高性能早強(qiáng)自密實(shí)砼長期力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周明霞，劉鵬峰

（1.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局303大隊(duì)，湖南長沙 410119；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410012）

高性能早強(qiáng)自密實(shí)砼長期力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周明霞1，2，劉鵬峰1

（1.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局303大隊(duì)，湖南長沙 410119；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410012）

采用由不同組分組成的復(fù)合外加劑及具有良好使用性能的復(fù)合摻合料，對高性能早強(qiáng)自密實(shí)砼（SCC）的配合比進(jìn)行優(yōu)化比選，以發(fā)揮復(fù)合外加劑和摻合材料各自的改性作用，達(dá)到增加SCC強(qiáng)度和改善其耐久性的目的；考慮兩種不同超細(xì)粉煤灰摻量的配合比，通過抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和氯離子滲透試驗(yàn)對高性能SCC的長期力學(xué)性能及變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明適當(dāng)增加SCC礦物摻合料摻量雖然會對其早期強(qiáng)度稍有影響，但能有效提高砼的后期強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗碳化性能，在確保SCC具有良好流動性的同時(shí)保證其耐久性能。

公路；自密實(shí)砼（SCC）；復(fù)合摻合料；力學(xué)性能

自密實(shí)砼（SCC）是一種流動性能極佳的混合物，能在自身重量下達(dá)到自流平、自密實(shí)的填充和澆筑效果。SCC的高度流體性質(zhì)使其能很好地適應(yīng)困難的施工條件，拓寬應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果，并提高砼灌注的密實(shí)度和均勻性，減小砼由于澆筑和振搗問題而造成的先天缺陷，從而改善砼構(gòu)件的力學(xué)性能和耐久性能。SCC的使用可減少施工技術(shù)人員由于砼施工時(shí)振動噪音而引起的聽力損害，還可大大減小澆筑大體積砼構(gòu)件和泵送砼構(gòu)件所需時(shí)間，顯著提高施工效率。

目前，關(guān)于SCC物理力學(xué)性能的研究集中在其流變性能和工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性等方面，對其長期性能和耐久性能的研究相對較少。隨著SCC的廣泛應(yīng)用，其長期性能，尤其是與其材料特性和長期工作環(huán)境相關(guān)的關(guān)鍵力學(xué)性能逐漸受到關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)。

1 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用P.O42.5水泥，骨料為碎石和河砂，其基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1和表2。采用由高效減水劑、早強(qiáng)劑和粉煤灰超細(xì)粉組合而成的復(fù)合摻合料（UFAC），其比表面積為500～600 m2／kg。

為了使SCC具有超早強(qiáng)的性能，選擇工程建設(shè)中常用的A、B和C 3種早強(qiáng)劑，分析早強(qiáng)劑對SCC流動性和力學(xué)性能的影響，以便優(yōu)選滿足自密實(shí)、超早強(qiáng)目標(biāo)的早強(qiáng)劑。試驗(yàn)采用膠砂進(jìn)行，共考慮8種配合比（見表3）。不同早強(qiáng)劑及其摻量下膠砂的流動度和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表1 水泥的基本性能指標(biāo)

從圖1可看出：隨著早強(qiáng)劑A的摻入，膠砂的流動度呈下降趨勢，當(dāng)早強(qiáng)劑A的摻量為1%時(shí)，流動度下降4.8%，1和2 d抗折強(qiáng)度分別提高16.1%、22.8%；當(dāng)摻量增至2%時(shí)，流動度下降10.9%，1和2 d抗折強(qiáng)度分別提高17.7%、23.6%。而早強(qiáng)劑B的摻入對1和2 d強(qiáng)度的影響較??；早強(qiáng)劑C的摻入對強(qiáng)度的改善也非常有效。因此，選擇早強(qiáng)劑A進(jìn)行SCC長期力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)研究。

表2 骨料的基本性能指標(biāo)

表3 SCC膠砂的配合比kg／m3

圖1 早強(qiáng)劑對SCC膠砂性能的影響

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，選取兩組較好的配合比（見表4）進(jìn)行SCC基本物理力學(xué)性能試驗(yàn)和長期性能試驗(yàn)。進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，保持膠凝材料總量（水泥+UFAC）、單位用水量和砂率不變。試驗(yàn)時(shí)，考慮30%和20%兩種摻合料摻量，對3、28、56、90和130 d養(yǎng)護(hù)齡期SCC的基本力學(xué)性能和長期力學(xué)性能進(jìn)行測試與分析，討論水膠比和摻合料摻量對SCC長期力學(xué)性能的影響。

表4 高性能早強(qiáng)SCC配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

SCC抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化見圖2。由圖2可看出：SCC的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而逐漸增長，7～28 d增長迅速，隨后增長速度逐漸減緩。G1和G2兩組試件的3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)25～30 MPa，60 d抗壓強(qiáng)度達(dá)55～60 MPa，130 d抗壓強(qiáng)度超過60 MPa。對比G1和G2兩組試件，由于水膠比和膠凝材料總量相同，摻合料摻量對其強(qiáng)度性能有至關(guān)重要的影響。摻合料摻量較大的G2試件的早期抗壓強(qiáng)度相對較小，3 d抗壓強(qiáng)度比G1試件降低22%左右；但隨著試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，G2組試件的抗壓強(qiáng)度增長相對較快。說明礦物摻合料對SCC早期強(qiáng)度有一定影響，但對其后期強(qiáng)度的增長貢獻(xiàn)更大。

圖2 高性能早強(qiáng)SCC抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

2.2 抗折強(qiáng)度

SCC抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化見圖3。由圖3可看出：與抗壓強(qiáng)度一樣，試件的抗折強(qiáng)度也隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而逐漸增大。G1和G2兩組試件的3 d抗折強(qiáng)度均超過3.5 MPa，達(dá)到試件最終抗折強(qiáng)度的44%～54%，滿足早強(qiáng)的要求；28 d之后，SCC的抗折強(qiáng)度增長速度變緩，28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度的90%以上。130 d齡期時(shí)其抗折強(qiáng)度與28 d抗折強(qiáng)度相比分別增長4%、11%，表明試件的后期抗折強(qiáng)度增長速率較慢，顯著低于其抗壓強(qiáng)度的增長速率。這主要是因?yàn)轫诺目拐蹚?qiáng)度（彎拉作用）對砼中的微細(xì)觀損傷較敏感，而礦物摻合料的摻入有利于改善砼的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造，減小內(nèi)部微觀孔隙的產(chǎn)生，提高砼的密實(shí)度和均勻性，從而有效減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，特別是對于無需振搗的SCC，復(fù)合礦物摻合料超細(xì)粉的摻入可更好地改善其自流平的均勻性，在試件受拉損傷的初期延緩其微細(xì)觀裂縫的開展。

2.3 彈性模量

SCC試件的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可看出：與強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律一致，SCC的彈性模量隨著試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長呈增大趨勢，7～56 d增長速度較快，7 d時(shí)達(dá)到其最終彈性模量的75%左右，56 d之后其彈性模量基本不再增長。對比G1和G2試件，較高摻量的復(fù)合摻合料對其彈性模量的后期增長有較大貢獻(xiàn)，表明超細(xì)礦物摻合料對提高其抵抗變形的能力有一定增強(qiáng)效果。礦物摻合料對SCC彈性模量的影響與其對SCC強(qiáng)度的影響相似，礦物摻合料摻量較大的試件其彈性模量略低于摻量較小的試件，但兩者之間的差別隨著試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而逐漸縮小。以3和56 d彈性模量為例，G2試件的彈性模量分別比G1試件降低10%和4%。

圖3 高性能早強(qiáng)SCC抗折強(qiáng)度隨齡期的變化

圖4 高性能早強(qiáng)SCC彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗氯離子滲透性能

SCC抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可看出：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，G1和G2試件的抗氯離子滲透系數(shù)均逐漸降低。與G1組試件相比，由于礦物摻合料摻量增加，G2組試件早期抗氯離子滲透性能較好，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，其抗氯離子滲透系數(shù)減小趨勢較為明顯，G1和G2組試件之間的差別也逐漸減小。

圖5 高性能早強(qiáng)SCC抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

2.5 抗碳化性能

SCC快速碳化試驗(yàn)試件斷面碳化滴定結(jié)果和碳化深度實(shí)測結(jié)果分別見圖6、表5。從表5可看出：兩組SCC試件的碳化深度均較小，滿足高性能砼對抗碳化性能的要求，說明兩組SCC均能達(dá)到自流平和自密實(shí)的填充效果。對比G1和G2兩組試件，礦物摻合料摻量更高的G2試件的碳化深度總體上小于G1試件，表明礦物摻合料超細(xì)粉能顯著提高砼的密實(shí)度，從而有效減小砼的碳化深度。

圖6 高性能早強(qiáng)SCC快速碳化試驗(yàn)試件斷面滴定結(jié)果

表5 高性能早強(qiáng)SCC試件快速碳化深度測試結(jié)果

2.6 砼微觀結(jié)構(gòu)分析

130 d齡期時(shí)SCC破壞界面的微觀形態(tài)掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果見圖7。從圖7可看出：1）雖然養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到130 d，但SCC中粉煤灰顆粒參與水化作用的程度并不明顯，表明SCC密實(shí)度和均勻性效果較好；圓形粉煤灰顆粒表面只有部分刻蝕，這些顆粒填充在水泥顆粒的空隙之間，從更微觀尺度增加了水泥漿的密實(shí)度和水泥顆粒間的相對流動性，也說明此時(shí)粉煤灰在SCC中對力學(xué)性能的貢獻(xiàn)還主要是依靠充填和空隙細(xì)化作用。2）SCC的空隙中有一定量的鈣礬石，這可能是早強(qiáng)劑的作用，這些鈣礬石的存在既可填充空隙，還能增加砼的密實(shí)度，從而提高砼的強(qiáng)度；在后期，砼中同樣存在一定量氫氧化鈣，對其后期強(qiáng)度的增長有利。粉煤灰顆粒和水泥水化產(chǎn)物之間逐步形成牢固聯(lián)系，從而使砼強(qiáng)度和耐久性增長，這就是摻粉煤灰砼早期強(qiáng)度較低、后期強(qiáng)度增長較大的主要原因。

圖7 SCC試件破壞斷面SEM試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）通過配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的SCC能滿足公路工程建設(shè)中部分結(jié)構(gòu)物對砼的高流動性、高性能和高早期強(qiáng)度的要求。

（2）SCC的各項(xiàng)強(qiáng)度和抵抗變形能力的指標(biāo)均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而逐漸增大；復(fù)合摻合料摻量對SCC強(qiáng)度指標(biāo)有不同程度的影響，通常較大摻量的摻合料會對試件的早期強(qiáng)度有一定降低作用，但對后期強(qiáng)度的增長有一定幫助。

（3）適當(dāng)增加SCC礦物摻合料摻量雖然會對其早期強(qiáng)度稍有影響，但能有效提高砼的后期強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗碳化性能，從而在確保SCC具有良好流動性的同時(shí)使其耐久性能得到保證。

（4）與普通砼相似，超細(xì)粉煤灰對SCC強(qiáng)度增長的主要貢獻(xiàn)仍然是依靠密實(shí)填充和微集料的作用。SCC的空隙中有一定量的鈣礬石，其既可填充空隙，還能增加砼的密實(shí)度，從而提高砼的強(qiáng)度。

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2016-04-05