相对过少,矿渣的二次水化作用在短期内进行并不充分,导致大掺量矿渣生态多孔混凝土的强度降低,使生态多孔混凝土抗冻性能反而降低。

3 结论

针对不同矿渣掺量生态多孔混凝土,基于冻融试验结果,可以得到如下结论:

(1) 不同掺量矿渣的生态多孔混凝土,在冻融循环次数相同时,随着矿渣掺量的增加,相对动弹性模量也随之提高。矿渣掺量为20%时,生态多孔混凝土相对动弹性模量最大。

(2) 当冻融循环次数相同时,掺有矿渣的生态多孔混凝土试件的质量损失率明显低于基准组试件,说明掺入一定量的矿渣可以降低生态多孔混凝土的质量损失率。

(3) 基准组试件的抗压强度值均高于掺矿渣试件的抗压强度值;冻融循环次数相同时,基准组与试验组的强度损失率相差不大,说明调整矿渣的掺量对改善生态多孔混凝土的强度损失效果不明显。

(4) 矿渣掺量对生态多孔混凝土的抗冻性能有明显影响。基准组的抗冻融破坏能力显著低于掺矿渣试件的抗冻融破坏能力,且生态多孔混凝土的抗冻性能随矿渣掺量的增加先增加,后减少。因此,若要使生态多孔混凝土具有较好的生态效益,且同时具备一定的抗冻性能,则矿渣掺量不宜超过胶凝材料总量的20%。

[1] 重庆建筑工程学院,南京工学院. 混凝土学[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1981:2.

[2] 宋岩丽. 略论混凝土材料与环境的关系[J]. 内蒙古电大学刊,2003(1):38–39.

[3] 王俊岭,王雪明,冯翠敏,等. 植生混凝土的研究进展[J]. 硅酸盐通报,2015,34(7):1 915–1 920.

[4] Clioi L. Vegetation-crowing concrete [J]. Journal of the Korea Concrete Institute,1998,10(6):11–12.

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[9] 刘小康. 植物生长型多孔混凝土的制备、性能与抗冻性研究[D]. 南京:东南大学,2006.

[10] 桑正辉. 生态多孔混凝土抗草酸侵蚀试验[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版),2017,29(4):49–53.

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

(责任编校:江河)