摻偏高嶺土RPC力學(xué)及干縮性能試驗(yàn)研究

閆廣

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

為了減少RPC中水泥的用量，通常在RPC中摻入不同種類(lèi)的礦物摻合料取代部分水泥，可以一定程度上提高RPC的強(qiáng)度，優(yōu)化其工作性能。硅灰作為RPC最常用的礦物摻合料，在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。然而硅灰的成本高、產(chǎn)量低，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工程需求。因此，尋找一種可替代硅灰或更優(yōu)的礦物摻合料成為形勢(shì)所需。

偏高嶺土（Metakaolin，簡(jiǎn)稱(chēng)MK）的化學(xué)組分與硅灰相似，具備量大、成本低和便于運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，且現(xiàn)有研究成果表明，在混凝土中摻入適量的MK可以顯著提升混凝土的強(qiáng)度，并能一定程度上改善混凝土的收縮。陳益蘭等[1]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出偏高嶺土所制備的高性能混凝土和硅灰所制備的有同等的力學(xué)性能。鄭居煥等[2]采用偏高嶺土作為活性摻合料制備了RPC，并研究了偏高嶺土對(duì)RPC抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土能夠顯著提高RPC的抗壓強(qiáng)度。

目前，研究者雖然已經(jīng)對(duì)偏高嶺土開(kāi)展了大量研究，但研究大多著重于偏高嶺土對(duì)水泥膠砂及普通混凝土的影響，有關(guān)偏高嶺土在RPC中的應(yīng)用還相對(duì)較少，對(duì)偏高嶺土在活性粉末混凝土中的最優(yōu)摻量沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范。本文采用偏高嶺土/硅灰5個(gè)不同復(fù)配比例制備RPC，對(duì)比研究?jī)烧邔?duì)RPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及干縮性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

本試驗(yàn)采用的水泥為42.5級(jí)硅酸鹽水泥，來(lái)自湖南長(zhǎng)沙坪塘水泥廠。粉煤灰采用Ι級(jí)粉煤灰。硅灰和偏高嶺土均為1250目的高活性摻合料；細(xì)骨料為“長(zhǎng)沙大型河砂基地”生產(chǎn)的中砂；減水劑選用聚羧酸固體減水劑。拌合水來(lái)自長(zhǎng)沙市普通自來(lái)水。水泥、粉煤灰、硅灰和偏高嶺土材料的主要化學(xué)成分如表1所示。鋼纖維的參數(shù)如表2所示。

表1 水泥、粉煤灰、硅灰以及偏高嶺土的主要化學(xué)成分 單位：（wt·%）

表2 鋼纖維的基本參數(shù)

為了研究偏高嶺土與硅灰在不同摻量下對(duì)RPC力學(xué)及干縮性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的配合比，考慮到鋼纖維摻量超過(guò)2%時(shí)易在攪拌過(guò)程中結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致拌合物難以成型，將鋼纖維體積摻量固定為2%。參考課題組前期試驗(yàn)成果，設(shè)定水膠比0.18，砂膠比1.15，MK和SF總量為10%，具體配合比見(jiàn)表3。

表3 RPC配合比

1.2 試件制備

按照配合比稱(chēng)取水泥、粉煤灰、偏高嶺土、硅灰以及河砂倒入攪拌機(jī)中，先干拌2min。將2/3的水加入攪拌機(jī)中攪拌3min，隨后把固體減水劑與剩余1/3的水混合均勻后倒入攪拌機(jī)中并緩慢加入鋼纖維，攪拌10min后成型。接著把成型后的漿體裝入試模中，一邊裝入一邊插搗，盡量使?jié){體充分加入模具中。隨后，帶有漿體的模具在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2min。待完成后，放置在室溫下養(yǎng)護(hù)24h后拆模，并將試件表明未干的水分擦干。隨后將試塊放入蒸養(yǎng)箱中蒸汽養(yǎng)護(hù)1d，溫度設(shè)為（110±5）℃。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗壓和抗折試驗(yàn)均采用采用TYE-2000E型壓力試驗(yàn)機(jī)，RPC試件規(guī)格為邊長(zhǎng)均為100mm的立方體和高為400mm的棱柱體，加載速率分別設(shè)置為1.2MPa/s和0.08MPa/s。抗拉試件采用不帶缺口狗骨狀單軸拉伸試件，具體尺寸及試驗(yàn)裝置如圖1所示，加載方式設(shè)置為位移控制，速率為1.0mm/min。干縮試件使用堿骨料比長(zhǎng)儀和千分表測(cè)定RPC的長(zhǎng)度變化。

圖1 “狗骨”狀拉伸試件尺寸及試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗壓強(qiáng)度如圖2所示，RPC的7d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了95MPa以上，在早期就表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能，這主要得益于熱養(yǎng)護(hù)能充分激發(fā)偏高嶺土與硅灰的火山灰活性。純硅灰試組7d抗壓強(qiáng)度甚至高于120MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到135.4MPa，均為所有試組中的最高。在有偏高嶺土摻入的試組中，隨著偏高嶺土對(duì)硅灰的取代率逐漸增高，RPC抗 壓 強(qiáng) 度 先 增 大 后 減 小，A2、A3、A4試 組 的RPC28d強(qiáng)度分別為122.3MPa、132.5MPa、124.3MPa。當(dāng)硅灰與偏高嶺土復(fù)摻比例為1:1時(shí)RPC7d和28d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，與純硅灰試組相差甚微，而純偏高嶺土RPC28d抗壓強(qiáng)度僅有109.1MPa。

圖2 不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗壓強(qiáng)度

2.2 抗折試驗(yàn)結(jié)果

不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗折強(qiáng)度如圖3所示。與抗壓強(qiáng)度規(guī)律相似，在有偏高嶺土的試組中RPC抗折強(qiáng)度先增加后減小，A2、A3、A4、A5試組的RPC28d抗 折 強(qiáng) 度 分 別20.6MPa、30.9MPa、27.7MPa、23.2MPa。偏高嶺土與硅灰復(fù)摻比例為1:1時(shí)7d和28d抗折強(qiáng)度為復(fù)摻試組中最高值，強(qiáng)度接近純硅灰試組。當(dāng)偏高嶺土對(duì)硅灰的取代率超過(guò)50%，其抗折強(qiáng)度有一定程度的下降。試驗(yàn)中A4、A5試組的RPC在裝模時(shí)均表現(xiàn)出流動(dòng)性變差，振動(dòng)時(shí)相比其他試組溢出的氣泡較少。這可能是因?yàn)槠邘X土具有其特殊的片狀結(jié)構(gòu)，與水接觸時(shí)會(huì)呈現(xiàn)一定的層疊和團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒間會(huì)包裹一部分自由水[3]。當(dāng)其達(dá)到一定的摻量時(shí)，導(dǎo)致RPC工作性下降，從而影響RPC成型時(shí)的密實(shí)度。

圖3 不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗折強(qiáng)度

2.3 抗拉試驗(yàn)結(jié)果

不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗拉強(qiáng)度如圖4所示。從圖4可知，RPC28d抗拉強(qiáng)度在均達(dá)到了10MPa以上，表現(xiàn)出極其優(yōu)異的抗拉性能。這是由于本試驗(yàn)所有試組中均加入了2%的鍍銅鋼纖維，其存在會(huì)約束RPC內(nèi)部的裂縫的擴(kuò)展，達(dá)到阻裂、增強(qiáng)的作用。此外，偏高嶺土、硅灰和粉煤灰均可有效發(fā)揮其活性，生成更加致密的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度?；鞊皆嚱M中，偏高嶺土摻量與硅灰為3:1時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，7d和28d強(qiáng)度分別達(dá)到了8.3MPa和12.5MPa，28d強(qiáng)度略高于純硅灰試組。由于不同RPC試件制作時(shí)尺寸有一定的誤差，試件安裝時(shí)夾具和試件之前存在縫隙，受力面易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致部分RPC試件在受拉過(guò)程中斷裂處未穩(wěn)定在有效測(cè)距段，從而產(chǎn)生較大的誤差。

圖4 不同SF和MK復(fù)摻比例的RPC抗拉強(qiáng)度

2.4 干縮性能試驗(yàn)結(jié)果

各個(gè)齡期的RPC干縮率變化如圖5所示。在28d齡期前，RPC的干燥收縮值隨著齡期的增長(zhǎng)逐漸增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩，干縮發(fā)展主要集中在前期。而在28d齡期后，部分試組RPC存在長(zhǎng)度輕微回脹現(xiàn)象，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)摻入了高彈性模量的鍍銅鋼纖維，在混凝土材料收縮過(guò)程中鋼纖維內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，混凝土材料發(fā)展到后期趨于穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)力釋放導(dǎo)致出現(xiàn)回脹現(xiàn)象[4]。隨著偏高嶺土對(duì)硅灰的取代率增加，RPC干縮率逐漸減小，當(dāng)偏高嶺土占比在50%及以上時(shí)對(duì)RPC的收縮抑制較為明顯，偏高嶺土取代率為50%、75%和100%時(shí)90d干縮率分別為6.67×10-4、6.04×10-4、5.62×10-4，相比純硅灰試組分別降低了19.7%、27.3%、32.4%。說(shuō)明與硅灰相比，偏高嶺土更能有效抑制RPC的干燥收縮?？赡苁且?yàn)槠邘X土能更有效地優(yōu)化RPC的孔隙結(jié)構(gòu)[5]，而且偏高嶺土中大量的Al2O3與水化產(chǎn)物反應(yīng)促進(jìn)了鈣礬石的產(chǎn)生，對(duì)混凝土收縮有一定抑制作用。

圖5 各個(gè)齡期的RPC干縮率

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在有偏高嶺土摻入的試組中，偏高嶺土與硅灰摻量比例為1:1時(shí)RPC的7d、28d抗壓和抗折性能達(dá)到最佳，其中28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別高達(dá)到135.4MPa和30.9MPa；偏高嶺土與硅灰摻量比例為3:1時(shí)RPC抗拉強(qiáng)度最佳，7d、28d抗拉強(qiáng)度分別高達(dá)8.3MPa和12.5MPa。

（2）偏高嶺土能有效降低RPC的干縮率，隨著偏高嶺土對(duì)硅灰的取代率增加，RPC干縮率呈下降趨勢(shì)，完全取代時(shí)RPC干縮率僅為5.6×10-4，相比純硅灰試組降低了32.4%。