聚合物改性闸底板硅粉混凝土抗盐冻试验研究

周 翔

(塔里木河流域工程建设处，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

新疆地区每年都会经历比较漫长的严寒期，同时还广泛分布着盐碱地。这些地区的建筑物不可避免会受到盐冻侵蚀损伤破坏，对于建筑物结构的长期耐久性和安全性造成极大影响，因而有必要对这些地区混凝土的抗盐冻力学行为展开研究。

掺合料是目前改善混凝土力学性能最常用的方法，如粉煤灰、矿渣粉、纤维、硅粉等均可以对混凝土的力学性能起到明显的改善作用。但在盐侵蚀环境下，单独掺入这些掺合料的混凝土难以达到长期耐久性的要求[1-3]。聚合物改性混凝土相比普通混凝土而言，具有耐磨损性好、耐腐蚀性强、电绝缘性好、耐水性能佳、抗冻性强以及与其他材料黏结性强等诸多优点；同时与其他掺合料混凝土相比，还具有较好的经济性，因而逐渐在交通、水利工程中普及。而在众多聚合物改性材料中，以环氧树脂与混合乳液改性效果最佳[4-6]。

本文以民生引水枢纽闸底板硅粉混凝土为例，将聚合物掺入混凝土，配制不同聚灰比的聚合物改性硅粉混凝土，并进行强度、抗冻和抗氯离子渗透试验，以期能为提升闸底板混凝土的抗盐冻性能提供参考与借鉴。

1 工程概况

民生引水枢纽是叶尔羌河流域规划中的第五级引水枢纽，始建于1987年，并于1989 年投入运行。该引水枢纽规模为大(Ⅱ)型工程，工程等别为Ⅱ等，设计洪水标准30年一遇，水库以灌溉为主，兼顾防洪，控制灌溉面积4.847×104hm2。民生引水枢纽工程原总布置由4部分组成：进水冲砂闸、泄洪闸、新建泄洪闸、溃坝段及拦河堤，位于河道引水弯道的凹岸，从河岸左侧向右侧依次排列。经多年运行，现枢纽整体引水和过洪能力不能满足运行要求，必须对原进水闸、冲砂闸、泄洪闸进行除险加固，对原标准较低的拦河坝和溃坝段拆除重建。根据地形新增孔7泄洪闸，其中老泄洪闸闸室、老引水闸及冲砂闸下部硅粉混凝土底板补强施工内容主要为拆除原有的底板，采用C40硅粉混凝土闸底板补强。

2 试验概况

2.1 试验原材料

水泥：PO42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积340 m2/kg，平均烧失量1.69%，氯离子含量为0.025%，MgO和SO3含量分别为3.5%和2.5%，初凝和终凝时间分贝为193和251 min，28 d抗压和抗折强度分别为50和5.6 MPa。

硅粉：比表面积为24 000 m2/kg，密度305 kg/m3，需水量比108%，平均烧失量2%，氯离子含量0.016%，SiO2含量为95.3%。

骨料：粗骨料粒径为4.75～19.5 mm，4.75～9.5和9.5～19.5 mm的碎石占比分别为30%和70%，泥块含量0.2%，表观密度2 740 kg/m3，碎石压碎值13.5%；细骨料细度模数为2.67，表观密度2 670 kg/m3，含泥量1.2%，空隙率为45%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%，含气量2.7%，泌水比38，初凝和终凝时间为64和86 min，推荐掺量为1%。

本固化剂：DY-157 型水性环氧固化剂，浅棕色，具有一定黏稠度(6 500～9 000 Pa·s)，黏聚力好，常温下可固化，耐久性好，适用于盐雾环境，固含量为50%，pH值为9.5～10.5。

有机消泡剂：SN-154型有机硅消泡剂，乳白色，固含量为505，黏度1 500～2 000 Pa·s，pH值为11～13，胺值为270±30。

2.2 试验配合比

按照C40混凝土设计要求，初步确定混凝土的基准配合比为水泥∶硅粉∶砂∶石∶水=296∶18∶764∶1146∶126，水胶比为0.4，砂率为40%，硅粉掺量为5%；水性环氧树脂∶固化剂=1∶0.25，聚灰比共设置5种，分别为0%、5%、10%、15%和20%，各组试验配比方案见表1。

表1 试验配比方案

2.3 试验内容及方法

按照混凝土试验配合比进行试件制作，并放到标准养护箱中进行标准养护28d。混凝土达到养护龄期后，进行盐冻融循环试验，盐溶液为3%浓度的氯化钠盐溶液，冻融循环温度为-18℃～5℃，-18℃环境下2 h，5℃环境下2 h，每一次冻融循环时间为4 h，总冻融循环次数设定为200次。当冻融循环次数为0、50、100、150和200次时，分别对混凝土进行抗压试验、相对动弹性模量试验以及抗氯离子渗透试验。

3 试验结果分析

3.1 强度试验结果

不同盐冻次数下改性混凝土抗压强度随聚灰比的变化关系曲线见图1。从图1中可知，相同聚灰比情况下，随着盐冻融次数的增加，抗压强度均呈逐渐减小的变化趋势，表明混凝土的损伤劣化与盐冻融循环次数呈正比。当盐冻次数为0次时，混凝土强度随聚灰比增大呈逐渐减小的变化特征；当盐冻次数为50、100和150次时，混凝土强度随聚灰比增大呈先减小后增大再减小的变化趋势；当盐冻次数为200次时，混凝土强度随聚灰比呈先增大后减小的变化特征。聚灰比越大，混凝土的强度下降幅度越小，当聚灰比为0、5%、10%、15%、20%时，经200次盐冻循环后的抗压强度下降幅度分别为31.4%、20.8%、19.7%、14.5%和17.2%，表明聚合物可以抑制硅粉混凝土的盐冻损伤。这是因为聚合物的聚合反应以共价键形式形成高分子量化合物，并且以三维网状结构穿插在水泥凝胶材料中，再加上硅粉的填充作用，使得聚合物改性混凝土结构的密实性得到大大提升，对于抗冻侵蚀具有积极作用。

图1 不同盐冻次数下抗压强度随聚灰比变化特征

3.2 抗盐冻试验结果

不同盐冻次数下聚合物改性硅粉混凝土的质量损失率随聚灰比变化特征见图2。从图2中可知，相同聚灰比下，盐冻次数越多，混凝土的质量损失越大，表明损伤程度随盐冻次数增加而增大；相同盐冻系数下，随着聚灰比的增大，混凝土质量损失率有逐渐减小的变化特征。这是因为聚合物中小分子的水性环氧树脂附着在水泥的水化产物表面上，随着混凝土中水化反应的持续进行，这些小分子逐渐连接成网状结构并填充在混凝土的毛细孔隙中，同时与胶凝材料交叉从而形成网状结构，结构密实性提升，透水性降低，聚合物掺量越高，这种作用就越明显，混凝土结构越不容易遭受盐冻的侵蚀。

图2 不同盐冻次数下质量损失率随聚灰比变化特征

不同盐冻次数下聚合物改性硅粉混凝土的相对动弹性模量随聚灰比变化特征见图3。从图3中可知，随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量逐渐降低，相同盐冻次数下，随着聚灰比的增大混凝土的相对动弹性模量逐渐增大。经历200次冻融循环后，聚灰比为5%、10%、15%和20%的混凝比未掺入聚合物的混凝土的相对动弹性模量提升2.5%、3.8%、3.8%和4.9%；当聚灰比达到10%以后，经过200次盐冻后混凝土的相对动弹性模量还能保持在95%以上。

图3 不同盐冻次数下相对动弹性模量随聚灰比变化特征

3.3 抗氯离子渗透试验结果

不同盐冻次数下聚合物改性硅粉混凝土的电通量随聚灰比变化特征见图4。从图4中可以看到，相同盐冻次数下，随着聚灰比的增大，电通量呈逐渐减小的变化趋势，且前期下降幅度大于后期。当聚灰比大于10%以后，对混凝土抗氯离子渗透性的影响不再明显；在10%聚灰比下，在经过0、50、100、150和200次盐冻之后，电通量相比不掺入聚合物的试验组分别降低45.6%、62.9%、68%、60.6%和64.5%。由此可见，聚合物对于混凝土盐冻之后抗氯离子的渗透性改善有较大幅度提升，聚合物的掺入改善了混凝土的内部孔隙结构，有害孔明显降低，聚合物网状空间结构能够在一定程度上阻止氯离子的侵入。但随着盐冻次数增多，这些网状结构会逐渐破坏，抗氯离子渗透性将逐渐减弱。

图4 不同盐冻次数下电通量随聚灰比变化特征

在整个盐冻试验过程中，未掺入聚合物的混凝土，在经历0、50、100、150和200次盐冻之后，分别满足抗氯离子渗透性的Ⅳ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ级要求；在5%聚灰比下，分别满足Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅴ级要求；在10%～20%聚灰比下，均满足Ⅴ级要求。由此可见，只要聚灰比达到10%，就可以使硅粉混凝土在200次盐冻之后的抗氯离子渗透性依然满足Ⅴ级要求。

4 结 论

1) 聚合物在混凝土中形成的高分子量化合物以三维网状结构穿插在胶凝材料中，可以大大提升混凝土的结构密实性，从而有利于混凝土的抗盐冻侵蚀。

2) 随着聚灰比的增加，混凝土强度下降幅度、质量损失率、电通量逐渐减小，相对动弹性模量逐渐增大。

3) 根据试验结果，综合强度、抗冻和抗氯离子渗透试验结果认为，聚灰比达到10%以后，硅粉混凝土将具有较好的抗盐冻侵蚀性能，因此建议使用闸底板硅粉混凝土聚灰比≥10%。