礦物摻合料對自密實混凝土基本性能的影響

殷建光, 孫 浩, 嚴鵬飛, 李宏波, 朱一丁

(寧夏大學 a.土木與水利工程學院; b.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心;c.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心, 銀川 750021)

0 引 言

自密實混凝土(self-compacting concrete, SCC)又稱自填充混凝土, 是一種具有高流動性、 抗離析性和良好變性能力, 在自重作用下無需振搗就能填充模板和鋼筋間隙的混凝土[1]。與普通混凝土相比, 具有施工方便、 改善工作環境、 降低工程造價和提高施工效率等優點[2-4]。自1988年崗村甫發明自密實混凝土以來, 隨著施工機械和工藝的發展, 其在工程建設中有著越來越廣泛的應用。

粉煤灰和硅灰是寧夏地區主要的工業固體廢渣, 每年總產約為1 700萬t, 隨著電力和冶金工業的發展, 產量還在逐年增加。大量的粉煤灰和硅灰的堆積不僅污染環境和占用土地資源, 還會給人類健康帶來嚴重的危害。隨著研究的不斷深入, 粉煤灰已被用作混凝土常用的礦物摻合料： 姚大立等[5]分析了粉煤灰與再生骨料對自密實再生混凝土力學性能的影響, 發現粉煤灰摻量為25%時, 自密實再生混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度最大, 并建立了考慮粉煤灰摻量的自密實再生骨料混凝土的立方體抗壓強度與軸心抗壓強度的關系式; 朱亞鵬等[6]分析了粉煤灰和礦渣對自密實混凝土力學性能及耐久度的影響, 發現粉煤灰和礦渣的摻入可以改善自密實混凝土的密實性和抗壓強度, 其變化規律與兩種摻合料的水化疊加效應有關; Ling等[7]、 Akcay等[8]研究了偏高嶺土和硅灰對自密實混凝土力學性能的影響, 發現在自密實混凝土中加入偏高嶺土和硅灰可以改善孔結構, 提高自密實混凝土強度和耐久性; 王家濱等[9-10]研究了粉煤灰摻量對噴射混凝土滲透性、 孔結構和力學性能的影響, 發現噴射混凝土滲透性、 孔結構參數、 抗壓強度和劈裂抗拉強度隨粉煤灰摻量增大呈先減后增的趨勢, 并建立了抗壓強度和劈裂抗拉強度預測模型; 孫江云等[11]研究了粉煤灰、 礦渣和硅灰對高性能混凝土早期塑性開裂的影響, 發現粉煤灰和礦渣的摻入對混凝土早期塑性開裂有很好的抑制作用, 但加劇了混凝土的早期塑性開裂; 楊林等[12]發現粉煤灰的摻入可以改善機制砂混凝土抗折強度, 但對抗壓強度有負面影響, 并提出了機制砂混凝土抗壓強度和耐磨性的對數線性模型。前人研究結果表明: 粉煤灰和硅灰的摻入可以改善混凝土的強度、 流變性和耐久性, 然而試驗成果大多是基于單摻粉煤灰、 硅灰或者粉煤灰、 硅灰與其他礦物摻合料復摻對普通混凝土和其他類型混凝土的影響研究, 對于復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土工作性能、 力學性能變化規律以及抗壓強度和抗折強度關系預測模型的研究相對較少。

本文以銀川市排放量較大的粉煤灰和硅灰作為自密實混凝土的礦物摻合料, 研究不同摻量粉煤灰和4%硅灰對自密實混凝土工作性能、 抗壓強度和抗折強度的影響, 并建立了抗壓強度和抗折強度之間關系預測模型, 以便為寧夏地區粉煤灰和硅灰資源開發利用及自密實混凝土的實際工程應用[13]提供參考。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

采用寧夏賽馬P·O 42.5R水泥和寧夏銀川市熱電廠生產的Ⅱ級粉煤灰, 水泥和粉煤灰主要性能指標見表1； 銀川市地產硅灰, 其主要性能指標見表2； 銀川市西夏區地產中砂, 堆積密度1 493 kg/m3, 表觀密度2 670 kg/m3, 細度模數2.63。石子采用銀川市連續級配碎石, 碎石顆粒級配曲線見圖1； 山東煙臺市生產的UEA混凝土膨脹劑； 寧夏宏聯外加劑有限公司生產的HL-B1型聚羧酸高性能減水劑, 減水率為30%； 自來水。

圖1 碎石顆粒級配曲線

表1 水泥和粉煤灰主要性能指標

表2 硅灰主要性能指標

1.2 配合比

根據《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)中對自密實混凝土的規定和要求, 考慮粉煤灰和硅灰的影響, 分別配制10組試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的C40自密實混凝土， 自密實混凝土配合比見表3。其中, FSCC0和SFSCC0配合比為自密實混凝土的對照組。自密實混凝土膠凝材料總摻量不變, 水膠比為0.358, 砂率為47.68%。膨脹劑摻量為8%。粉煤灰替代水泥質量分別為0、 10%、 20%、 30%和40%, 硅灰替代水泥質量為4%。

表3 自密實混凝土配合比

1.3 試驗方法

抗壓強度和抗折強度按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)中的方法進行測試。試驗共測試3個齡期, 分別為3、 7和28 d。抗壓強度和抗折強度試驗均在YAW4306型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行, 儀器最大負荷為3 000 kN, 精度為0.000 1。

2 結果與分析

2.1 工作性能分析

自密實混凝土工作性能試驗結果見圖2和表4。粉煤灰摻量在0～30%時, 隨著煤灰摻量增大,單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的流動性均呈逐漸增大的趨勢。一方面, 粉煤灰顆粒呈球狀且光滑致密, 填充在水泥漿體之間具有滾珠潤滑作用, 使漿體中骨料顆粒間的內摩阻力減小, 提高了自密實混凝土流動性[14]。另一方面, 粉煤灰玻璃微珠顆粒能夠使水泥顆粒的絮凝結構解絮, 釋放結構中包裹的自由水, 改善了自密實混凝土的流動性。

圖2 自密實混凝土擴展度試驗結果

表4 自密實混凝土工作性能試驗結果

粉煤灰摻量為30%時, 復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土擴展度和J環擴展度分別達到峰值615和599 mm,PA達到16 mm,T500達到最小值4.2 s。 在混凝土未出現離析泌水的前提下,T500越小， 越能提高自密實混凝土對配筋較多結構的適用性。隨著煤灰摻量增大(大于30%時), 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的流動性和離析率SR呈下降趨勢,T500呈增大趨勢, 主要原因是粉煤灰摻量偏大, 取代水泥的粉煤灰體積增大, 大量的粉煤灰顆粒填充在水泥漿體之間, 使粉煤灰的吸附作用占主導地位, 導致漿體稠度增大、 流動性降低[15]。此外, 通過流變學原理可知, 適宜的粘度會使混凝土具有更好的勻質性和流動性, 但粘度過大時會造成屈服應力偏高, 就會使得混凝土流動性下降[16]。粉煤灰摻量的增加提高了混凝土表層需水量, 使漿體的粘度增大, 從而造成了混凝土流動性、 填充性和間隙通過性下降。

不同粉煤灰摻量情況下, 加入4%硅灰后自密實混凝土的擴展度分別提高7、 10、 18、 11和11 mm； J環擴展度分別提高9、 9、 15、 12和 13 mm；PA降低了1～3 mm， 主要原因是硅灰的平均粒徑較小, 只有0.1 μm左右, 能夠填充水泥顆粒之間的空隙, 使空隙中的自由水釋放出來, 提高自密實混凝土的流動性。 此外, 球形顆粒的硅灰可以改善水泥漿體結構, 在水泥顆粒間起到滾珠效應, 使顆粒間的內摩阻力減小, 增加了漿體的流動性和間隙通過性。通過評價自密實混凝土流動性、 填充性、 間隙通過性和抗離析性能, 當粉煤灰摻量為30%, 硅灰摻量為4%時, 自密實混凝土工作性能達到最優， 此時要自密實混凝土的擴展度為615 mm,T500為4.2 s,PA為16 mm,SR為8.3%, 且未出現離析泌水現象。在自密實混凝土各項工作性能指標符合要求的同時, 為增加資源利用率, 建議粉煤灰摻量為30%, 硅灰摻量為4%。

2.2 抗壓強度分析

自密實混凝土抗壓強度試驗結果見圖3和表5。

圖3 自密實混凝土抗壓強度試驗結果

表5 自密實混凝土抗壓強度

3 d齡期時, 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土抗壓強度均隨粉煤灰摻量增大呈逐漸下降的趨勢, 且都小于基準自密實混凝土的抗壓強度， 主要是因為粉煤灰早期強度和火山灰活性較低, 相比于水泥二次水化反應滯后, 自密實混凝土早期強度主要由水泥承擔, 隨著粉煤灰摻量增大, 水泥的摻量減小, 因此, 自密實混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而降低。

7 d齡期時, 復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土抗壓強度均超過基準自密實混凝土, 粉煤灰摻量為30%時, 復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的抗壓強度值達到峰值41.30 MPa, 與基準自密實混凝土相比提高了7.48%。

28 d齡期時, 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量增大均呈先增后減的趨勢。一方面， 粉煤灰粒徑較小, 能夠填充在骨料顆粒之間, 粒徑更小的硅灰顆粒能夠填充在粉煤灰顆粒和水泥顆粒之間, 粉煤灰和硅灰利用微填充效應增強了自密實混凝土的密實度, 提高了抗壓強度。另一方面， 隨著齡期增大, 粉煤灰活性逐漸發揮出來, 粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥水化析出的Ca(OH)2反應生成C-S-H和C-A-H凝膠[17], 進一步提高了自密實混凝土的抗壓強度。隨著粉煤灰摻量逐漸增大, 消耗的Ca(OH)2也相應增大, 而水泥所占比例減小使得水化析出的Ca(OH)2含量減小, 粉煤灰二次水化反應速率減緩, 從而降低了自密實混凝土的抗壓強度。

粉煤灰摻量相同時, 3、 7、 28 d齡期復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的抗壓強度均大于單摻粉煤灰自密實混凝土的抗壓強度, 一方面因為硅灰粒徑細小, 能夠填充在水泥顆粒之間, 使自密實混凝土的密實性和均勻性得到改善, 從而提高了抗壓強度; 另一方面， 硅灰具有很強的火山灰效應, 能夠與水泥水化產生的Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠物質, 改善自密實混凝土的孔結構[18], 從而提高自密實混凝土的抗壓強度。

2.3 抗折強度分析

自密實混凝土抗折強度試驗結果見圖4和表6。3 d齡期時, 隨著粉煤灰摻量增大, 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的抗折強度呈現出下降的趨勢; 抗折強度齡期為28 d時, 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土的抗折強度隨粉煤灰摻量增大均呈先增后減的趨勢， 其產生的規律和原因與抗壓強度試驗一致。

圖4 自密實混凝土抗折強度試驗結果

表6 自密實混凝土抗折強度

7 d齡期時, 復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土抗折強度與單摻粉煤灰自密實混凝土相比提高了5.12%～85.91%。由此可見, 硅灰的摻入對自密實混凝土早期強度增長有明顯的影響, 這是由于硅灰顆粒極細且具有很強的火山灰活性, 其主要成分SiO2能夠消耗水泥水化產生的Ca(OH)2生成C-S-H凝膠物質, 凝膠使顆粒間連接更加緊密, 提高了自密實混凝土的密實性和抗折強度[19]。

粉煤灰摻量為40%時, 單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土28 d齡期抗折強度均低于基準混凝土的抗折強度, 這是因為粉煤灰摻量過大導致水泥水化析出的Ca(OH)2含量減少, 粉煤灰二次水化反應條件變差, 減緩了自密實混凝土抗折強度增長速率[20]。由試驗結果可知, 粉煤灰摻量為30%的復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土實現了粉煤灰的最佳摻量, 其強度和穩定性優于其他粉煤灰摻量的單摻粉煤灰自密實混凝土和復摻粉煤灰-硅灰自密實混凝土, 在保證強度要求的同時, 為盡量增加粉煤灰利用率, 建議粉煤灰摻量為30%。

2.4 強度關系擬合

自密實混凝土抗折強度和抗壓強度的關系見圖5。數據線性函數回歸方程為fcf=-8.950 7+0.307 8fcu，R2=0.976 05。

圖5 自密實混凝土抗折強度和抗壓強度的關系

由此可見, 擬合函數和試驗結果吻合程度良好。推薦采用該式預測自密實混凝土抗折強度, 以便指導自密實混凝土的生產和施工。

3 結 論

通過粉煤灰-硅灰自密實混凝土的工作性能測試、 抗壓強度和抗折強度試驗得出以下結論:

(1)隨著粉煤灰摻量增大, 自密實混凝土流動性呈先增后減的趨勢; 硅灰的摻入可以改善單摻粉煤灰自密實混凝土的工作性能。

(2)3 d齡期時, 自密實混凝土抗壓強度、 抗折強度隨著粉煤灰摻量增大均呈逐漸下降的趨勢; 28 d齡期時, 自密實混凝土抗壓強度、 抗折強度隨粉煤灰摻量增大均呈先增后減的趨勢。

(3)粉煤灰摻量相同時, 加入4%的硅灰后可以改善自密實混凝土的工作性能、 抗壓強度和抗折強度; 粉煤灰摻量為30%, 硅灰摻量為4%時, 自密實混凝土的工作性能、 抗壓強度和抗折強度最優。

(4)粉煤灰對自密實混凝土早期強度較為不利, 對后期強度作用明顯; 硅灰對自密實混凝土早期強度作用明顯, 后期作用較為遲緩, 二者復摻可以有效解決單摻粉煤灰自密實混凝土早期強度不足的問題。

(5)基于試驗數據提出了自密實混凝土抗折強度和抗壓強度之間的函數表達式。