李寶清 袁 文 趙春東 朱云升

(1.四川省交通建設(shè)集團有限責任公司 成都 610047; 2.武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063)

我國西南地區(qū)粉煤灰供應比較緊缺,質(zhì)量參差不齊,劣質(zhì)粉煤灰會造成新拌混凝土流動性差、坍落度經(jīng)時損失大、出現(xiàn)氨味,以及冒黑油等現(xiàn)象,影響混凝土質(zhì)量。因此混凝土工程中有必要尋求新的礦物摻合料取代粉煤灰,2014年頒布JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術(shù)規(guī)程》[1]指導和規(guī)范了石灰石粉在混凝土中的應用。磨細石灰石粉具有晶核、填充、化學、稀釋4種作用,能有效減少混凝土孔隙率,提高其早期強度[2]。硅灰是一種高火山灰活性物料,其二次水化作用能顯著提高混凝土后期強度[3]。石灰石粉硅灰雙摻能在混凝土不同齡期發(fā)揮不同作用,優(yōu)勢互補,提高混凝土各齡期強度,達到“1+1>2”的疊加效應。本文對比研究單摻粉煤灰和復摻石灰石粉硅灰對C50預制梁混凝土性能影響的差異,結(jié)合掃描電鏡對混凝土性能差異進行微觀機理解釋,以期為工程應用提供理論支撐。

1 試驗概況

1.1 原材料選擇及性能指標

選用亞東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,物理性能指標見表1。粉煤灰、石灰石粉、硅灰的物理性能指標見表2。5～10 mm米石和10～20 mm中石按質(zhì)量比2∶8形成連續(xù)級配碎石。表觀密度2 502 kg/m3,吸水率0.84%,含泥量0.63%,針片狀含量3.6%。選用細度模數(shù)2.94的機制砂中砂,級配處于II區(qū)上、下限之間,亞甲藍值0.6 g/kg,表觀密度2 635 kg/m3。外加劑為聚羧酸系高性能緩凝型減水劑WIN105,減水率26.5%,含固量26.8%;水為自來水。

表1 水泥物理性能指標

表2 3種礦物摻合料物理性能指標

1.2 試驗配合比

某預制小箱梁C50混凝土基準配合比見表3,粉煤灰占膠凝材料15%,水膠比0.32,砂率43%,設(shè)計表觀密度2 460 kg/m3。石灰石粉硅灰按不同比例雙摻取代粉煤灰,石灰石粉取代粉煤灰比例分別為0%,33%,67%,100%,則硅灰分別取代粉煤灰的100%,67%,33%,0%,石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰C50混凝土配合比見表4。

表3 預制梁C50混凝土基準配合比

表4 石灰石粉硅灰雙摻預制梁C50混凝土配合比

1.3 試驗方法

按GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》分別測定混凝土坍落度、擴展度、1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失。成型標準立方體和棱柱體試塊標養(yǎng)后,按GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》分別測定混凝土3,7,28 d抗壓強度和彈性模量。按GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》分別對標養(yǎng)至1,3,7,14,28,45,60 d混凝土試塊進行干燥收縮試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

混凝土的坍落度、擴展度,以及經(jīng)時損失嚴重影響現(xiàn)場預制梁澆筑施工作業(yè)及梁體外觀質(zhì)量。本文依托某工程智慧梁場,需要加速模板和移動支座運轉(zhuǎn),提高生產(chǎn)效率,要求實現(xiàn)預制箱梁3 d張拉,這需要預制梁混凝土3 d達到張拉時所需的抗壓強度和彈性模量。預制梁混凝土干燥收縮變形過大會造成預制箱梁表面開裂,影響其耐久性。

2.1 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土工作性能影響

C50預制梁混凝土工作性能試驗結(jié)果見表5。當硅灰完全取代粉煤灰,聚羧酸系減水劑摻量為1.2%時,新拌混凝土干硬板結(jié),幾乎沒有流動性,提高減水劑摻量后流動性得以改善,這與硅灰自身需水量大密切相關(guān)。隨著石灰石粉的摻入量增加,新拌混凝土的出機坍落度和擴展度會逐漸增加。與基準混凝土相比,石灰石粉取代33%粉煤灰和和硅灰67%的粉煤灰新拌混凝土坍落度下降7.5%,擴展度下降16.7%,1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失分別下降33.3%,37.5%;石灰石粉取代67%粉煤灰和硅灰取代33%粉煤灰的新拌混凝土坍落度提高10%,擴展度提高6.3%,1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失分別下降50%,62.5%;石灰石粉100%取代粉煤灰的新拌混凝土坍落度提高20%,擴展度提高14.6%,1 h坍落度沒有損失,擴展度下降25%。在相同用水量和減水劑摻量條件下?lián)饺牍杌覍π掳杌炷恋墓ぷ餍阅苡胁焕绊?這是由于硅灰比表面積極大,吸附混合料中大量自由水和聚羧酸減水劑,導致混凝土漿體量不足。摻入石灰石粉可以提高混凝土的出機坍落度和擴展度,并減少1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失。這是因為石灰石粉在混凝土體系中具有分散減水作用,有利于水泥顆粒的分散和懸浮。石灰石粉取代水泥后,水泥和石灰石粉密度差異較小,不會影響混凝土漿體量,降低整個膠凝材料體系的需水量[4-5]。

表5 新拌梁板C50水泥混凝土工作性能

2.2 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響

石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土抗壓強度變化曲線見圖1。

圖1 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土抗壓強度變化曲線

由圖1可知,與基準混凝土相比,硅灰取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高0.8%,9.9%,2.7%;硅灰取代67%粉煤灰和石灰石粉取代33%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高2.4%,7.3%,7.5%;硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高3.2%,4.2%,12.6%;石灰石粉100%取代粉煤灰混凝土3,7 d抗壓強度分別提高5.9%,1.0%,28 d抗壓強度卻降低3%。由此可見,石灰石粉可有效提高混凝土早期抗壓強度,對水泥的水化反應有促進作用,石灰石粉充當晶核,促進了C─S─H凝膠等水化產(chǎn)物的晶析過程[6]。但石灰石粉是惰性材料,單摻使用會限制混凝土后期強度發(fā)展。而摻入硅灰可以有效提高混凝土后期抗壓強度,硅灰中大量活性SiO2在堿性環(huán)境下與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應,增加低堿性C─S─H凝膠和C─A─S─H凝膠數(shù)量。同時,粒徑極小的硅灰在混凝土中能起到填充作用,從而提高硬化混凝土致密性[7]。石灰石粉硅灰雙摻膠凝體系混凝土3,7,28 d齡期抗壓強度均高于單摻粉煤灰的基準混凝土,石灰石粉硅灰雙摻能發(fā)揮復合礦物摻合料的“超疊加效應”,水泥-石灰石粉-硅灰三元膠凝材料體系優(yōu)化了膠凝材料的顆粒級配,充分填充不同粒徑顆粒間隙,提高混凝土密實度,硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰的雙摻混凝土28 d強度提高幅度最為顯著,達到11.3%。

2.3 石灰石粉硅灰雙摻復合膠凝體系對混凝土彈性模量的影響

C50混凝土彈性模量試驗結(jié)果見圖2。

圖2 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土彈性模量變化曲線

由圖2可知,與基準混凝土相比,硅灰取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高2.3%,2.5%,5.3%,硅灰取代67%粉煤灰和石灰石粉取代33%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高2.6%,0.9%,3.8%;硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高3.5%,3.7%,6.1%;石灰石粉取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高4.2%,3.1%,0.6%。各配合比水泥混凝土3,7 d彈性模量分別達到28 d彈性模量的80%和90%以上,根據(jù)JTG 3650-2020規(guī)定[8],后張法預應力筋張拉時,混凝土彈性模量不應低于28 d彈性模量的80%,因此石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰混凝土澆筑的預制梁構(gòu)件能滿足3 d張拉要求。隨著石灰石粉和硅灰摻量的增加,混凝土3,28 d彈性模量都逐漸增大。這是由于石灰石粉成核作用能加快水泥早期水化速率,石灰石粉和硅灰的“微集料效應”能填充不同孔徑的孔隙,提高混凝土密實度,從而提高混凝土早期抗壓彈性模量。同時,由于硅灰具有火山灰活性,二次水化作用能消耗水泥石或水泥石-粗骨料之間界面過渡區(qū)的Ca(OH)2,繼續(xù)生成低堿性水化硅酸鈣凝膠,對混合料起到更好的填充和膠結(jié)作用,同樣提高了混凝土的彈性模量。石灰石粉硅灰雙摻具有“彈性模量互補效應”,石灰石粉在早期促進水化作用,硅灰在后期發(fā)揮二次水化作用,綜合改善混凝土各齡期的抗變形能力。

2.4 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土干縮性能的影響

C50預制梁混凝土干縮性能試驗結(jié)果見圖3。如圖所示,隨著養(yǎng)護齡期的增加,相比基準混凝土,雙摻石灰石粉硅灰混凝土的干燥收縮率逐漸增大,前期(0～28 d)干縮值增長幅度較大,后期(28～60 d)干縮值增長幅度減緩。隨著硅灰摻量的增加,雙摻混凝土干縮率逐漸增加,其中硅灰100%取代粉煤灰混凝土干縮率增長幅度最大,其1,3,7,14,28,45,60 d干縮率分別提高了52.8%,35.8%,35.3%,29.7%,29.2%,24.9%,25.1%。這是由于硅灰內(nèi)部一般90%以上SiO2在Ca(OH)2堿激發(fā)作用下迅速與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應,即Ca(OH)2+SiO2+H2O→C─S─H,SiO2參與水化反應生成C─S─H凝膠的同時伴隨著水分的消耗,從而加大了雙摻混凝土干縮率。隨著石灰石粉摻量的增加,雙摻混凝土干縮率逐漸減小,石灰石粉100%取代粉煤灰混凝土干縮率低于基準混凝土,分別降低了12.5%,17.6%,18.6%,23.3%,13.6%,9.2%,8.8%。這是由于一方面石灰石粉中的CaCO3與水泥熟料C3A發(fā)生化學反應,生成膨脹性產(chǎn)物水化碳鋁酸鈣;另一方面石灰石粉能減小膠凝材料需水量,填充混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),從而改善雙摻混凝土的干燥收縮特性[9-10]。石灰石粉和硅灰對混凝土干縮率的影響相反,因此要合理調(diào)整石灰石粉和硅灰的雙摻比例,硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰雙摻混凝土與基準混凝土的干縮率接近,不會對硬化混凝土的收縮開裂產(chǎn)生較大影響。

圖3 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土干縮變化曲線

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

分別對JZ、FC-1、FC-3、FC-4中28 d齡期混凝土進行掃描電鏡試驗,掃描電鏡結(jié)果見圖4。

圖4 SEM圖

由圖4可見,JZ和FC-4組28 d齡期混凝土內(nèi)部存在較多的微裂縫和孔洞,結(jié)構(gòu)疏松,針棒狀鈣礬石縱橫交錯且填充于微裂縫中,鈣礬石對混凝土后期強度是不利的,同時鈣礬石與C─S─H凝膠形成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)降低了界面黏結(jié)性,導致單摻粉煤灰或單摻石灰石粉混凝土后期強度發(fā)展受限。FC-3組28 d齡期混凝土結(jié)構(gòu)致密,無明顯微裂縫和孔洞,針棒狀鈣礬石數(shù)量銳減,C─S─H凝膠聚集成層狀,對混凝土起到更好的填充和黏結(jié)作用。因此,將石灰石粉和硅灰雙摻分別取代67%和33%粉煤灰時,石灰石粉微集料效應和化學作用與硅灰形態(tài)效應和火山灰效應充分疊加,改善了膠凝材料的顆粒級配及水化產(chǎn)物分布,減少了對混凝土后期強度不利的Ca(OH)2晶體和針棒狀鈣礬石,C─S─H凝膠數(shù)量顯著增加,混凝土內(nèi)部更加密實,石灰石粉硅灰雙摻膠凝體系預制梁混凝土各齡期抗壓強度和抗變形能力均優(yōu)于單摻粉煤灰。

4 結(jié)論

1) 石灰石粉取代粉煤灰的67%和硅灰取代粉煤灰的33%時雙摻混凝土的工作性能和力學性能均得到明顯改善,坍落度提高10%,擴展度提高6.3%,1 h坍落度、擴展度經(jīng)時損失分別減少50%,62.5%;3,7,28 d抗壓強度分別提高3.5%,3.6%,11.3%;3,7,28 d彈性模量分別提高3.5%,3.7%,6.1%;其干縮率也接近基準混凝土,能達到預制梁3 d張拉的抗壓強度和彈性模量的要求,從而加快梁場周轉(zhuǎn)效率。

2) 石灰石粉硅灰雙摻改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu),增加了混凝土的致密性,優(yōu)化了混凝土水化產(chǎn)物的組成,從而提高混凝土的抗壓強度和抗變形能力。