微珠對低溫自密實(shí)混凝土性能的影響

王浩 譚鹽賓 楊魯 鄭永杰 吳俊杰 付志勇 李林香

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

自密實(shí)混凝土是一種高流動性且穩(wěn)定的混凝土，在沒有振搗的情況下可以穿越密集鋼筋，能在模板中填充成型且不離析［1］。學(xué)者們［2-3］系統(tǒng)研究了水膠比、膠凝材料種類、骨料、外加劑等因素對自密實(shí)混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影響。自密實(shí)混凝土冬季施工時(shí)，由于拌和物溫度較低，水泥顆粒表面減水劑的吸附量減少從而影響其分散性能［4-5］。宏觀上表現(xiàn)為自密實(shí)混凝土較黏，不利于澆筑。在自密實(shí)混凝土中摻加1.5%的微珠T500能縮短64%，降低混凝土黏度［6］。將超細(xì)粉煤灰摻入超高性能混凝土中，不僅可以降低新拌砂漿屈服應(yīng)力和塑性黏度，還可改善硬化混凝土密實(shí)度［7］。降低親水親油平衡值（HLB值）的聚羧酸減水劑摻入混凝土中亦可有效降低混凝土黏度［8］。

微珠是將優(yōu)質(zhì)粉煤灰經(jīng)工藝精選、加工而成的超細(xì)且具有連續(xù)級配的一種亞微米級球狀粉體，能有效改善混凝土的和易性，減少單方混凝土用水量。此外，摻入微珠方便且成本低廉，適用于各種強(qiáng)度等級混凝土。本文以新拌混凝土溫度和養(yǎng)護(hù)溫度均為20℃時(shí)未摻加微珠的自密實(shí)混凝土作為基準(zhǔn)組，研究漿體溫度和養(yǎng)護(hù)溫度均為5℃時(shí)，微珠摻量對混凝土工作性能、塑性黏度、力學(xué)性能和耐久性能的影響，對自密實(shí)混凝土冬季施工有一定指導(dǎo)作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

水泥為北京金隅北水環(huán)保科技有限公司P·O 42.5級水泥，礦粉為靈壽縣寧博礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的S95級磨細(xì)礦渣粉，微珠由天津志成新材料科技有限公司生產(chǎn)，砂為細(xì)度模數(shù)2.4的河砂，石子為5～16 mm的碎石，減水劑與增黏劑均為自制。不同膠凝材料的粒徑分布見圖1，微珠的化學(xué)組成見表1。

圖1 不同膠凝材料的粒徑分布

表1 微珠的化學(xué)組成 %

1.2 混凝土配合比

混凝土強(qiáng)度等級為C40，控制混凝土坍落擴(kuò)展度在640～670 mm，含氣量為6%～7%。具體配合比見表2。其中：H0表示高溫（20℃）時(shí)不摻微珠混凝土，L2.5表示低溫（5℃）時(shí)摻入微珠混凝土，微珠摻量占膠凝材料總量的2.5%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗(yàn)

2.1 掃描電鏡測試

采用德國ZEISS公司生產(chǎn)的Merlin場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）測試微珠顆粒的微觀形貌。

2.2 新拌混凝土工作性能測試

新拌混凝土工作性能指標(biāo)包括坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間T500（自坍落度桶提起至自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度達(dá)到500 mm的時(shí)間）、含氣量和V形漏斗流出時(shí)間。其中：新拌混凝土坍落擴(kuò)展度和T500按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》中要求測試；含氣量和V形漏斗流出時(shí)間按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中要求測試。

2.3 新拌混凝土流變參數(shù)測試

將新拌混凝土裝入流變儀測試桶中，靜置60 s。以轉(zhuǎn)速為控制變量，首先以最高轉(zhuǎn)速0.5 r/s加載20 s；設(shè)置10個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)間隔5 s，轉(zhuǎn)速等量遞減；持續(xù)加載，最終轉(zhuǎn)速為0.05 r/s。對測得的流動曲線進(jìn)行擬合，得到扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即

式中：TO為扭矩，N·m；N為轉(zhuǎn)速，r/s；Y為與屈服應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)，N·m；V為與塑性黏度有關(guān)的常數(shù)，N·m·s。

基于Reiner-Riwlin公式［式（2）］［9］，以扭矩為橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)繪制扭矩-轉(zhuǎn)速圖。斜率與塑性黏度、圓筒的高度和半徑相關(guān)，而截距與屈服應(yīng)力、黏度和圓筒半徑相關(guān)。由此可計(jì)算新拌混凝土的流變參數(shù)，即屈服應(yīng)力和塑性黏度。

式中：h為葉片高度，取0.127 m；μ為塑性黏度，Pa·s；R1、R2分別為葉片和圓筒的半徑，分別取0.064 m和0.286 m；τ0為屈服應(yīng)力，Pa。

2.4 硬化混凝土力學(xué)性能和耐久性能測試

硬化混凝土抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試，硬化混凝土電通量和抗凍性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試。抗壓強(qiáng)度測試齡期為3、7、28、56 d，電通量測試齡期為28、56 d，抗凍性能測試齡期為56 d。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

微珠的微觀形貌見圖2。可見：微珠含有大小不一的球形顆粒，將微珠摻入膠凝材料體系中可以起到滾珠或軸承作用，有效減少顆粒間的摩擦阻力，降低漿體黏度，提高新拌混凝土的工作性能。

圖2 微珠的微觀形貌

3.2 微珠摻量對混凝土工作性能指標(biāo)和塑性黏度的影響

混凝土工作性能指標(biāo)和塑性黏度測試結(jié)果見表3。

表3 混凝土工作性能指標(biāo)和塑性黏度測試結(jié)果

由表3可知：

1）隨著新拌混凝土溫度降低，減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時(shí)間和塑性黏度均增加，而混凝土含氣量有所降低。原因是：混凝土溫度的降低不僅減緩了水泥水化速率，還降低了聚羧酸減水劑對水泥顆粒的吸附能力。聚羧酸減水劑與水泥顆粒的吸附-分散機(jī)理主要為靜電斥力作用和空間位阻作用［10］。通常減水劑分子首先吸附于C3A和C4AF（圖3［11］），由于水化速率降低，生成的水化產(chǎn)物減少，水泥顆粒吸附減水劑分子的數(shù)量減少，分散能力下降；聚羧酸減水劑的長側(cè)鏈游離于液相體系中發(fā)揮空間位阻作用，增加了水泥顆粒的分散穩(wěn)定性［12-13］。溫度降低使長側(cè)鏈發(fā)生蜷曲的概率增加，造成空間位阻作用減弱，分散能力受限。

圖3 水化水泥顆粒橫截面

2）新拌混凝土溫度為5℃時(shí)隨著微珠摻量增加，減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時(shí)間和塑性黏度逐漸降低，而混凝土含氣量略有增加。微珠摻量10%時(shí)低溫混凝土（5℃）的工作性能與常溫混凝土（20℃）相差不大。這是因?yàn)槲⒅榈膿饺肽懿糠痔鎿Q原空隙中的拌和水，使之轉(zhuǎn)化為自由水，增加了包裹骨料漿體膜厚度，加之微珠光滑球形結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，有效降低新拌混凝土漿體黏度，使得其工作性能得到改善。

3.3 微珠摻量對硬化混凝土抗壓強(qiáng)度和電通量的影響

硬化混凝土抗壓強(qiáng)度和電通量測試結(jié)果見表4。可知：①養(yǎng)護(hù)溫度20℃時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于5℃時(shí)，混凝土中未摻入微珠時(shí)，前者56 d混凝土抗壓強(qiáng)度比后者高9.8%。②養(yǎng)護(hù)溫度5℃時(shí)，隨著微珠摻量增加，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度顯著降低，而56 d抗壓強(qiáng)度變化不大。③養(yǎng)護(hù)溫度從20℃降至5℃，未摻微珠混凝土28 d時(shí)電通量明顯增加，但56 d時(shí)相差不大。④養(yǎng)護(hù)溫度5℃時(shí)，混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大，但56 d電通量增幅不大，表明微珠不同摻量下56 d時(shí)混凝土密實(shí)度相差不大。原因是：在水化初期微珠與拌和水不發(fā)生水化反應(yīng)，影響了硬化水泥石早期強(qiáng)度；隨著水泥水化，微珠中無定型SiO2與水化產(chǎn)物CH發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠，可填充水泥石毛細(xì)孔隙，增加水泥石強(qiáng)度和密實(shí)度。

表4 硬化混凝土抗壓強(qiáng)度和電通量測試結(jié)果

4 結(jié)論

1）隨著新拌混凝土溫度降低，減水劑用量、T500、V形漏斗流出時(shí)間以及塑性黏度均增加，即新拌混凝土工作性能顯著降低。

2）新拌混凝土溫度為5℃時(shí)，隨著微珠摻量增加，減水劑用量逐漸減少，混凝土塑性黏度顯著降低。微珠摻量10%時(shí)低溫（5℃）混凝土工作性能與常溫（20℃）相差不大。

3）當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度降至5℃時(shí)，未摻微珠混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低，而電通量增加。硬化混凝土早期（3 d）抗壓強(qiáng)度隨著微珠摻量增加而顯著降低，混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大，但56 d電通量增幅不大。