摻火山灰碾壓混凝土的耐久性研究*

左俊卿

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080 2. 上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

0 引言

近年來，一些路、橋、壩等混凝土構(gòu)筑物因環(huán)境變化、材質(zhì)劣化等因素而致使其性能失效，導(dǎo)致構(gòu)架倒塌、沉陷等事故時(shí)有發(fā)生。一些大型工程，未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限便老損退化，對(duì)老損建筑物的修繕補(bǔ)救工作達(dá)到高峰，人力、物力、財(cái)力損失重大。考慮到混凝土的耐久性是其長期性能的最重要部分，世界各國都對(duì)混凝土耐久性進(jìn)行了大量的研究，以期不斷提高混凝土的耐久性，延長工程使用壽命，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和良好的服務(wù)安全性[1-3]。

碾壓混凝土（Roller Compacted Concrete，簡稱RCC）是一種通過振動(dòng)碾壓工藝而達(dá)到高密實(shí)度、高強(qiáng)度的水泥混凝土（或?yàn)r青混凝土）。碾壓混凝土可以使用攪拌設(shè)備進(jìn)行拌和，用傳統(tǒng)的施工設(shè)備進(jìn)行運(yùn)裝、鋪筑、壓實(shí)，硬化后的性能也與傳統(tǒng)方式澆筑成型的常規(guī)混凝土基本相同。因此，碾壓混凝土的施工工序簡單、機(jī)械化使用效率高、工程周期短，同時(shí)，它還具備常規(guī)混凝土的強(qiáng)度和耐久性的優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)大體積混凝土工程對(duì)碾壓混凝土耐久性要求的實(shí)際情況，對(duì)C10、C15、C20碾壓混凝土進(jìn)行了抗?jié)B、抗凍性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)原材料及試件制備

試驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5水泥，摻合料為火山灰及磨細(xì)磷礦渣，試驗(yàn)細(xì)骨料為天然砂，粗骨料為天然河卵石，試驗(yàn)用水為飲用水，外加劑為瑞沃HC-3緩凝高效減水劑和HC-9引氣劑，試件配比見表1。配合比編號(hào)中的大寫字母“A”表示強(qiáng)度等級(jí)為C10，“B”表示強(qiáng)度等級(jí)為C15，“C”表示強(qiáng)度等級(jí)為C20；大寫字母后的數(shù)字“1”表示為單摻天然火山灰，“2”表示為雙摻火山灰和磷礦渣；“-數(shù)字”為試驗(yàn)配合比編號(hào)。試驗(yàn)前采用HITACHI-3400N型掃描電子顯微鏡測試摻合料微觀形貌。試驗(yàn)混凝土拌和采用機(jī)械攪拌，設(shè)計(jì)VC值5～7 s。試件成型24 h后拆模，并將試件放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度22 ℃±3 ℃，相對(duì)濕度≥90%）養(yǎng)護(hù)至90 d齡期。

表1 碾壓混凝土的試驗(yàn)配合比

1.2 試驗(yàn)方法及測試

本試驗(yàn)根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352—2006）中“碾壓混凝土抗?jié)B試驗(yàn)”進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用HS-40X型混凝土滲透儀。試驗(yàn)過程中，應(yīng)控制好裝模時(shí)的壓力，以免試件被壓壞，對(duì)于2個(gè)抗?jié)B面要用毛刷將表面的1層水泥漿體薄膜刷毛。同時(shí)，要注意在試驗(yàn)前期往備水箱加水，以保證滲透壓力的遞增。試驗(yàn)分別將C10、C15各組試件加壓到0.90 MPa，C20各組試件加壓到1.10 MPa，此時(shí)，觀察所有試件抗?jié)B表面均未出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象，停止試驗(yàn)。對(duì)抗?jié)B試件進(jìn)行劈拉，將其劈開測試各試件的滲水高度，最終混凝土抗?jié)B性能以抗?jié)B等級(jí)和滲水高度來綜合評(píng)價(jià)。

碾壓混凝土抗凍性能試驗(yàn)主要根據(jù)工程的設(shè)計(jì)抗凍要求，對(duì)C10、C15、C20碾壓混凝土進(jìn)行90 d抗凍性能試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006中“碾壓混凝土抗凍試驗(yàn)”進(jìn)行，采用快凍法。

試驗(yàn)過程中，當(dāng)達(dá)到下列3種情況之一時(shí)，即可停止試驗(yàn)：

1）已達(dá)到300次循環(huán)；

2）相對(duì)動(dòng)彈模量下降到60%以下；

3）質(zhì)量損失率達(dá)5%。

由于本次試驗(yàn)的C10、C15試件只進(jìn)行100次循環(huán)，而C20試件進(jìn)行150次循環(huán)，因此，試驗(yàn)主要參照后2個(gè)條件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，滿足其中任意1條，則停止試驗(yàn)，并認(rèn)為混凝土已經(jīng)凍壞，記錄下對(duì)應(yīng)的抗凍循環(huán)次數(shù)?；炷猎嚰南鄬?duì)動(dòng)彈模量可按下式（1）計(jì)算：

式中：P——經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，%；

fn——n次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻，Hz；

f0——凍融循環(huán)試驗(yàn)前測得的試件橫向基頻初始值，Hz。

混凝土試件凍融后的質(zhì)量損失率應(yīng)該按下式（2）計(jì)算：

式中：ΔWn——n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率，%；

G0——凍融循環(huán)試驗(yàn)前的試件質(zhì)量，kg；

Gn——n次凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量，kg。

混凝土耐快速凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)以同時(shí)滿足相對(duì)動(dòng)彈模量值不小于60%和質(zhì)量損失率不超過5%時(shí)的最大循環(huán)次數(shù)來表示。

混凝土耐久性系數(shù)應(yīng)按下式（3）計(jì)算：

式中：Kn——混凝土耐久系數(shù)；

N——達(dá)到規(guī)定要求時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)；

P——經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，%。

因頻率為周期的倒數(shù)，故在本試驗(yàn)中，可以將相對(duì)動(dòng)彈模量的計(jì)算公式作如下變形，方便計(jì)算：

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摻合料微觀形貌

火山灰質(zhì)摻合料不但能改善新拌水泥基材料的性能，且能改善其硬化水泥基材料的性能。而在這一系列的作用過程中，火山灰質(zhì)材料的形貌效應(yīng)則主要針對(duì)新拌水泥基材料的流動(dòng)性及硬化后基材料的強(qiáng)度起影響。傳統(tǒng)的摻合料粉煤灰的球形形貌具有助滑減水作用，而礦渣的表層光滑致密玻璃體狀外觀則不利于其減水，甚至影響到其拌合物的和易性。圖1（a）為試驗(yàn)所用磷礦渣的SEM圖像，其外貌光滑致密，具玻璃體狀外觀，顆粒棱角分明[4,5]。

相比于粉煤灰和磷礦渣的外貌特征，天然火山灰沒有粉煤灰那樣的球形圓滑外貌，也沒有磷礦渣棱角分明的光滑外貌特點(diǎn)，它的外貌介于二者之間，呈現(xiàn)為大量的不規(guī)則體，外觀粗糙，較多的棱角，大多為玻璃體狀，具有較大的不等度性。如圖1（b）所示，因?yàn)樘烊换鹕交叶嗍怯苫鹕绞?jīng)粉磨生產(chǎn)工藝加工而得，故而其顆粒表面存在著一定量的微屑，有些微屑沒有脫離母體，附著在顆粒表面，使得母體表面外觀參差不齊，有的棱角較為分明，有的則較為圓滑，基本沒有棱角。

2.2 混凝土抗?jié)B性能

表2所示為各組碾壓混凝土試件抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 摻合料微觀形貌對(duì)比

表2 C10、C15和C20碾壓混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)分析可知：

1）C10、C15各組試件的抗?jié)B等級(jí)均大于W8，C20組試件的抗?jié)B等級(jí)大于W10，說明各組配合比碾壓混凝土的抗?jié)B等級(jí)均能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

2）比較C10、C15和C20碾壓混凝土的抗?jié)B性能，明顯可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其抗?jié)B性能也得到一定的改善。研究表明，硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)是影響其抗?jié)B性能的重要因素，其孔隙主要由凝膠孔、毛細(xì)孔和大孔3部分組成。相比而言，凝膠孔的孔徑要比其他2種小得多，且多為封閉孔，故對(duì)滲透性影響不大，有時(shí)也稱之為無害孔，而毛細(xì)孔和大孔則是水遷徙的主要通道，是造成混凝土滲水的主要原因。水膠比的降低能有效地減少這2種孔的數(shù)量，同時(shí)會(huì)使水泥漿基體和骨料之間的過渡區(qū)黏結(jié)地更加密實(shí)，所以能顯著地提高混凝土的抗?jié)B性能，這在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為水膠比較小的，其抗?jié)B性能也較優(yōu)。

3）對(duì)C10、C15、C20各組單摻料和雙摻料的抗?jié)B性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雙摻料的抗?jié)B性能都要稍好于單摻料的，但二者相差不是很明顯，可見，雙摻料的顆粒級(jí)配以及填充密實(shí)性能都要好于單摻料的，而單摻料的抗?jié)B等級(jí)也能滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求值。

2.3 混凝土抗凍性能

表3所示為混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。

表3 混凝土抗凍試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可以看出，各組試件的最終動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失率均較小，C10、C15的質(zhì)量損失率均不超過2%，C20的動(dòng)彈模量損失不超過50%，質(zhì)量損失不超過2.50%?？梢?，各強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土均具有較好的抗凍性能，能夠滿足工程設(shè)計(jì)提出的C10、C15要求F50，C20要求F100的抗凍等級(jí)要求。碾壓混凝土的抗凍性能可隨著火山灰的摻入而提高，究其原因，主要是摻加火山灰后改善了混凝土的引氣量和水泥的水化程度?；鹕交一炷恋目箖鲂阅芨哂谄胀ɑ炷恋模⑶译S著磷礦渣、膠凝材料總用量的增加，碾壓混凝土抗凍性能提高效果更為明顯[6-8]。

3 結(jié)語

從耐久性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻火山灰碾壓混凝土抗?jié)B、抗凍性能在規(guī)定齡期的等級(jí)均能滿足設(shè)計(jì)的要求，且有所富余。在抗?jié)B性能方面，各試件在達(dá)到規(guī)定的抗?jié)B壓力情況下，其抗?jié)B深度平均值都不超過80 mm，C10、C15混凝土抗?jié)B等級(jí)大于W8，C20混凝土則超過W10；180 d抗凍性能試驗(yàn)的各試件質(zhì)量、動(dòng)彈模量損失值均較小，分別不超過3%、50%，C10、C15抗凍等級(jí)達(dá)到F75，C20抗凍等級(jí)達(dá)到F150。