摻粉煤灰路緣石滑模混凝土配合比設計研究

林 杰,王玉潔,張鴻斌,張登峰

(1.錫林郭勒盟交通運輸事業發展中心,錫林浩特 026000;2.錫林浩特市公路養護中心,錫林浩特 026000; 3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

路緣石滑模混凝土施工對混凝土工作性能要求很高,主要有以下五個方面:1)高流動性,混凝土從拌和站運到施工現場,經過數小時的運輸及施工等候仍能順暢地從混凝土罐車卸到滑模機料斗中,并能滿足現場施工條件滑制成各種形狀的構件。2)黏聚性好,運到施工現場的混凝土流動良好、裹覆飽滿,振搗過程中混凝土無離析、泌水現象,具有良好的黏聚力。3)易密性,混凝土具有容易被振搗密實的能力,保證混凝土澆筑搗實后具有內實外美的效果。4)高穩定性,混凝土滑制成型的路緣石構件外形堅實、線形流暢順滑、無坍落變形,表面完整無氣孔。5)耐久性良好,滑制的混凝土構件具有足夠的強度、剛度等力學性能和耐久性能,并滿足設計文件要求的其他功能。

建設中的錫林郭勒盟某二級公路主線全長114 km,瀝青混凝土路面,路面凈寬10.5 m,路面兩側根據公路線型分別順接混凝土路緣石、護肩板、集水槽等防排水結構。項目設三個施工標段,每個標段長38～40 km,獨立設置混凝土拌和站。滑模施工混凝土采用混凝土罐車運輸,混凝土運輸及施工現場等候總耗時在2～3 h之間。為保證項目滑模混凝土工程施工質量,開展了摻粉煤灰混凝土配合比設計及施工質量控制技術等相關研究工作。

1 原材料性能與試驗

1.1 原材料性能

1)粉煤灰:采用西烏旗熱電廠干排粉煤灰。經檢測,其主要化學成分及理化性能如表1所示。

表1 試驗用粉煤灰化學成分及理化性能

表1檢測數據表明所用粉煤灰滿足GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[1]中Ⅱ級粉煤灰相關技術要求。

2)水泥:采用阿巴嘎旗冀東水泥PO42.5級普通硅酸鹽水泥,初凝時間205 min,終凝時間245 min,實測3 d抗壓強度18.1 MPa,28 d抗壓強度46.3 MPa。其他指標符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[2]相關技術要求。

3)砂:采用西烏旗五間房水洗砂,粒度范圍0～5 mm,表觀密度2.652 g/cm3,細度模數2.5,含泥量0.2%。其他指標符合GB/T14684—2022《建筑用砂》[3]技術要求。

4)碎石:采用東烏旗鑫磊采石廠安山巖,5～10 mm、10～25 mm兩檔按質量比30∶70的比例摻配組成連續級配,表觀密度2.732 g/cm3,壓碎值8.6%,含泥量0.4%,其他指標符合GB/T14685—2022《建筑用卵石、碎石》[4]技術要求。

5)水:采用當地飲用水,pH值7.1。

6)減水劑:采用西卡聚羧酸類減水劑,實測減水率β=15.6%。

1.2 配合比設計

該項目路緣石結構采用普通混凝土澆筑,依據項目設計文件、《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)[5]及《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG3420—2020)[6]等規程,結合現場施工環境,確定滑模混凝土設計主要設計控制指標為:1)強度等級C25;2)入模坍落度30～70 mm,新拌混凝土出機坍落度90～130 mm;3)混凝土延時2 h、3 h后的流動性、黏聚性、保水性滿足現場施工要求。

1.2.1 混凝土理論配合比計算

1)C25混凝土配置強度

混凝土配置強度計算公式

fcu,o=fcu,k+1.645σ

(1)

式中,fcu,o為混凝土配置強度,MPa;fcu,k為標準立方體混凝土抗壓強度值,MPa;σ為混凝土強度標準差,取5 MPa。

將C25混凝土代入式(1),計算該混凝土配置強度為fcu,o=25+1.645×5=33.225 MPa。

2)C25混凝土水膠比

混凝土水膠比計算公式

w/b=(αafb)/(αaαbfb+fcu,o)

(2)

式中,w/b為混凝土水膠比;fb為實驗室實測水泥28 d抗壓強度,該項目水泥28 d抗壓強度實測值為46.3 MPa;αa和αb為回歸系數,該項目采用安山巖碎石集料,分別取0.53和0.20;fcu,o為混凝土配置強度,采用式(1)計算結果代入式(2)計算。

將上述各參數計算值分別代入式(2)中,計算得C25混凝土水膠比為w/b=(0.53×46.3)/(0.53×0.20×46.3+33.225)=0.64。

3)C25混凝土初試配合比計算

根據JGJ 55—2011要求,通過計算并選取新拌混凝土坍落度為130 mm時用水量m′w=225 kg/m3。摻加減水率15.6%的減水劑時,根據減水率計算試驗拌合用水量。減水劑用量為膠材質量的1.5%。

計算混凝土拌合用水量m′w=225×(1-15.6%)=190 k/m3。

根據計算水膠比w/b=0.64,計算水泥用量為mc=190/0.64 =297 kg/m3。

減水劑用量為ma=297×1.5%=4.455 kg/m3。

該項目用砂為中砂偏細,根據施工經驗選定滑模混凝土砂率Sp=45%。假定混凝土拌和物密度ρ=2 400 kg/m3,計算得C25混凝土初試配合比,結果如表2所示。

表2 C25滑模混凝土初試配合比計算結果

1.2.2 摻粉煤灰C25混凝土配合比調試及性能測試結果

根據表2初試配合比計算結果,粉煤灰按照0、10%、20%、30%四個摻量,等量取代試驗用水泥,進行新拌混合料和延時2 h、3 h后的拌和物工作性能測試。混凝土坍落度、流動性、黏聚性、泌水性試驗參照GB/T50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[7]進行,混凝土抗壓強度試驗參照GB/T 50081—2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[8]進行,成型 100 mm×100 mm×100 mm試塊,標準養護,檢測混凝土7 d、28 d抗壓強度。坍落度、黏聚性、流動性、泌水性、強度性能試驗結果如表3～表6所示。

表3 摻粉煤灰C25滑模混凝土配合比及材料用量

1.3 試驗結果分析

1.3.1 對混凝土工作性能的影響

從表4、表5可以看出:1)不摻粉煤灰時,混凝土拌合物坍落度衰減迅速且伴有輕微泌水現象。延遲2 h時坍落度幾乎減半,延遲3 h時坍落度衰減80%,流動性喪失,混凝土拌合物已不具備滑模施工條件。2)隨著粉煤灰的加入,當粉煤灰等量取代10%～30%的水泥時,新拌混凝土坍落度呈上升趨勢,但泌水現象消失,延遲2 h、3 h坍落度損失逐漸減小,混凝土保坍性顯著提高。粉煤灰摻量20%時,拌合物黏聚性、流動性等效果最佳,滿足現場施工條件。這種情況得益于粉煤灰的形態效應,即粉煤灰是由大小不等的球狀玻璃體組成,其表面光滑致密,在混凝土拌合物中起潤滑作用。同時,粉煤灰顆粒粒徑比水泥顆粒粒徑小,粉煤灰微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中,阻止了水泥顆粒粘聚,使滯留于水泥顆粒之間的部分拌和水釋放出來,極大地改善了混凝土拌合物的坍落度與施工和易性[9]。

表4 摻粉煤灰C25滑模混凝土拌合物和易性試驗結果

表5 摻粉煤灰C25滑模混凝土拌合物坍落度試驗結果

1.3.2 對混凝土強度的影響

從表6抗壓強度試驗結果可以看出,隨著粉煤灰取代量的增加,混凝土7 d抗壓強度逐漸降低,取代量為30%時,抗壓強度比初始配合比降低18.4%。但28 d抗壓強度卻逐漸增加,并在20%取代量時,抗壓強度增加最大,抗壓強度比初始配合比增加16.6%。在取代量30%時,抗壓強度仍較初始配合比和10%的取代量時的強度高,但增加趨勢已經逐漸放緩。這是由于粉煤灰替代水泥摻入,減少了水泥用量,導致一次水化產物減少,使得混凝土強度增長減緩,因此粉煤灰的摻入降低了混凝土的早期強度。但粉煤灰的火山灰活性使得混凝土中具有火山灰反應,反應生成的水化硅酸鈣具有良好的膠凝性能。同時,粉煤灰還具有微集料效應,粉煤灰細度較細,可以很好地填充混凝土中的微小空隙,從而提高混凝土的密實性。粉煤灰的各種特性協同效應,使混凝土的后期強度增加[10],但20%的取代量時強度增加最大。

表6 摻粉煤灰C25滑模混凝土抗壓強度試驗結果

綜上所述,根據試驗結果確定該項目滑模混凝土中粉煤灰取代20%水泥。混凝土中各材料用量為:水泥237.6 kg/m3,粉煤灰59.4 kg/m3、水190 kg/m3、砂子860 kg/m3、5～10 mm碎石316 kg/m3、10～25 mm碎石737 kg/m3、減水劑4.455 kg/m3。

2 結 論

a.不同摻量粉煤灰對混凝土拌合物工作性能改善效果表明,在混凝土中摻入10%～30%的粉煤灰,可促進混凝土流動性、黏聚性、密實性和泌水性向高水平發展,對延長混凝土有效施工時間作用明顯。

b.粉煤灰的形態效應和微集料效應協同作用,延長了混凝土結構的有效施工時間,雖然構件早期強度略有降低,但是對混凝土的后期強度增長促進作用明顯,在20%取代量時,28 d抗壓強度可比初始配合比增加16.6%。

c.粉煤灰是電廠企業生產的副廠品,具有極高的再利用價值。在混凝土工程中摻加10%～30%粉煤灰等量取代水泥,改善混凝土性能的同時,解決粉煤灰工業廢棄料排放超標問題,提高混凝土材料經濟價值與環保價值,對施工企業降本增效,建設單位節能環保等方面意義重大,極具推廣價值。