關于使用硅粉混凝土進行橋面鋪裝的探討

任 杰

硅粉資源開發利用研究工作始于20世紀50年代,到20世紀60年代末70年代初已有工程應用。目前北歐、西歐、北美、日本、澳大利亞、南非、蘇聯等地區和國家已將硅粉廣泛應用在水泥、混凝土、耐火注料、橡膠、化工等工業,并已開發了一批性能優異的新產品。我國開展硅粉綜合利用的工作雖然起步較晚,但進展較快。如高強度混凝土、硅粉噴射混凝土、復合增強密度劑、硅粉砂漿、低水泥澆料等科研成果都已通過了部級或省、市級技術鑒定,并已在許多工程中應用,技術經濟效果顯著。有的應用技術已接近或達到了國外20世紀80年代初的水平。

在我國高速橋梁工程中,橋面鋪裝應用一直要求橋面混凝土具有較高抗滲、抗裂性能。國內也采用了很多的方法來解決相關技術難題,例如在橋面混凝土中摻加防水劑、摻加纖維合成材料等。筆者通過對硅粉混凝土的研究,加上對另外幾種方式的對比,試驗證明硅粉混凝土作為橋面混凝土的可行性。

1 硅粉材料功能

硅粉,也稱硅微粉、微硅粉或硅灰,是工業生產硅或硅合金時的副產品,自20世紀50年代在挪威開始對其在水泥混凝土中的應用進行研究,且自20世紀70年代以來,歐美各國對這種材料廣泛注意,開展了大量研究工作,研究發現硅粉材料的引入,可使砂漿、混凝土的孔隙與滲透性大大降低,給強度和耐久性帶來明顯改善,因而有廣泛的使用范圍。

硅粉顆粒的平均粒徑一般為0.1 μ m～0.15 μ m,比表面積達2.0萬m2/g～2.8萬 m2/g,約比粉煤灰大 50倍,比水泥粒徑大100多倍,摻入水泥混凝土中,可增加混凝土拌和韌柔潤粘聚性和硬化混凝土填充致密性,具有顯著的超微粉集料效應。硅灰在急劇冷凝的氣、液、固相變過程中,形成大小不一、表面光滑的球狀微粒在水泥混凝土中可起潤滑減小顆粒之間內摩擦阻力的作用,利于擴散填充微孔隙,增強致密性的微細顆粒形態效應明顯。

2 混凝土配制要點

2.1 硅粉的摻入方法

硅粉摻在混凝土中一般有兩種方法:1)內摻;2)外摻,都要與減水劑配合使用。內摻法——用硅粉代替水泥,又分等量代替和部分代替兩種,等量代替為硅粉摻量代替相等量的水泥,部分代替為1 kg硅粉代替 1 kg～3 kg水泥,作為研究一般摻量為5%～30%,水灰比一般保持不變。外摻法——硅粉像外加劑那樣摻在混凝土中,即水泥用量不減少的條件下摻入硅粉。摻量一般為5%～10%。由于硅粉用法不同,所得混凝土的性能并不相同,外摻法所得混凝土的力學性能要高得多,但增加了混凝土中膠凝材料用量。在我們橋面混凝土應用當中,為了保證在較小水泥用量前提下,達到一般橋面混凝土C40強度要求,我們采用了外摻方法來處理硅粉混凝土。

2.2 硅粉的最優摻量

硅粉在混凝土中摻量太少,對混凝土性能改善不大,但是摻量太多,則混凝土太粘,不易施工,且干縮變形大,抗裂性變差,因此,摻硅粉時,應找出最優摻量才能獲得最佳結果。一般情況下,摻量在10%以內效果較為滿意。硅粉合適摻量一般根據所用硅粉、水泥種類和骨料性質,選擇幾個硅粉摻量,如3%,5%,7%,10%等,成型混凝土試件,繪制 R—SF(強度—硅粉摻量)曲線確定。值得注意的是硅粉價格高于水泥原料價格,在確定硅粉的最佳摻量時,也要考慮技術經濟指標。

2.3 減水劑的摻量選擇

經過試拌發現,在混凝土中使用硅粉,如不摻減水劑,想保持相同的坍落度,則必須要增加用水量,導致水灰比增加,摻硅粉混凝土的強度也上不去,這也是過去硅粉未在混凝土中大規模推廣使用的原因之一。硅粉與減水劑聯合使用,特別是與高效減水劑聯合使用,摻用硅粉水灰比不變,用水量不增加,也能達到與未摻硅粉的混凝土具有相同的坍落度,硅粉混凝土強度等性能得到大幅度提高。

使用硅粉,建議使用萘系高效減水劑,既能達到減水效果,也能控制成本。萘系減水劑在硅粉混凝土中的摻量,一般為膠材用量的1%以內,摻量過大,混凝土泌水率必然上升,導致工作性下降。

對于所選用的減水劑品種、型號和所用混凝土原材料,選用幾個摻量,如0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,測量混凝土的坍落度(S),繪制坍落度—減水劑摻量曲線,并考慮成本,確定最佳摻量,也可根據經驗確定減水劑摻量,例如摻硅粉10%,對于H1和UNF型減水劑,一般摻量為膠材用量的0.6%左右。

3 硅粉混凝土特性

3.1 新拌硅粉混凝土的性能特點

粘性大,在混凝土的運輸和施工過程中不易離析分層,與石灰巖、河砂等材料粘結性好,用于橋面鋪裝時泵送效果好。在澆灌振實后,表面不泌水,不易產生沉縮裂縫,混凝土表面較為光滑,但對硅粉混凝土要早期養護及時。

3.2 硬化后混凝土的性能特點

1)抗壓強度。摻硅粉后,混凝土的抗壓強度明顯增加。如摻10%的硅灰,配合減水劑使用,比不摻硅粉時的抗壓強度可提高35%～58%。C40試件28 d強度達到54 MPa。2)抗拉強度。通過以普通混凝土為試樣,摻入10%硅粉時,28 d齡期的抗拉強度比不摻的提高12%。在粉煤灰混凝土中摻入10%硅粉時,也得到相同的結果。說明硅粉混凝土能夠滿足橋面鋪裝混凝土抗裂性能要求。3)抗滲性。由于硅粉的摻入,使混凝土的密實性得到提高,從而提高了其抗滲性。內摻5%硅粉的混凝土,與不摻硅粉的進行滲透高度比試驗,前者的抗滲性比后者提高6倍。硅粉混凝土抗滲等級大于S12,滿足橋梁工程中橋面混凝土設計中的最高要求。4)抗凍性。硅灰摻入混凝土中,改善了其微孔結構,減少了可凍水量,因此抗凍性有明顯提高。使用摻10%硅粉、水灰比0.5,膠凝材料總量為400 kg/m3的硅粉混凝土做抗凍試驗,凍融300次,其相對動彈模為78%;而有相同含氣量的不摻硅粉的普通混凝土,凍融500次,其相對動彈模就下降到50.2%。此外,硅灰混凝土的抗凍性還與水泥用量和減水劑的摻量等因素有關。5)抗磨性。對硅粉混凝土試件進行抗磨性試驗,采用膠凝材料325 kg/m3的混凝土試件,28 d齡期在相同沖磨時間下,所選用的含硅粉10%的混凝土的磨損率為0.95 kg/(h?m3),而未摻硅灰的磨損率為1.61 kg/(h?m3),即硅粉混凝土的磨損率比未摻明顯降低。

4 結語

通過對硅粉混凝土的試驗,證明硅粉是混凝土中高活性優質摻料,它能明顯改善混凝土各項技術性能。可促使水泥高度分散,早期水化,硅粉的火山灰活性不斷和水泥水化物Ca(OH)2起反應,也加速水泥水化,從而改變水泥混凝土的孔結構和界面結構,使混凝土更加實密,提高了混凝土的強度和抗滲性,耐磨性能大幅度改善;硅粉和粉煤灰及緩凝型高效減水劑三摻,可克服單摻粉煤灰早期強度低,也能克服單摻硅粉混凝土早期收縮大的缺點,可取代水泥,降低水化熱溫升,有利于防止早期性開裂。硅粉混凝土各項性能指標已經滿足橋面鋪裝混凝土性能要求。在推廣中,隨著更高減水率外加劑的出現,硅粉的摻量能否控制在10%左右,將可以降低因過多硅粉引起混凝土的自收縮變形,又可保證硅粉強度和耐久性能,同時也能夠節約成本。

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