大摻量礦物摻合料對橋梁工程混凝土性能的影響分析

李 剛

(廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法局,廣西 南寧 530028)

0 引言

“碳達(dá)峰、碳中和”是全球重大戰(zhàn)略,在水泥工業(yè)領(lǐng)域可以減少二氧化碳的排放來應(yīng)對全球氣候的變暖,為我國在節(jié)能減排和固碳項(xiàng)目布局做出具體實(shí)施對策[1-2]。由于建筑物、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的加速建設(shè),我國在2020年水泥產(chǎn)量高達(dá)23.77×109t,而每生產(chǎn)1 t水泥原料過程中碳酸鹽分解造成的碳排放量約0.47～0.53 t CO2e(即二氧化碳當(dāng)量),每生產(chǎn)1 t水泥原料的電力消耗排放量約0.048～0.054 t CO2e[3]。據(jù)報(bào)道,2020年我國粉煤灰的總排放量高達(dá)9×109t。而粉煤灰作為礦物摻合料以等質(zhì)量取代水泥摻入到水泥基材料中,不僅可以提高混凝土的耐久性能,還可以控制由于粉煤灰過量堆放造成的占用農(nóng)田污染江河湖泊等問題[4-8]。

對于大摻量礦物摻合料混凝土在橋梁工程、大體積工程等的應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)的研究。吳革森等[9]對不同粉煤灰摻量的C50混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn),適量的礦物摻合料可以提高混凝土的耐久性能。羅小博等[10]研究發(fā)現(xiàn),粉煤灰摻量在15%～20%時(shí)活性效果最佳。此外,齡期在28～90 d時(shí),粉煤灰混凝土二次反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝材料更多,孔隙更加致密,使得混凝土各項(xiàng)性能得到改善。張文博等[11]研究發(fā)現(xiàn),在混凝土中摻入適量的粉煤灰可以通過降低水泥化熱減小溫度產(chǎn)生的應(yīng)力來提高混凝土的抗裂性能。

為此,本文針對不同摻量粉煤灰對不同強(qiáng)度混凝土各項(xiàng)性能的影響進(jìn)行研究,為粉煤灰在橋梁工程混凝土中的應(yīng)用提供試驗(yàn)理論支撐。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5),其主要性能如表1所示;河砂采用陜西武功砂廠生產(chǎn),細(xì)度模數(shù)為2.81,含泥量為1.3%;粗骨料采用陜西銅川生產(chǎn)的5～25 mm連續(xù)碎石,壓碎指標(biāo)為13.8%,針、片狀顆粒含量為8.1%,含泥量為0.8%;水采用普通自來水;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑,減水率為26.4%,坍落度1 h經(jīng)時(shí)變化量為40 mm;采用陜西彬縣華遠(yuǎn)新型陶粒外加劑有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,其主要物理性能如表2所示;水泥和粉煤灰主要化學(xué)組成如表3所示。

表1 水泥物理、力學(xué)性能表

表2 粉煤灰物理性能表(%)

表3 粉煤灰和水泥的化學(xué)組成表(%)

1.2 配合比

針對橋梁主塔墩和承臺采用C30、橋臺和墩臺采用C40、梁體采用C50三個不同強(qiáng)度大體積混凝土的施工,以不同粉煤灰摻量(0、10%、20%、30%、40%)等質(zhì)量取代水泥對C30、C40、C50混凝土力學(xué)性能、耐久性能進(jìn)行測試,混凝土坍落度控制在180±20 mm,具體配合比如表4所示,其中C30采用水膠比為0.42,C40采用水膠比為0.36,C50采用水膠比為0.30。

表4 不同強(qiáng)度混凝土配合比表(kg/m3)

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)[12],對表4所示強(qiáng)度等級為C30、C40、C50對應(yīng)不同摻量粉煤灰共計(jì)12組不同養(yǎng)護(hù)齡期的立方體混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)[13]中的接觸法、電通量法、碳化試驗(yàn)進(jìn)行干燥收縮、抗氯離子、碳化等性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

圖1～3所示為粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%時(shí)對應(yīng)C30、C40、C50不同強(qiáng)度混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d的力學(xué)性能。由圖可知,當(dāng)粉煤灰摻量從0增加到40%時(shí),混凝土力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖1 不同粉煤灰摻量C30混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖

圖2 不同粉煤灰摻量C40混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖

圖3 不同粉煤灰摻量C50混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖

對C30混凝土而言,當(dāng)粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%時(shí),混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的抗壓強(qiáng)度分別為42.3 MPa、39.4 MPa、38.6 MPa、37.7 MPa、33.8 MPa,分別降低了6.8%、8.7%、10.8%、20.1%。當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)混凝土力學(xué)性能衰減嚴(yán)重,其強(qiáng)度為33.8 MPa是無法滿足C30強(qiáng)度的要求,因此C30混凝土強(qiáng)度粉煤灰的摻量可以控制在30%以內(nèi)。此外,當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí),混凝土早期抗壓強(qiáng)度較小,會影響橋梁承臺的受力性能;粉煤灰摻量為20%時(shí),C30混凝土力學(xué)性能最佳。

對C40混凝土而言,當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí),其28 d抗壓強(qiáng)度與摻量0相比降低了3.17%;粉煤灰摻量為30%時(shí),混凝土28 d抗壓強(qiáng)度降低了11.3%。因此,粉煤灰摻量為20%時(shí),C40混凝土力學(xué)性能降低幅度較小。

針對C50混凝土,當(dāng)粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%時(shí),C50混凝土28d抗壓強(qiáng)度的抗壓強(qiáng)度分別為61.5 MPa、59.9 MPa、59.6 MPa、55.6 MPa、50.3 MPa。可以看出,當(dāng)粉煤灰摻量在30%時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)度等級為55.6 MPa,低于規(guī)范要求的C50強(qiáng)度的要求,因此,C50混凝土粉煤灰的摻量應(yīng)該控制在20%以內(nèi)。

由此可知,粉煤灰摻量越大,混凝土強(qiáng)度越低,C30、C40、C50混凝土中以粉煤灰摻量20%為最優(yōu)。后續(xù)在粉煤灰最佳摻量下進(jìn)行混凝土耐久性試驗(yàn)。

2.2 干縮性能分析

圖4所示為不同齡期下?lián)搅繛?0%時(shí)C30、C40、C50混凝土的干燥收縮率。由圖4可知,混凝土干燥收縮率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大,混凝土的干燥收縮主要集中在前90 d,90 d后混凝土的干燥收縮率趨于平穩(wěn)。C30、C40、C50混凝土180 d時(shí)的干燥收縮率分別為332×10-6、348×10-6、350×10-6,由此可知,不同強(qiáng)度之間混凝土干燥收縮率差別較小。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí),C30、C40、C50混凝土180 d時(shí)的干燥收縮率分別為261×10-6、279×10-6、295×10-6,分別降低了21.38%、19.8%、15.74%。由此可知,摻入20%的粉煤灰可以顯著減小混凝土的干燥收縮率。

圖4 混凝土干燥收縮變化曲線圖

2.3 抗氯離子性能分析

圖5所示為C30、C40、C50混凝土摻入20%粉煤灰和不摻粉煤灰28 d時(shí)的電通量測試值。由圖5可知,比較不同強(qiáng)度等級混凝土抗氯離子性能,C30、C40、C50試件的電通量值分別為2 642 C、2 027 C、1 507 C,C30-FA20%、C40-FA20%、C50-FA20%試件的電通量值分別為2 250 C、1 821 C、1 209 C,隨著混凝土強(qiáng)度等級從C30增加至C50,抗氯離子性能提升較為明顯。此外,摻入20%的粉煤灰,C30、C40、C50試件的電通量值分別減小了392 C、206 C、298 C,可知隨著粉煤灰摻量的增大,混凝土抗氯離子性能提升。

圖5 混凝土電通量測試圖

2.4 碳化性能試驗(yàn)

表5所示為不同齡期下混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系。由表可知,C30、C40、C50混凝土56 d時(shí)的碳化深度分別為11.4 mm、10.9 mm、8.1 mm。可以看出,隨著混凝土的力學(xué)性能由C30增加到C50,碳化深度減小了3.3 mm;C30-FA20%、C40-FA20%、C50-FA20%混凝土56 d的碳化深度為13.8 mm、12.7 mm、9.3 mm,較未摻時(shí)分別增加了2.4 mm、1.8 mm、1.2 mm。主要原因是粉煤灰取代水泥后,由于水泥用量的減少,導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少,混凝土整體結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度降低,整體孔結(jié)構(gòu)增大。C30養(yǎng)護(hù)56 d時(shí)的碳化深度比養(yǎng)護(hù)3 d的碳化深度增加了9.5 mm,C50-FA20%養(yǎng)護(hù)56 d時(shí)的碳化深度比養(yǎng)護(hù)3 d的碳化深度增加了7.3 mm。

表5 混凝土碳化深度與碳化時(shí)間關(guān)系表

3 結(jié)語

(1)粉煤灰的摻入會降低混凝土的強(qiáng)度,將摻量控制在20%之內(nèi),能滿足對應(yīng)的C30、C40、C50混凝土強(qiáng)度要求。

(2)粉煤灰可以減小混凝土干燥收縮,而隨著混凝土強(qiáng)度的增加干燥收縮增大幅度較小。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí),C30、C40、C50混凝土180 d時(shí)的干燥收縮率分別降低了21.38%、19.8%、15.74%。

(3)隨著粉煤灰的摻量的增大,混凝土電通量測試值減小,混凝土抗氯離子性能提升。隨著混凝土強(qiáng)度的增加碳化深度減小,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加混凝土碳化深度明顯增加,隨著粉煤灰摻量的增加混凝土碳化深度增大。

(4)粉煤灰的摻入可以減小水泥的用量,且對橋梁工程的耐久性能具有提升作用。