早強碾壓混凝土性能試驗研究

張守杰，劉雨時，劉 鵬，熊復(fù)慧

（1．黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150080；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150006）

碾壓混凝土是一種單位用水量很少，塌落度為零的超干硬性混凝土，被廣泛應(yīng)用于大體積混凝土工程［1］。大壩是典型的大體積混凝土工程，利用高效振動碾對水泥含量較低的混凝土進行分層碾壓制成的碾壓混凝土被大量應(yīng)用在大壩工程中，以此方式筑成的大壩稱為碾壓混凝土壩［2］。寒冷地區(qū)，秋末冬初，為了避免碾壓混凝土早期凍害，需要盡量縮短施工期，提前讓大壩投入使用，因此，提高碾壓混凝土的早期強度對實際工程是有益的。硫鋁酸鹽水泥因為它的早強、高強、高抗凍性，及良好耐蝕性等特點在搶修工程和冬季施工中得以大量應(yīng)用［3－4］。硫鋁酸鹽水泥用于寒冷地區(qū)筑壩工程的碾壓混凝土很少見于報道。本文基于硫鋁酸鹽水泥的優(yōu)良性能，利用硫鋁酸鹽水泥配置碾壓混凝土，用于大壩工程，以此來提高碾壓混凝土壩的早期強度。

為達到碾壓混凝土的工作性，其膠凝材料用量要高于一定量，然而，用量大造價高，水化熱還大。為了降低工程造價，降低水化熱，本文采取外加劑和粉煤灰共同作用，提高碾壓混凝土的早期強度。為了避免水化熱集中、后期強度倒縮的問題，引入粉煤灰改善碾壓混凝土的性能，研究高效減水劑和早強劑對碾壓混凝土早期強度的影響，分析硫鋁酸鹽水泥制備的碾壓混凝土后期強度、收縮性能及抗凍性。

1 原材料及試驗方法

1．1 原材料

硫鋁酸鹽水泥（CSA）為河北省唐山市北極熊水泥廠生產(chǎn)的42．5級硫鋁酸鹽水泥，物理性質(zhì)如表1；粉煤灰為哈爾濱發(fā)電廠的Ⅰ級粉煤灰，物理性質(zhì)見表2；砂為細(xì)度模數(shù)2．7的中砂，按GB／T 14684－2011《建筑用砂》規(guī)定方法測定砂的技術(shù)指標(biāo)如表3；碎石為粒徑5～25mm的連續(xù)級配，按GB／T 14685－2011《建設(shè)用卵石、碎石》規(guī)定方法測定碎石的技術(shù)指標(biāo)如表4；高效減水劑為沈陽眾邦公司生產(chǎn)的UNF萘系高效減水劑，萘系高效減水劑性能指標(biāo)如表5。早強劑為亞硝酸鈉。

表1 硫鋁酸鹽水泥物理性質(zhì)

表2 粉煤灰物理性質(zhì)

表3 砂的技術(shù)指標(biāo)

表4 碎石的技術(shù)指標(biāo)

表5 萘系高效減水劑性能指標(biāo)

1．2 硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土配合比設(shè)計

粉煤灰取代硫鋁酸鹽水泥（CSA）的比例為10%，30%和50%，配合比如表6中A、B、C所示。加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉的硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土的配合比如表6中D、E、F所示。摻加外加劑的普通硅酸鹽水泥混凝土的配合比如表6中G所示。

表6 混凝土配合比設(shè)計 kg·m－3

1．3 試驗方法

（1）抗壓和抗折強度的測定

根據(jù)《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》（DL／T 5433－2009）規(guī)定，制作150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）養(yǎng)護到28d，所測得的抗壓強度值為混凝土立方體抗壓強度?？拐蹚姸仁且?00mm×100mm×400mm的梁形試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下達到規(guī)定齡期后（28d），利用簡支梁三分點加荷法測定的碾壓混凝土的抗折強度。

（2）干燥收縮

參照《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》（DL／T 5433－2009）進行試驗。采用100mm×100mm×400mm梁式試件，監(jiān)測其1d、3d、7d、14d和28d收縮情況。

2 結(jié)果與分析

2．1 粉煤灰摻量對混凝土抗壓、抗折強度的影響

碾壓混凝土抗壓、抗折強度隨齡期12h、1d、3d、7d、28d的變化規(guī)律如圖1、圖2所示。粉煤灰的摻量為10%，30%和50%時，硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土28d抗壓強度從56．86MPa降至24．69MPa，28 d抗折強度從6．74MPa降至3．78MPa。

圖1 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

圖2 粉煤灰摻量對抗折強度的影響

由圖1可知，碾壓混凝土的抗壓強度隨著齡期增長而增大。隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土的抗壓強度逐漸降低。對于早期強度，當(dāng)摻入10%、30%的粉煤灰（A、B組），12h混凝土的抗壓強度達到了15MPa、12．6MPa，A、B兩組1d的抗壓強度都已達到25MPa以上，能夠很好滿足工程對早期強度的要求。只有摻入50%粉煤灰的C組，由于粉煤灰摻入過多導(dǎo)致強度不高，12h抗壓強度僅為3．9MPa，1d強度也只有10MPa左右，28d時不同摻量粉煤灰混凝土的抗壓強度都已達到24MPa以上。因此，通過調(diào)控粉煤灰的摻入比例可以獲得不同強度等級的碾壓混凝土。

摻粉煤灰的碾壓混凝土抗折強度的發(fā)展規(guī)律也與抗壓強度類似，試驗結(jié)果如圖2。碾壓混凝土的抗折強度隨著齡期增長而增大，隨著粉煤灰摻量的增加，碾壓混凝土的抗折強度下降，粉煤灰摻量從10%增加到30%，碾壓混凝土的抗折強度變化不大。A試驗加入10%粉煤灰與B試驗加入30%粉煤灰的抗折強度很接近，1d抗折強度都在4MPa左右。而加入50%粉煤灰的C試驗相對來說抗折強度要差很多。后期強度增長也不大，最終強度也只有3．5MPa左右。

2．2 外加劑對抗壓、抗折強度的影響

配合比設(shè)計如表6中A－F所示。試驗結(jié)果如圖3所示。加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉早強劑后，硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土的抗壓強度普遍提高。

圖3 外加劑對抗壓強度的影響

由圖3可知，加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉早強劑后碾壓混凝土的早期抗壓強度有明顯提高，但對最終抗壓強度沒有影響，A、D和E試驗滿足12h強度達到15MPa的要求，其余3組并沒有滿足要求。F試驗的12h抗壓強度也達到了11MPa，說明外加劑效果很明顯。

加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉早強劑后碾壓混凝土的抗折強度，如圖4。

由試驗數(shù)據(jù)和圖形可以看出，加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉早強劑后碾壓混凝土的抗折強度也有一定提高，但沒有抗壓強度那么明顯，但10%摻量粉煤灰和30%摻量粉煤灰的碾壓混凝土依然差距不大。F試驗的1d抗折強度依然沒有達到3MPa，粉煤灰依然對抗折強度影響很大。

2．3 普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥混凝土強度對比

綜合以上6組實驗分析，E試驗加入30%粉煤灰，加入1%萘系高效減水劑和2%亞硝酸鈉早強劑的配合比的試驗結(jié)果最佳，水泥摻量不高，同時12h強度也滿足要求。E組與普通硅酸鹽水泥G組對比分析，試驗結(jié)果如圖5所示硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土比普通硅酸鹽水泥混凝土早期抗壓強度高很多，12h強度提高3955%，1d強度提高477%，28d強度提高64%。

由圖5可知，普通硅酸鹽水泥明顯達不到要求，早期強度太差，離工程要求強度相差甚遠，最終強度也比硫鋁酸鹽水泥低很多。實驗預(yù)期目標(biāo)是要使12h的抗壓強度達到15MPa，普通硅酸鹽水泥的早期抗壓強度與目標(biāo)相差太遠。普通硅酸鹽水泥3d的抗壓強度也沒有達到15MPa，遠遠不能實現(xiàn)12h的抗壓強度達到15MPa的要求。

圖4 外加劑對抗折強度的影響

圖5 普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥混凝土強度對比

2．4 干燥收縮

碾壓混凝土配合比同表6中A－F所示。對試塊1d、3d、7d、14d和28d干縮情況進行了監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 碾壓混凝土的收縮

由圖6可知，隨著混凝土中硫鋁酸鹽水泥的摻量減少，粉煤灰含量增加，碾壓混凝土的收縮數(shù)值會變小，加入外加劑對碾壓混凝土的收縮數(shù)值影響并不大，所以粉煤灰對減少收縮變形也有一定程度的幫助。劉數(shù)華等［5］研究混凝土干縮得出，未摻加外加劑和摻合料的普通混凝土28d干縮應(yīng)變?yōu)?88×10－6，由此可知，以上6組配合比試驗的收縮值均不大，滿足工程要求。

3 結(jié) 論

（1）粉煤灰取代硫鋁酸鹽水泥的比例為10%，30%，50%，硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土28d抗壓強度從56．86MPa降至24．69MPa，28d抗折強度從6．74MPa降至3．78MPa，仍可滿足工程用不同強度等級碾壓混凝土的要求。

（2）硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土比普通硅酸鹽水泥混凝土早期抗壓強度高很多，12h強度提高3955%，1d強度提高477%，28d強度提高64%。

（3）加入萘系高效減水劑和亞硝酸鈉早強劑后碾壓混凝土的早期抗壓強度有明顯提高，但對最終抗壓強度沒有影響。

（4）粉煤灰和外加劑的摻入，對混凝土的收縮影響不大。其中粉煤灰對硫鋁酸鹽水泥碾壓混凝土干縮還有一定程度的改善。

［1］柯昌君，楊國忠，董祥等．建筑與裝飾材料［M］．鄭州：黃河水利出版社，2006．

［2］農(nóng)海燕．碾壓混凝土壩［J］．大眾科技，2010（5）：60－61．

［3］王燕謀，蘇幕珍，張量．硫鋁酸鹽水泥［M］．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999．

［4］李啟棣，吳淑華．硫鋁酸鹽水泥混凝土的特性與應(yīng)用［M］．北京：中國鐵道出版社，1989．

［5］劉數(shù)華，方坤河，趙永巧，等．混凝土的干縮研究［J］．大壩與安全，2005（4）：55－57．