機制砂對超高性能水工混凝土性能影響試驗分析

單國偉

(遼寧省阜新市彰武縣應急管理事務服務中心,遼寧 彰武 123200)

超高性能水工混凝土主要是通過增強其各組分材料的水化活性及比表面積最大程度地減少體系內部的孔隙、微裂縫等缺陷,從而達到高耐久性和超高強的目的,施工建設的水利工程服役年限可以達到一百年以上,其優越的耐久性能越來越引起水工領域廣大學者的青睞[1-3]。在短短幾年里超高性能水工混凝土已被廣泛應用諸多工程,其應用前景非常廣闊。

隨著國民環保意識的增強及水利事業的快速發展,天然砂已無法滿足水利工程建設需求,使用機制砂配制超高性能水工混凝土必然成為未來的發展趨勢[4-8]。機制砂與天然砂相比具有棱角尖銳、表面粗糙、石粉含量高和堆積空隙率大等特點,其0.35～0.63mm的顆粒含量少,實際使用時拌合物和易性較差,易出現離析泌水。機制砂的生產工藝主要包括機械破碎、篩分、巖石除土開采等,現階段一般選用干粉生產法,由于分選工藝、破碎方式和巖石種類不同,機制砂質量及其石粉含量往往存在較大差異,對水工混凝土所帶來的影響不可忽視[9]。鑒于此,本試驗通過改變機制砂的摻量,探討了對超高性能水工混凝土流動性及強度的影響。

1 試驗方法

1.1 原材料

水泥:“華新牌”P·Ⅱ52.5級水泥,比表面積365m2/kg,標稠用水量25.1%,安定性(雷氏法)合格,3d抗折與抗壓強度6.6MPa、34.2MPa,28d抗折與抗壓強度9.8MPa、60.5MPa。

硅灰:山東博肯硅材料有限公司生產的S95級硅粉,比表面積20000m2/kg,SiO2含量98.1%,需水量比106%,28d活性指數125%。

粉煤灰:大連華源粉煤灰有限公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰,需水量比103%,細度18.2%,28d活性指數75%。

外加劑:市場上購買的XK-540P型聚羧酸高效減水劑,固含量22.5%,減水率30%,通過調整坍落度確定最佳減水劑摻量。

砂:細度模數2.1的河砂和3.6的機制砂,河砂含泥量0.25%,機制砂石粉含量8.0%。

粗骨料:大連建材廠生產的花崗巖碎石,粒徑級配0～20mm,壓碎指標7%,表觀密度2710kg/m3。

纖維:徐水正達鋼纖維廠生產的端鉤型鋼纖維,長度20mm,直徑350μm,彈性模量220GPa,斷裂強度1250MPa。

1.2 方案設計

由于超高性能水工混凝土對耐久性和強度要求較高,故設計水膠比0.24。為保證拌合物流動性,減少水泥用量以及增強混凝土任性,確定減水劑摻量2.0%,粉煤灰與硅灰摻量10%,鋼纖維摻量1%,試驗配合比如表1所示。

表1 超高性能水工混凝土配合比

1.3 試驗方法

根據試驗配合比預先精準稱量所需原材料,將20%的水、機制砂與河砂倒入攪拌機內攪拌120～180s,拌合均勻后再倒入粉煤灰、硅灰和水泥攪拌300～360s,拌合均勻后加入碎石再攪拌120～180s,然后倒入鋼纖維攪拌120～180s至均勻分散,最后倒入減水劑和剩余80%的水拌和300s～360s。完成以上操作后倒出混合物,并立即測定流動度,經澆膜、插搗、振動和抹刀刮平等一系列處理后,對各組試件編號,為減少水分蒸散發表面覆蓋塑料薄膜,室內灑水養護24h后拆模,將混凝土試件送到標養室養護至規定齡期,并按規程測定不同齡期的強度。

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、《水工混凝土試驗規程》中推薦的方法測試拌合物流動度,以及邊長100mm立方體試件抗壓及400mm×100mm×100mm棱柱體試件抗折強度,控制抗壓加載速率1.2～1.4MPa/s,抗折加載速率0.08～1.4MPa/s,每組試件3個以保證數據精度,準確記錄破壞時試件的最大荷載,按規范要求計算抗折與抗壓強度。

2 結果與分析

2.1 拌和物流動度

摻機制砂超高性能水工混凝土擴展度與坍落度測試結果如圖1所示。結果表明,水膠比為0.24時,新拌混凝土擴展度與坍落度均隨機制砂摻量的增加表現出先增大后維持穩定的變化趨勢,摻0%～40%機制砂時拌合物流動度逐漸提高,摻40%～60%機制砂時拌合物流動度基本不變。摻0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%機制砂時拌合物坍落度依次為240mm、255mm、260mm、265mm、270mm、270mm、270mm,相較于P0基準組坍落度增幅依次為6.25%、8.33%、10.41%、12.50%、12.50%、12.50%;摻0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%機制砂時拌合物擴展度依次為400mm、410mm、430mm、510mm、605mm、605mm、605mm,相較于P0基準組擴展度增幅依次為2.50%、7.50%、26.25%、51.25%、51.25%、51.25%。

(a)坍落度

雖然機制砂相比于河砂具有形狀不規則、表面粗糙、級配較差等特點,但機制砂的摻入在一定程度上改善了拌合物的流動性能。這是由于超高性能水工混凝土的水膠比較低,用水量較少無法維持水泥的完全水化,部分水泥發揮著微集料效應,而水泥細度與機制砂內的石粉相近,石粉能夠替代未水化水泥的微集料效應,并且石粉相較于水泥的需水量明顯較低,所以機制砂的摻入有利于增加拌合物流動度[10]。

2.2 力學性能

對水膠比0.24時,對標養3d、7d、28d的超高性能水工混凝土進行抗折與抗壓強度的測試,如表2、表3和圖2所示。

(a)抗壓強度

表2 超高性能水工混凝土抗壓強度

表3 超高性能水工混凝土抗折強度

結果表明,各齡期超高性能水工混凝土抗折與抗壓強度隨著機制砂摻量的增加整體表現出先增大后減小的變化趨勢。通過分析表2、3可知,標養3d、7d、28d時P1組試件的抗壓強度依次增加17.73%、15.43%和13.33%,抗折強度依次增加49.37%、17.20%和10.20%。因此,摻入機制砂后超高性能水工混凝土的抗折、抗壓強度均有所提升,但隨著養護齡期的延長其增幅逐漸下降。這是由于摻入的機制砂含有大量石粉,細度較小的石粉可以填充水泥顆粒間的孔隙,通過微集料填充效應優化粉體級配,從而提高整體密實度。有學者認為在攪拌過程中摻入的適量石粉有利于充分分散粉體顆粒,通過填充漿體空時提高混凝土的密實度和強度;另外,石粉的晶核效應可以與C4AF、C3A生成等成分水化碳酸鈣,可以與其它產物搭接實現結構密實度和強度的提升。試驗后期,水泥漿與骨料顆粒之間的穩定性較好,整體已經黏結牢固,所以強度增幅減小;另外,由于水膠比較小,后期未水化的水泥也沒有足夠的水繼續水化,故強度增幅也會有所降低[11]。

經對比分析,摻0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%機制砂時超高性能水工混凝土28d抗壓強度依次增大13.33%、8.41%、7.18%、7.07%、5.05%、4.21%,抗折強度依次增大10.60%、10.40%、6.31%、1.07%、0.74%、0.40%。因此,機制砂的摻入在一定程度上提高了超高性能水工混凝土28d強度,但隨著摻量的增加其增幅逐漸減小。這是由于機制砂摻量越高所加入的石粉就越多,石粉過多時會增加混凝土的最可幾何孔徑,對密實堆積結構產生一定的破壞作用,使得強度增幅有所減小;另外,在混凝土體系中過多的石粉為游離狀態,留存于水泥與骨料界面過渡區的石粉顆粒對水泥漿和骨料的黏結會產生阻礙作用,這也會使得強度增幅出現減小[12-14]。

3 結 論

1)將機制砂摻入超高性能水工混凝土中可以提高拌合物流動性,摻40%～60%機制砂時拌合物擴展度與坍落度達到最高,其抗折與抗壓強度均高于未摻機制砂混凝土。這是因為水膠比較低時,用水量較少無法維持水泥的完全水化,部分水泥發揮著微集料效應,而水泥細度與機制砂內的石粉相近,石粉能夠替代未水化水泥的微集料效應,并且石粉相較于水泥的需水量明顯較低,所以機制砂的摻入有利于增加拌合物流動度。

2)將機制砂摻入超高性能水工混凝土中可以提高其抗折、抗壓強度,摻10%～20%機制砂時其抗折與抗壓強度最高,與基準對照組相比強度明顯提升,并且早齡期抗折高于抗壓強度增幅。這是因為摻入的機制砂含有大量石粉,細度較小的石粉可以填充水泥顆粒間的孔隙,通過微集料填充效應優化粉體級配,從而提高整體密實度和強度。另外,試驗后期水泥漿與骨料顆粒之間的穩定性較好,整體已經黏結牢固,所以后期強度增幅降低。