超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能的影響分析

駱俊暉,黃 河,郝天之,劉豪斌,明 陽

(1.廣西北投交通養護科技集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.長沙市建設工程質量安全監督站,湖南 長沙 410016;3.桂林理工大學,廣西 桂林 541004;4.廣西建筑新能源與節能重點試驗室,廣西 桂林 541004)

0 引言

我國幅員遼闊,氣候復雜多樣,如青藏高原地區較大的晝夜溫差,使得大量的混凝土工程需要在一定的負溫條件下使用,甚至某些混凝土工程需要在負溫下進行施工[1]。混凝土是一種典型的多孔非均勻材料,受凍時拌和水結冰后體積膨脹約9%,通常情況硬化初期強度較低,冰凍膨脹會產生膨脹應力使混凝土內部出現損傷,從而降低混凝土強度和抗滲等性能[2-3]。

隨著我國全面小康社會的建成,目前全國已經基本實現“村村通公路”的總體目標,道路養護維修面臨重大挑戰和機遇,道路養護維修的主要的特點是安全、高效、綠色、可持續。相關研究表明,硅灰和粉煤灰復合摻入混凝土,通過密實填充,可以改善漿體的孔結構,進而增強混凝土的抗凍性能[4]。目前各國學者逐漸認識到低溫條件下混凝土幼齡期性能對后期性能的影響至關重要,并對混凝土幼齡抗凍性能進行了一系列研究[5-7]。為保證混凝土早期受凍后強度不受損失,混凝土在凍前的強度必須超過抗凍臨界強度。鑒于此,本文主要針對青藏高原晝夜較大溫差的氣候環境,采用一次凍結法,研究自制三元固廢超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能的影響,并對其幼齡抗凍機理進行分析,為高原地區道路養護快速施工方案提供參考和試驗依據,具有重要的實際意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:廣西云燕特種水泥建材有限公司生產的快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC 425,以下簡稱R·SAC),主要性能指標見表1。

表1 R·SAC的基本物理力學性能表

超細礦物摻合料(Ultrafine mineral admixture,UMA):由鋼渣、礦渣、粉煤灰經過粉磨后按3∶5∶2混合而成,粒徑分布為2～10μm,平均粒徑為3.64μm,28 d活性指數為103%,流動度比為100%[8]。主要化學成分見表2。

促凝劑:碳酸鋰,羅恩牌,AR,99.5%,分析純試劑。

細集料:廣西桂林某混凝土廠生產石灰巖機制砂,密度為2 693 kg/m3,細度模數為3.32,石粉含量為11.2%,MB值為0.75。

減水劑:聚羧酸高效減水劑,固含量為30%,減水率>40%。

水:日常飲用水。

表2 超礦物摻合料主要化學組成表

1.2 方法與配合比

在普通混凝土中,混凝土破壞的本質是裂縫的生成與發展,內部損傷始于裂縫尖端附近的奇異應力場,混凝土的破壞與裂縫密切相關。一般認為普通混凝土存在三級裂縫,即凈漿裂縫、凈漿與細集料之間的界面裂縫、砂漿與粗集料之間的界面裂縫,三級裂縫量級遞增。因此,為了獲得相對較高的力學性能,考慮到經濟效應,本試驗采用剔除出骨料的方法將裂縫控制在第二級。早強型細集料混凝土配合比如表3所示。

根據研究目的,本試驗采用兩種養護制度。養護制度一:一次凍結。試件成型后,在室溫20 ℃條件預養6 h,立即轉入負溫恒-18 ℃條件下凍養3 d,然后移入標準養護室養護至-3 d+4 d、-3 d+11 d、-3 d+25 d。養護制度二:正常養護。試件成型后,在室溫20 ℃條件預養6 h,然后移入標準養護室養護至7 d、14 d、28 d。

試件制備工藝:(1)將水泥、超細礦物摻合料、機制砂、碳酸鋰在膠砂攪拌鍋內低速干拌2 min;(2)加入水和減水劑混合液體繼續低速攪拌30 s,停拌10 s,高速攪拌30 s;(3)注模成型,塑料薄膜覆蓋試件,在試驗室20 ℃下放置養護6 h后拆模,根據養護制度養護至規定齡期進行強度測試。

力學性能測試參照《水機膠砂強度試驗方法(ISO法)》(JTG 3420-2020 T—2005)進行,試件成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,標準養護室:溫度為20±2 ℃,濕度>95%。

表3 早強型細集料混凝土配合比表

2 結果與討論

2.1 養護制度對早強型細集料混凝土力學性能的影響

測試既定配合比早強型細集料混凝土在不同養護制度下,不同超細礦物摻合料摻量早強型細集料混凝土力學性能,試驗結果如表4所示。由表4可知,預養6 h,所有試件強度均已超過混凝土幼齡抗凍臨界強度。

圖1 超細礦物摻合料對抗折強度的影響曲線圖

圖1為不同養護制度下,超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土抗折強度的影響曲線圖。由圖1可以看出,養護齡期為7 d時,兩種養護制度下抗折強度變化規律保持一致,均隨著超細礦物摻合料的增加,抗折強度先增加后減小,超細礦物摻合料摻量為5%是該齡期對應的最佳摻量,“養護制度一”明顯優于“養護制度二”;養護齡期為14 d時,在“養護制度一”中,抗折強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加表現為先增加后減小,超細礦物摻合料摻量為10%是該齡期對應的最佳摻量。在“養護制度二”中,抗折強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加而減小,超細礦物摻合料摻量由0增加至20%時,抗折強度減小9.1%;養護齡期為28 d時,兩種養護制度下抗折強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加表現為先增加后減小,超細礦物摻合料摻量為10%是“養護制度一”對應的最佳摻量,超細礦物摻合料摻量為5%是“養護制度二”對應的最佳摻量,說明超細礦物摻合料摻量對后期抗折強度影響的飽和點因養護制度而異,在早期受凍條件下應該適量增加超細礦物摻合料的摻量。

下頁圖2為不同養護制度下,超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土抗壓強度的影響曲線圖。由圖2可以看出,養護齡期為7 d時,在“養護制度一”中,超細礦物摻合料對抗壓強度影響保持平穩狀態。而在“養護制度二”中,抗壓強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加表現為先增加后較小,超細礦物摻合料摻量為5%是其對應的最佳摻量;養護齡期為14 d時,在“養護制度一”中,抗壓強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加而逐漸減小,超細礦物摻合料摻量由0增加至20%時,抗壓強度減小2.67%。在“養護制度二”中,抗壓強度隨著超細礦物摻合料摻量的增加表現為先增大后減小,超細礦物摻合料摻量為10%是“養護制度二”對應的最佳摻量;養護齡期為28 d時,兩種養護制度下,隨著超細礦物摻合料摻量的增加,抗壓強度的變化趨勢保持一致,其中超細礦物摻合料摻量為15%是“養護制度一”對應的最佳摻量,超細礦物摻合料摻量為10%是“養護制度二”對應的最佳摻量,說明超細礦物摻合料對后期抗壓強度影響的飽和點因養護制度而異,在早期受凍條件下應適當增加超細礦物摻合料摻量。

圖2 超細礦物摻合料對抗壓強度的影響曲線圖

2.2 超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能的影響

在混凝土中通常以抗壓強度和抗折強度來評價其力學性能。混凝土的抗壓強度形成機理較為復雜,是水泥石應力場、水泥與骨料界面應力場、骨料之間嵌擠應力場等多場模態的耦合作用,而抗折強度一般取決于水泥與骨料的界面相性能,強度形成機理相對單一。因此,本文以抗折強度為指標來評價早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能,定義一個幼齡抗凍系數Kd,具體表達式如下:

(1)

式中:Kd——表示養護齡期為d時對應的幼齡抗凍系數;

R1——表示“養護制度一”下的抗折強度值;

R2——表示“養護制度二”下的抗折強度值。

Kd的值越大,說明其幼齡抗凍性能越好。

圖3為超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能的影響曲線圖。由圖3可以看出:養護齡期為7 d時,早強型細集料混凝土幼齡抗凍系數區間為1.02～1.04,均>1,超細礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數為最大值1.04;養護齡期為14 d時,早強型細集料混凝土幼齡抗凍系數區間為0.88～1.02,超細礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數為最大值1.02;養護齡期為28 d時,早強型細集料混凝土幼齡抗凍系數區間為0.95～1.01,超細礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數為最大值1.01。由此,可以得出超細礦物摻合料摻量為10%是早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能最佳摻量,適量的超細礦物摻合料可以改善和提高早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能。

圖3 超細礦物摻合料對幼齡抗凍系數的影響曲線圖

3 幼齡抗凍機理分析

3.1 超細礦物摻合料對早強型細集料混凝土宏觀內部構造的影響

圖4為不同超細礦物摻合料摻量下早強型細集料混凝土斷截面圖。由圖4可以看出:隨著超細礦物摻合料摻量的增加,早強型細集料混凝土斷截面的顏色由淺變深,主要是超細礦物摻合料原材料在細集料混凝土內部均勻分布和填充所致。斷截面內可以明顯用肉眼看到氣孔的存在,且氣孔數量隨著超細礦物摻合料摻量的增加而逐漸增加,說明超細礦物摻合料可以調節早強型細集料混凝土內部氣孔含量和分布,提高和改善其工作性能。通過對截面的觀察,可以明顯看到超細礦物摻合料摻量為10%的試件斷截面內氣孔和細集料分布較為均勻,而由圖3可知超細礦物在該摻量下各齡期幼齡抗凍系數最大,這進一步說明適量的超細礦物摻合料可以提高早強型細集料混凝土幼齡抗凍性能。

圖4 超細礦物摻合料對宏觀內部構造的影響示意圖

3.2 溫度對早強型細集料混凝土的損傷

快硬硫鋁酸鹽水泥在凝結硬化過程中釋放大量的水化熱,混凝土在變溫過程中會產生不均勻的溫度場。因為水泥漿體與骨料的熱膨脹系數存在差異,所以無論是升溫還是降溫,水泥漿體與骨料之間的界面過渡區首先出現損傷;當溫度梯度增大到一定數值后,混凝土內部就會產生溫度應力微裂紋乃至宏觀裂縫,宏觀上表現為混凝土強度降低。相關研究表明,本試驗所用的超細礦物摻合料[8]可以等效替代水泥,抑制水化熱效應強,能夠有效降低膠凝材料水化熱,減小溫度應力,降低混凝土內部的初始損傷度。

3.3 毛細孔與氣孔對早強型細集料混凝土的協同作用效應

孔結構是混凝土微觀結構的重要組成部分,對混凝土宏觀性能具有重要影響,適量的超細礦物摻合料改善了早強型細集料混凝土內部微孔結構[9]。楊人和等[10]根據孔徑大小,將孔分為無害孔、少害孔、有害孔、多害孔,前兩者稱為凝膠孔,后兩者稱為毛細管孔。在毛細管孔中,不飽和電荷會使孔表面產生表面能,水滲入這些毛細孔,由于毛細管孔表面引力克服水的表面張力使水分子形成密度較小的定向有序結構,產生毛細管孔效應(如圖5所示),這會對抗凍性能產生不利影響[11-12]。

圖6為毛細管孔與氣孔冰凍機理分析示意圖。水束縛得越牢,冰點就越低,因此結冰對水泥漿體產生損傷的水一般為毛細管孔中的水,水在結冰時會產生9%左右的體積膨脹,從而會對孔壁產生膨脹應力使水泥漿體產生損傷,結冰位置的不同會對孔壁產生不一樣的效應。如圖7(a)所示,當結冰的位置發生在毛細孔內,冰晶會擠壓毛細管壁或產生水壓使水泥漿體產生損傷,造成水泥漿體剛度損失,氣孔可以提供有效的逃逸邊界,有效減小冰壓或水壓[13];如圖7(b)所示,當結冰的位置發生在氣孔位置,冰晶不會對氣孔孔壁產生壓力,毛細孔中的高能水和氣孔處的低能水會產生熱力學不平衡,形成冰凍抽吸效應,驅使毛細孔水流向低能的氣孔處,促進冰晶生長,有效減輕毛細孔水壓,進而有效防止水泥漿體產生損傷[14]。

圖5 毛細管孔效應示意圖

圖6 毛細管孔與氣孔冰凍機理分析示意圖

(a)結冰在毛細孔內

(b)結冰在氣孔

4 結語

(1)經一次凍結試驗可知,既定配合比早強型細集料混凝土預養6 h后強度均已超過幼齡抗凍臨界強度,滿足青藏高原地區晝夜溫差施工要求。

(2)超細礦物摻合料可以提高和改善早強型細集料混凝土的力學性能,當摻量為10%時,其幼齡抗凍性能最佳。一次凍結7 d、14 d、28 d試件抗壓強度為分別為正常養護條件下的97.4%、98.7%、98.9%,抗折強度為正常養護條件下的103.8%、101.8%、100.8%。超細礦物摻合料更有利于提高幼齡抗折強度。

(3)適量的超細礦物摻合料不僅可以降低水泥水化熱,而且還可以改善早強型細集料混凝土內部構造,從而增強其幼齡抗凍性能,大大降低青藏高原地區施工成本。