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水泥基自密实混凝土的配比优化及抗渗透性能研究

2025-04-08 97 上传者：管理员

摘要：采用正交试验方法，研究水胶比、减水剂用量、掺合料配比对水泥基自密实混凝土抗渗透性能的影响规律。实验表明：水胶比0.36、减水剂掺量1.2%、粉煤灰25%与矿粉10%配合时，混凝土28d抗渗压力达1.2MPa，具有良好的工作性能和抗渗性能；通过压汞法分析表明，优化配合比下的混凝土具有更加致密的孔隙结构，有效孔隙率降低了35%，为水泥基自密实混凝土的工程应用提供了配合比设计依据。

关键词：
孔隙结构
抗渗压力
掺合料
水泥基自密实混凝土
配合比优化
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混凝土结构的渗透性直接影响工程的耐久性和使用寿命｡水泥基自密实混凝土因其优异的流动性和自密实性在地下结构和水工建筑中得到广泛应用,但其渗透性能仍需进一步提高｡通过优化配合比设计,调控混凝土的微观结构,可有效改善其抗渗性能｡因此,开展水泥基自密实混凝土配合比优化及抗渗透性能研究,对指导工程实践具有重要意义｡

1、实验材料与方法

1.1原材料选用

选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥,其28d抗压强度为46.5MPa,细度为2.5%(筛余),比表面积为385m2/kg｡掺合料选用Ⅰ级粉煤灰和S95级矿粉,粉煤灰细度为7%(筛余),需水量比98%｡细骨料采用天然河砂,细度模数2.8,表观密度2650kg/m3;粗骨料选用5~25mm连续级配的碎石,表观密度2700kg/m3｡外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂,固含量为35%,减水率32%｡拌和用水为符合JGJ63要求的自来水｡

1.2配合比设计

基于正交试验方法,设计水胶比分别为0.34､0.36､0.38三个水平;高性能减水剂掺量(按外加剂质量计)为1.0%､1.2%､1.4%;粉煤灰掺量为20%､25%､30%;矿粉掺量为8%､10%､12%｡砂率控制在45%~48%范围内,每立方米混凝土胶凝材料用量为420kg｡通过配合比设计试验,确定各组分用量,保证混凝土的工作性能和强度满足设计要求[1]｡

1.3实验方案及测试方法

采用L9(34)正交试验设计方案,如表1所示,共设计9组配合比｡试验过程严格按照GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行｡主要测试项目包括坍落扩展度(目标650-700mm)､T500时间(2~5s)､V型漏斗流动时间(6~12s)､28d抗压强度和抗渗压力｡每组配合比制备6个抗压试件(100mm×100mm×100mm)和3个抗渗试件(150mm×150mm×150mm)｡抗渗压力测试时,初始水压为0.3MPa,每24h增加0.3MPa直至渗透｡采用孔径范围0.003~360μm的压汞仪测定混凝土试样的孔隙结构特征｡通过氯离子扩散系数测定仪测试混凝土的抗氯离子渗透性能,电压6V,持续时间6h｡采用扫描电镜观察混凝土的微观形貌,加速电压15kV,工作距离12mm,放大倍数500~5000倍｡试验环境温度控制在20±2℃,相对湿度控制在60%±5%,标准养护28d后进行相关性能测试｡

表1正交试验设计方案

2、配合比优化结果

2.1水胶比优化

通过正交试验研究水胶比对混凝土工作性能和抗渗性能的影响｡试验结果表明,当水胶比为0.36时,混凝土坍落扩展度为670mm,T500为4.2s,V型漏斗流动时间10.5s,表现出良好的流动性和填充性｡继续降低水胶比至0.34,虽然28d抗压强度提高至46.8MPa,但其工作性能变差,坍落扩展度降至620mm｡当水胶比升至0.38时,工作性能改善,但28d抗压强度降至42.3MPa,抗渗透性能下降｡综合各项性能指标,水胶比0.36时性能最为均衡[2]｡

2.2掺合料用量优化

在确定最佳水胶比基础上,研究粉煤灰和矿粉复配对混凝土性能的影响｡试验结果显示,掺加25%粉煤灰和10%矿粉的组合效果最佳,此时混凝土坍落扩展度为665mm,粘聚性好,无离析现象,28d抗渗压力达到1.2MPa｡当粉煤灰掺量增至30%时,早期强度明显降低,7d抗压强度仅为设计强度的65%;当矿粉掺量增至12%时,需水量增加,影响工作性能｡压汞试验表明,最佳掺量组合下,混凝土的总孔隙率为12.5%,有害孔(>200nm)比例降至25%｡

2.3外加剂配比优化

研究高性能减水剂用量对混凝土性能的影响｡结果表明,减水剂掺量1.2%时性能最优,混凝土坍落扩展度为660mm,保坍时间达到1.5h｡当减水剂掺量低于1.0%时,流动性不足;当掺量超过1.4%时,出现轻微泌水｡在最佳减水剂掺量下,混凝土28d抗压强度达到45.6MPa,较基准组提高了12%,表明减水剂的分散作用改善了水泥的水化程度｡

2.4最佳配合比验证基于正交试验结果,确定最佳配合比(kg/m3):水泥294､粉煤灰105､矿粉42､砂780､石1050､水158､减水剂5.3｡验证试验表明,该配合比下混凝土各项指标稳定:坍落扩展度665±20mm,T500为4.5±0.5s,V型漏斗流动时间11.0±1.0s,28d抗压强度45.8MPa,抗渗等级P8,氯离子扩散系数5.62×10-12m2/s｡28d干燥收缩值为480×10-6,满足设计要求｡

3、抗渗透性能评价

3.1抗渗压力测试

按GB/T50082标准进行抗渗压力测试,如表2所示｡研究表明,最佳配合比下的混凝土抗渗等级达P8,抗渗压力为0.8MPa,渗水深度控制在20mm以内｡经统计分析,水胶比每降低0.02,抗渗压力提高约0.2MPa｡掺合料复配组较单掺组的抗渗压力提高约15%,这主要归因于粉煤灰和矿粉的微粉填充和火山灰效应[3]｡随养护龄期增长,28d､56d､90d抗渗压力分别为1.0MPa､1.2MPa､1.3MPa,表明混凝土的抗渗性能随水化进程不断改善｡同时,对抗渗试件的破坏断面分析发现,水泥石与骨料界面结合紧密,无明显裂缝和疏松区域｡试验过程中记录的渗透水压与时间关系曲线显示,最佳配合比组的渗透速率在0.3MPa水压下为0.05mL/(m2•h),较基准组降低35%｡

表2不同龄期抗渗性能测试结果

3.2渗透系数分析

采用RCM法测定氯离子渗透系数｡试验结果显示,最佳配合比下的混凝土28d氯离子扩散系数为5.62×10-12m2/s,较基准组降低28%｡对渗透系数与材料组成的关系分析发现,水胶比每增加0.02,渗透系数增大约12%;复合掺合料的使用可使渗透系数降低20%~25%｡这主要是由于掺合料的二次水化反应和填充效应,改善了混凝土的孔隙结构,阻碍了氯离子的传输通道｡90d龄期的氯离子扩散系数降至4.85×10-12m2/s｡电泳试验结果进一步证实,优化配合比下的混凝土具有较低的氯离子迁移率,其6h累积电荷量为2100库仑,属于中等渗透性等级[4]｡采用AgNO3喷涂法测定的氯离子渗透深度在56d时为18.5mm,较基准组降低32%｡

3.3孔隙特征测定

采用压汞仪测定混凝土孔隙结构特征｡结果表明,最佳配合比下混凝土的总孔隙率为13.8%,其中有害孔(>100nm)占比28%,毛细孔(20~100nm)占比42%,凝胶孔(<20nm)占比30%｡与基准组相比,总孔隙率降低了12%,且孔径分布更加集中在20~50nm范围内｡复合掺合料的使用显著优化了孔隙结构,将有害孔比例从38%降至28%,这与抗渗压力的提高具有良好的对应关系｡90d龄期时,总孔隙率降至12.5%,孔结构继续优化｡氮气吸附法测定结果显示,最佳配合比混凝土的比表面积达到8.5m2/g,孔隙分布曲线呈单峰态,表明孔结构更加均匀｡水银压入-压出曲线的滞后环面积减小,说明孔径分布更加合理｡

3.4微观结构研究

通过扫描电镜观察混凝土的微观形貌｡在1000倍放大倍数下,可见最佳配合比混凝土的水化产物分布均匀,C-S-H凝胶呈致密网状结构｡5000倍放大时观察到界面过渡区厚度明显减小,由基准组的12~15μm降至6~8μm[5]｡掺合料的火山灰反应产物填充在孔隙中,形成更加致密的微观结构｡能谱分析显示,Ca/Si比从基准组的2.0降至1.7,表明形成了更稳定的C-S-H结构｡XRD分析表明,CH含量降低约20%,这与掺合料的火山灰效应相符｡热重分析结果进一步证实,在400~450℃范围内的质量损失减小,表明CH含量降低;同时在105℃以下的失重量较小,说明毛细孔隙水含量减少｡原子力显微镜观察结果显示,C-S-H凝胶表面的粗糙度Ra值降低至150nm｡

4、试验结果综合分析

4.1配合比参数相关性分析

通过多元回归分析表明,水胶比､掺合料用量和减水剂掺量与抗渗性能呈显著相关性｡其中水胶比的相关系数最大,达到-0.823(P<0.01);复合掺合料用量次之,相关系数为0.715(P<0.01);减水剂掺量的相关系数为0.562(P<0.05)｡基于响应面分析方法建立的数学模型显示,水胶比与掺合料用量之间存在显著交互作用,当水胶比为0.36､掺合料复配比例为25%粉煤灰+10%矿粉时,抗渗性能达到最优｡方差分析结果进一步表明,三因素交互作用的F值为8.56,达到显著性水平｡(表3)

表3配合比参数对抗渗性能的方差分析

4.2抗渗性能影响机理

通过微观结构分析发现,掺合料的火山灰反应及填充效应是提高抗渗性能的主要机理｡SEM观察表明,复合掺合料的水化产物填充在水泥石孔隙中,优化了孔结构;压汞试验结果显示最佳配合比下孔隙率降至13.8%,其中有害孔(>100nm)比例降至28%｡同时,掺合料的火山灰反应消耗了部分Ca(OH)2,生成了更多的C-S-H凝胶,使界面过渡区更加致密,抗渗性能得到显著改善｡非连续性孔隙比例增加至65%,表明孔隙连通性显著降低｡

4.3工作性能与抗渗性能关系

研究表明,适当的工作性能是确保混凝土抗渗性能的前提｡当坍落扩展度控制在660±20mm范围内时,混凝土具有良好的流动性和自密实性,有利于形成致密结构｡实验数据显示,T500流动时间4.5±0.5s时,混凝土粘聚性适中,无离析和泌水现象,此时抗渗压力可达1.0MPa｡过大或过小的流动性都会影响混凝土的密实度,导致抗渗性能下降｡U型箱实验中,填充高度差控制在15mm以内时,混凝土密实度最佳｡

5、结语

水泥基自密实混凝土配合比优化试验研究表明,材料组成及其配比对混凝土抗渗性能影响显著｡水胶比0.36时可获得最佳的工作性能和抗渗性能;粉煤灰和矿粉的复合掺加改善了混凝土的微观结构,优化了孔隙分布;减水剂用量的合理控制提高了混凝土的密实度｡研究成果为工程应用提供了技术支持,进一步研究环境因素对混凝土抗渗性能的影响具有重要意义｡

参考文献:

[1]严永春.机制砂自密实混凝土性能研究[J].居舍,2024(35):56-58.

[2]冯博.水工混凝土修复用环氧砂浆界面黏结性能影响[J].水利科技与经济,2024(10):126-130.

[3]王涛.高性能混凝土配合比设计研究[J].交通世界,2024(27):17-20.

[4]陈志弈,姜赫,王甫江.C50混凝土中矿物掺合料配比优化研究[J].公路,2024(9):296-300.

[5]胡志,徐清,帅飞翔,等.针对云南省地方材料配制C50自密实混凝土[J].建材发展导向,2015(16):56-60.

文章来源:孙立勇,代维娜.水泥基自密实混凝土的配比优化及抗渗透性能研究[J].居舍,2025,(10):56-58.