超細礦粉對噴射混凝土力學性能的影響研究

朱 成 陳健斌 趙 丹

(1.中交四航局第二工程有限公司,廣東 廣州 510310;2.浙江工商職業技術學院建筑與藝術學院,浙江 寧波 315000)

高摻量粉煤灰混凝土(High Fly Ash Content Concrete,HFAC)是指采用水泥取代率高于30%的粉煤灰配制的混凝土材料[1-3]。HFAC 混凝土在力學性能和耐久性方面,較普通的混凝土構件雖然并無明顯差異,但是屬于一種更符合環境保護與可持續發展要求的建筑材料[4-6]。近年來,HFAC 混凝土在建筑工程中得到廣泛應用,但在道路工程中應用較少[7-8]。究其原因,主要是因為采用普通的HFAC 混凝土鋪設公路的路面,存在易開裂、耐磨性較差、早期強度低等不足[9-10]。

近年來,很多學者采用納米微粉材料對HFAC 混凝土進行改性,并取得了良好的效果[11-15]。潘麗君等[16]研究表明:經過納米顆粒改性的HFAC 混凝土在節約水泥用量的同時,還可以使混凝土內部結構變得更為緊密,縮短混凝土的終凝時間。畢瑞梟等[17]通過微觀圖像分析發現,納米礦粉的加入使C—S—H 絮狀物與Ca(OH)2晶體充分膠結,使混凝土的微觀結構變得更緊密,從而起到改善力學性能的目的。張芳等[18]研究表明:適量納米礦粉的摻入,可以提升混凝土材料的力學性能和耐久性。葉青等[19]研究發現:將納米礦粉添加至混凝土中可以很好地以顆粒形式均勻分布于水泥水化物之間的孔隙;徐慶磊[20]研究發現:納米礦粉的摻入可以改善混凝土材料的工作機理,增強其耐久性能,可在道路工程中加以推廣。

上述研究表明,現階段對于HFAC 混凝土的分析和應用比較深入,但對于經過納米礦粉改性的HFAC混凝土其表面磨損程度的演變規律和相關變化機理尚未明確。本研究分別從力學性能、抗磨損性、抗凍融耐久性和微觀結構等方面討論經過納米改性后的HFAC 混凝土工作性能變化規律,在此基礎上,對納米礦粉所引起HFAC 混凝土工作性能改變的內在機理進行研究。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

本研究用于配置混凝土的水泥為復合硅酸鹽水泥,標號P.C 42.5,比表面積為352.5 m2/kg。采用燃煤發電廠生產的二級粉煤灰,粉煤灰的燒失量為2.05%(＜ 5%),符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)要求。粉煤灰與水泥顆粒的粒徑分布曲線如圖1 所示。

圖1 顆粒粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curves of particle size

用于混凝土改性的納米微礦粉由江蘇輝邁粉體科技有限公司提供,納米礦粉的主要化學成分為CaCO3顆粒,其粒度小于1 μm,平均粒徑為0.25 μm。納米CaCO3的材料特征參數取值見表1。由表1 可知:該型材料的比表面積較大,表面羥基含量高,具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應等特殊性質,納米CaCO3顆粒的形狀為球體,不團聚、分散性好、流動性好,作為外摻料,有助于提升水泥基材料制品的強度、耐磨性和耐久性[21]。

表1 納米礦粉基本參數Table 1 Basic parameters of nano mineral powder

制備混凝土的細骨料選用天然河砂,最大顆粒等效直徑為5.12 mm,細度模數為2.8;粗骨料選用經過篩分后的碎石,最大顆粒等效直徑為23.1 mm。采用實驗室的自來水進行拌和,拌和前在自來水中添加含量為1%的聚羧酸型減水劑。

1.2 材料配合比設計

本研究混凝土采用正交試驗法進行配比設計,其中粉煤灰的取代率(質量分數)為25%、30%、35%、40%,納米礦粉的摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%,減水劑按水泥、粉煤灰和礦粉總質量的1%摻加。同時設置1 組空白對照組,共設計了13 組混凝土的配合比見表2。

表2 混凝土摻和比Table 2 Mix proportion of concrete

2 試驗結果

2.1 強度測試結果

本研究采用MST-023 型伺服式萬能強度試驗機進行強度試驗,按照尺寸為150 mm×40 mm×40 mm的棱柱體制備試件。參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999),通過試驗機對經過標準養護28 d 的混凝土試樣施加彎曲荷載,測試其抗折強度;然后將折斷的兩段試樣分別進行抗壓強度檢測試驗。對于混凝土路面的工作性能而言,主要關注混凝土試件的抗折強度,兼以參考試件的抗壓強度。不同配合比的混凝土抗折、抗壓強度測試結果見表3。混凝土試件的抗折強度、抗壓強度變化曲線如圖2 所示。

表3 混凝土試件抗壓和抗折強度指標Table 3 Compressive and flexural strength index of concrete specimen

圖2 混凝土試件抗壓抗折強度性能變化曲線Fig.2 Variation curves of compressive and flexural strength of concrete specimens

由圖2 可知:混凝土的抗折強度、抗壓強度隨著粉煤灰取代率增加呈先增后降趨勢。在一定的粉煤灰取代率下,混凝土的抗折強度和抗壓強度均隨著納米礦粉摻量增加呈上升趨勢,并且強度值在納米礦粉摻量為0.5%時增長幅度最大,超過了17%。抗折強度、抗壓強度在粉煤灰取代率為25%、礦粉摻量為0.5%時達到峰值。當HFAC 混凝土的粉煤灰取代率為25%～35%時,抗折強度、抗壓強度均高于基準試件;而當摻入取代率為40%粉煤灰時,抗折強度、抗壓強度小于基準試件,說明一定摻量的耐磨礦粉可以有效提高HFAC 混凝土的力學性能,有利于提升混凝土路面早期強度。

2.2 表面耐磨性

使用混凝土旋轉磨耗試驗機對養護28 d 的試件進行磨損試驗檢測,先稱取混凝土試件原始質量;隨后將儀器的磨面與混凝土試件表面平行緊貼,通過夾具進行固定;再啟動儀器使刀片在0.25 kN 力的作用下以2 r/s 的轉速對試件進行磨損,整個磨損過程持續5 min;最后將磨損的粉塵稱重。磨損率h計算公式為

式中,x1、x2分別為混凝土的初始質量和磨損試驗后質量,g。

混凝土表面磨損率試驗結果如圖3 所示。由圖3 可知:與基準混凝土試樣相比,混凝土磨損率隨著粉煤灰摻入先小幅降低后快速上升,經過納米礦粉改性后,混凝土的表面耐磨性能顯著上升。當納米礦粉的摻量超過0.5%時,HAFC 混凝土的耐磨性明顯優于基準混凝土;隨著摻量繼續增加,混凝土的耐磨性能增加幅度越來越小,逐漸趨于穩定。這主要是由于摻入納米礦粉后增加了材料密實度,進而提升了材料的耐磨性能。

圖3 混凝土表面磨損率變化曲線Fig.3 Variation curves of concrete surface wear rate

2.3 抗凍融耐久性

本研究采用質量變化率評價混凝土的受凍融循環影響的結構完整性,質量變化率越大,混凝土抗凍融耐久性越差。對粉煤灰取代率為25%的混凝土進行了120 次凍融循環檢測質量變化率,測試結果如圖4 所示。由圖4 可知:基準混凝土在120 次凍融循環后的質量損失率約為0.5%,即普通混凝土的結構完整性受到凍融循環破壞的影響較為明顯。摻入礦粉后,HAFC 混凝土試件的質量損失率明顯低于基準試件,經過120 次循環后,礦粉摻量為1.5%的混凝土質量變化率較基準混凝土下降了28%,表明納米礦粉可以有效提高HAFC 混凝土的抗凍融耐久性。究其原因,主要是因為在混凝土摻入納米礦粉后,形成了C—S—H 凝膠體,對混凝土骨料之間的裂隙起到填充作用,從而大幅減輕了由于凍融循環中的膨脹—收縮過程造成的損傷,有效改善了HAFC 混凝土的抗凍融耐久性[21-22]。

圖4 不同凍融次數下的質量變化率變化曲線Fig.4 Variation curves of mass change rate under different freeze-thaw times

2.4 收縮性能

在混凝土棱柱體試件養護28 d 成形后,對其干縮率y進行了測試。干縮率y計算公式為

式中,d0為混凝土試件澆筑成型后的初始長度,m;d為試件養護后的長度,m。

本研究分析了粉煤灰取代率為25%、30%、35%、40%;外摻0.5%、1.0%、1.5%納米礦粉的混凝土干縮率。混凝土試件的干縮變化分別在0、7、14、21、28 d 齡期測定,試驗結果如圖5 所示。由圖5 可知:在粉煤灰取代率相同的情況下,隨著納米礦粉含量增大,混凝土干縮率明顯下降,且下降幅度在礦粉含量在0～0.5%時最顯著。當礦粉摻量為1.0%和1.5%時,改性混凝土的干縮率較為接近,說明納米礦粉對于效果粉煤灰混凝土的收縮穩定性具有一定的效果。

圖5 混凝土干縮率隨養護時間變化曲線Fig.5 Variation curves of concrete shrinkage with curing time

為分析深入分析HAFC 混凝土的納米礦粉改性機理,分別對基準試件、粉煤灰取代率為25%的混凝土和外摻0.5%納米礦粉的HAFC 混凝土(粉煤灰取代率為25%)材料進行了1 000 倍放大的掃描電鏡(SEM)試驗,結果如圖6 所示。圖6(a)所示的基準試件材料中團粒孔隙結構發育,使得混凝土試件的強度和抵抗變形特性不易發揮;摻入取代率為25%的粉煤灰后,混凝土材料內部可見球形粉煤灰顆粒離散地分布在骨料裂隙中,混凝土內部多孔結構不僅沒有得到明顯改善,水泥砂漿的密實度反而有所下降。經過納米礦粉改性的HAFC 混凝土微觀結構如圖6(c)所示,可以看出規則的粉煤灰顆粒緊密地黏結在一起,形成了黏結強度,孔隙結構得到有效改善,使得材料整體密實度大大增加。究其原因,主要是納米礦粉是一種活性外摻料,在堿性激發劑作用下發生火山灰反應而生成少量C—S—H 凝膠體,填充在骨料的裂隙中,提升了水泥砂漿硬化體的密實程度。因此,在混凝土基本物料中摻入納米礦粉具有提升強度的作用。但當納米顆粒的含量過高時,水泥熟料發生水化反應而生成的Ca(OH)2總量下降,減少了C—S—H凝膠體生成比例。有些礦粉顆粒沒有發生火山灰反應,無法生成足夠的凝膠而填充裂隙。因此,當納米礦粉含量超過一定范圍時,混凝土強度不會隨著摻量增加而繼續提升,逐漸達到穩定狀態。因此,綜合考量各方面的因素,粉煤灰取代率為25%、納米礦粉摻量為0.5%的改性混凝土性能最佳。

圖6 不同混凝土試件的微觀結構SEM 圖Fig.6 SEM images of microstructures of different concrete specimens

3 結 論

(1)混凝土的抗折強度、抗壓強度隨粉煤灰取代率增加呈先增后降趨勢,當HFAC 混凝土的粉煤灰取代率為25%～35%時,抗折強度、抗壓強度均高于基準試件,抗折強度、抗壓強度在粉煤灰取代率25%、礦粉摻量0.5%時達到峰值。

(2)混凝土試件的磨損率隨著粉煤灰摻入先減后增,經過納米礦粉改性后,混凝土的表面耐磨性能顯著上升,變化幅度在礦粉摻量為0.5%時最明顯,當礦粉摻量進一步增加時,混凝土的耐磨性能增加幅度越來越小,逐漸趨于穩定。

(3)礦粉摻量為1.5%的混凝土試件經過120 次凍融循環后,質量變化率較基準混凝土試件下降了28%,表明納米礦粉可以有效提高HAFC 混凝土的抗凍融耐久性。

(4)在粉煤灰取代率相同的情況下,增加納米礦粉的含量,混凝土干縮率將明顯下降,且下降幅度在礦粉含量為0～0.5%時最顯著。

(5)經過納米礦粉改性的HAFC 混凝土,發生了火山灰反應生成少量C—S—H 凝膠體,將原本離散的粉煤灰顆粒緊密有序地黏結,增加了材料密實度,提升了黏結強度,改善了孔隙結構和各方面的性能。