徐世烺,葛 唯

(浙江大學建筑工程學院,浙江 杭州 310058)

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥混凝土,廣泛應用于大壩、公路等基礎建設。經過20多年的發(fā)展,富膠凝材料高摻粉煤灰碾壓混凝土已成為中國碾壓混凝土筑壩技術的特色。近年來粉煤灰日益短缺,工程上常用石灰石粉替代部分粉煤灰。但高摻量石灰石粉會導致粉煤灰二次水化效應減弱、混凝土后期強度發(fā)展受到限制,甚至會嚴重降低混凝土強度,對抗裂性能發(fā)展不利[1]。開裂是影響碾壓混凝土耐久性的重要因素,如何提高碾壓混凝土的抗裂性能已成為碾壓混凝土工程技術發(fā)展中的一項重大課題。

碾壓混凝土的開裂主要是由混凝土中拉應力超過抗拉強度或拉伸應變超過極限拉伸值引起。影響混凝土抗裂性能的因素很多,主要包括混凝土的強度、彈性模量、徐變、線膨脹系數、水化溫升和自身體積變形等[2]。文獻[3]提出,抗裂性能較好的混凝土應具有抗拉強度較高、極限拉伸值較大、彈性模量較低、干縮率較小、絕熱溫升較小等特點。

關于如何提高混凝土抗裂性能,已有一些研究成果。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維具有高抗拉強度和高彈性模量,可通過摻入PVA纖維提高混凝土的抗裂性能和彎曲韌性[4]。HLC外加劑具有高效減水、緩凝、引氣、保塑、微膨脹及早強增強等功能,摻入HLC外加劑可在早期有效補償混凝土干縮以提高材料抗裂性能[5]。此外,硅灰具有高火山活性,廣泛應用于高強混凝土的配制,對提高混凝土抗裂性也有一定的優(yōu)越性,但硅灰在碾壓混凝土中的應用研究甚少。本文從摻合料層面,提出將石灰石粉和高活性摻合料硅灰混合使用,替代粉煤灰應用于碾壓混凝土,針對硅灰和石灰石粉對碾壓混凝土抗裂性能的影響作進一步探討。

1 配合比設計

原材料:水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥,細骨料采用普通河砂,粗骨料采用一級配石子,粒徑在5～20 mm之間；摻合料采用Ⅱ級粉煤灰、粒徑小于0.016 mm的石灰石粉和?？瞎杌?；外加劑采用聚羧酸高效減水劑。

表2 立方體試件劈拉強度、抗壓強度和拉壓比

配合比:據相關文獻資料顯示,目前石粉摻量大約控制在摻合料總量的50%,硅灰摻量控制在膠凝材料的5%左右[6-7]。本次試驗配合比見表1,水膠比均為0.5,減水劑摻量為0.75%,摻合料總量為40%,分別是20%石灰石粉+20%粉煤灰(LF)、5%硅灰+35%粉煤灰(SF)、20%石灰石粉+5%硅灰+15%粉煤灰(LSF)。

表1 碾壓混凝土試驗配合比

2 抗拉強度

碾壓混凝土的抗拉強度主要與水泥漿的抗拉能力及水泥漿與骨料的膠結能力有關。在其他條件相同的情況下,碾壓混凝土的抗拉強度越大,其抗裂能力越強。試驗采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件測定劈拉強度,試驗結果見表2。3組試件劈拉強度隨齡期的增長,抗裂性能逐漸提高,其中LF試件的劈拉強度在各個齡期都處于最低值,這表明其抗裂性能最弱。加入硅灰后,早期LSF試件的劈拉強度最高,后期SF試件的劈拉強度最高,充分體現了硅灰對提高抗裂性能的重要作用。在90 d齡期時,LSF試件和LF試件的劈拉強度分別為2.66 MPa和2.10 MPa,LSF試件的混凝土劈拉強度提高了26.67%。

以上結果說明,石灰石粉對碾壓混凝土材料后期劈拉強度發(fā)展不利,硅灰在提高碾壓混凝土材料劈拉強度方面具有一定的優(yōu)越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰,既能解決粉煤灰匱乏的現實問題,又能有效提高抗裂性能,具有一定的經濟性和重要的工程意義。

3 拉壓比

拉壓比為劈拉強度與抗壓強度的比值,拉壓比越大,混凝土材料的韌性越好,抗裂性能越好[8]。通過測定3組150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件的抗壓強度(表2),并根據抗壓試驗和劈拉試驗結果,計算得出3組試件在7 d、28 d、90 d齡期時的拉壓比,結果見表2。由表2可知，拉壓比隨齡期的延長呈增長趨勢,其中LF試件的增長幅度最大,90 d齡期時3組試件拉壓比接近。單從拉壓比的角度看,3組試件具有相近的較好的長期抗裂性能，但早期LSF試件的拉壓比為6.31%,比LF試件高30.4%。早期抗裂性能的提高是保證后期耐久性的重要基礎,因此硅灰的加入能夠彌補石灰石粉早期抗裂性能不利的缺陷,提高碾壓混凝土材料整體耐久性能。

4 彈強比

彈性模量是指混凝土產生單位變形所需要的應力,彈性模量取決于骨料本身的彈性模量及混凝土的灰漿率(即單位體積碾壓混凝土中水泥漿體的質量分數)。靜彈性模量試驗采用?150 mm×300 mm的圓柱體試件,試驗結果見表3。彈強比是指混凝土的彈性模量與其抗壓強度之比,也是迄今為止混凝土抗裂性能評價時使用最廣泛的指標。彈強比越小,混凝土的抗裂能力越強[9],3組試件各齡期的彈強比見表3。3組試件的彈強比隨齡期的增長總體呈下降趨勢,SF試件下降速度最快,LSF試件次之,并且最終這兩組試件的彈強比都小于LF試件。這說明摻有硅灰的試件具有更好的抗裂性能,石灰石粉在一定程度上阻礙了試件抗裂性能的提高。90 d齡期時,LSF試件彈強比為1 026,比LF試件低16.2%,充分體現了在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰能夠有效提高長期抗裂性能。

表3 彈性模量、彈強比試驗結果

5 微觀分析

各組試件標準養(yǎng)護7 d、28 d、90 d后進行試驗,試驗后選取核心樣品用酒精浸泡停止水化,烘干后保存。采用高真空掃描電鏡(SEM)觀測碾壓混凝土材料水化產物及微觀結構形態(tài)。采用Micromeritics Autopore IV 9510壓汞儀測量分析試件的孔隙結構,采用TA-Q500熱重分析儀測量試件在不同齡期下的熱穩(wěn)定性能,并通過Ca(OH)2定量分析解釋材料宏觀性能。

圖1 LF試件各齡期水化產物形態(tài)

圖2 SF試件各齡期水化產物形態(tài)

圖3 LSF試件各齡期水化產物形態(tài)

5.1 SEM分析

3組配合比的試件在各齡期的水化產物微觀形態(tài)如圖1～3所示。隨著齡期的增長,水化產物的微觀結構密實程度逐漸提高。相同齡期下,LF試件的密實度相對較小,這與摻合料的活性以及反應機理有關。石灰石粉的晶核效應對水泥水化有一定的促進作用,但石灰石粉活性非常低,導致早期生成C-S-H凝膠較少,無法有效填充鈣釩石晶體間的孔隙。另外,石灰石粉的存在會阻礙鈣礬石(AFt)向單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)的轉化[10],導致LF試件中存在大量的鈣礬石。石灰石粉主要化學成分CaCO3不與Ca(OH)2發(fā)生化學反應,導致LF試件中有較多的Ca(OH)2晶體。這些因素都不利于LF試件早期抗裂性能的發(fā)展。

加入5%的硅灰后,SF、LSF兩組試件的微觀結構密實程度都高于LF試件,一定程度反映了其力學性能和抗裂性能也較好。這是由于硅灰具有高火山灰活性,不僅能在早期促進硅酸三鈣(3CaO·SiO2)水化,還能吸收水泥水化產物Ca(OH)2,同時生成較多的C-S-H凝膠,不斷填充鈣釩石晶體間的微觀孔隙,提高材料的微觀結構密實程度,使界面過渡區(qū)的黏結力增強,宏觀性能得到改善[11-12]。李建權等[13]研究發(fā)現,硅灰與Ca(OH)2的反應分布較均勻,除發(fā)生在界面區(qū)域還發(fā)生在漿體的毛細結構中,優(yōu)化了孔隙結構。由此可見,摻有石灰石粉的碾壓混凝土材料微觀結構相對疏松,硅灰的加入能夠優(yōu)化水化產物結構,提高材料密實度,從而增強材料的抗裂性能。

5.2 孔隙結構

壓汞試驗進行孔隙分析時,根據半徑在(ri,ri+dri)占據的孔隙部分等于水銀在壓力(pi,pi+dpi)下浸入的體積增量ΔVi,可得到不同摻量粉煤灰混凝土的孔徑分布情況[14]。按照我國學者吳中偉的研究結論,根據孔級配和孔隙率2個因素,劃分出不同影響的孔級:無害孔級(<20 nm)、少害孔級[20 nm，50 nm)、有害孔級[50 nm，200 nm)、多害孔級(≥200 nm)[15]。不同齡期時3組試件孔隙參數見表4。

表4 不同齡期時碾壓混凝土孔隙參數

隨著齡期的增長,3組配合比的碾壓混凝土材料水化產物增多,相同配合比下養(yǎng)護時間越長,微觀結構越密實。由表4可知,相同齡期時,隨著硅灰的摻入,[50 nm，200 nm)區(qū)段內的孔隙體積顯著降低,LSF試件最低,其中28 d及90 d齡期時更為顯著,LSF試件在該區(qū)段內的孔隙體積僅為LF試件的39%及23%。3組試件在[20 nm，50 nm)和孔徑大于或等于200 nm區(qū)段內的孔隙體積變化都不夠明顯。但90 d齡期時,LSF試件的多害孔體積最小,體現出LSF試件具備更優(yōu)的孔結構。由此可知,當同時摻入石灰石粉和硅灰時,材料孔隙直徑顯著降低,有害孔隙得到明顯改善,對于提升材料抗裂性能具有積極影響。硅灰的加入和養(yǎng)護齡期的延長,提高了水泥、粉煤灰等膠凝材料的水化程度,生成水化硅酸鈣凝膠填充微觀結構中較大的毛細孔孔隙,優(yōu)化了孔隙結構。

通過孔隙率對比分析可知,7 d齡期時LSF試件的孔隙率最大,90 d齡期時LSF試件的孔隙率最小。這是因為石灰石粉和硅灰的復合火山灰效應[16]加快了水泥水化速度,早期生成大量含有孔徑小于20 nm的膠凝孔的水化硅酸鈣,提高了孔隙率,但該孔徑范圍的孔隙不會對材料宏觀力學性能和耐久性帶來負面影響[17-18]。后期水化反應充分完成,孔隙率最小說明孔結構得到優(yōu)化,微觀結構更加致密,再次證明抗裂性能得到提高。

5.3 熱重分析

水泥水化產物Ca(OH)2會導致材料有害孔隙增多,削弱骨料與界面的黏結程度,降低材料整體力學性能和抗裂性能。圖4為LF、SF、LSF試件分別在7 d、28 d和90 d齡期時的微分熱重曲線,觀察可知各組試件微分熱重曲線形態(tài)相似,主要有3個失重峰,分別在80～120℃區(qū)間、400℃和700℃附近。400℃附近的失重峰主要由Ca(OH)2受熱分解失去結構水引起,Ca(OH)2質量分數越大,質量損失越多。高翔[19]在相關研究中提出可以根據失重波峰(380～430℃)對應的面積計算得到各組樣品中的Ca(OH)2質量分數,結果見表5。

圖4 3組試件不同齡期下的微分熱重曲線

編號Ca(OH)2質量分數/%7d28d90dLF1.282.680.90SF1.121.240.72LSF1.372.550.93

由表5可知7 d、28 d及90 d齡期時各組試件中Ca(OH)2質量分數具有相似的變化規(guī)律,LF試件與LSF試件接近,SF試件最低,其中90 d齡期時由于水化反應充分,3組試件中Ca(OH)2質量分數較其他齡期時顯著降低。SF試件中的Ca(OH)2質量分數一直最低,說明硅灰能夠消耗Ca(OH)2,提高微觀結構的密實度,從水化產物層面對材料性能進行優(yōu)化。早期石灰石粉的主要成分CaCO3不與Ca(OH)2反應,導致LF試件和LSF試件中的Ca(OH)2質量分數較高。LF試件和LSF試件Ca(OH)2質量分數相近,但結合電鏡和壓汞分析結果得知兩者水化程度不同,LSF試件的水化程度明顯高于LF試件,因此LSF試件具有更高的抗裂性能。

6 結 論

本文主要以劈拉強度、拉壓比、彈強比等指標評估了兩種摻合料(20%石灰石粉和5%硅灰)單獨或同時等量替代粉煤灰時對碾壓混凝土材料抗裂性能的影響,并通過微觀結構觀測、孔隙分析、Ca(OH)2定量分析等方法從微觀角度為混凝土材料宏觀性能提供理論依據。具體結論如下:

a. 宏觀性能方面,摻合料總量為40%時,在摻有石灰石粉和粉煤灰的碾壓混凝土中加入5%的硅灰,可有效提高抗裂性能。具體表現為與石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土相比,加入硅灰后的碾壓混凝土具有較高的劈拉強度、拉壓比和較低的彈強比。

b. 由微觀機理分析可知,石灰石粉和硅灰都能夠促進水泥水化,但硅灰的活性大,促進效果更加明顯,兩者微觀結構也相差很大。雙摻石灰石粉和粉煤灰的碾壓混凝土材料在水化過程中含有大量CaCO3和Ca(OH)2,影響界面過渡區(qū)的黏結力和整體微觀結構密實度。硅灰的加入能夠降低水化產物中Ca(OH)2質量分數,優(yōu)化孔結構,提高材料密實度,增強材料的宏觀性能。

c. 從工程應用的角度看,由于石灰石粉對碾壓混凝土材料后期劈拉強度發(fā)展不利,硅灰在提高碾壓混凝土材料劈拉強度方面具有一定的優(yōu)越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰,既能充分利用石灰石粉解決粉煤灰匱乏的現實問題,又能有效彌補石灰石粉長期抗裂性能不足的缺陷,具有一定的經濟性和重要的工程意義。

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