互補(bǔ)性凝膠材料在混凝土路面性能上的作用

李永闖

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互補(bǔ)性凝膠材料在混凝土路面性能上的作用

李永闖

(湖南交建勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司, 長(zhǎng)沙 410075)

互補(bǔ)性凝膠材料已應(yīng)用于水泥混凝土路面, 以提高路面抵抗堿硅反應(yīng)、凍融、滲透性等老化機(jī)制的能力. 本文通過試驗(yàn)研究C 類粉煤灰、F 類粉煤灰和礦渣粉對(duì)水泥混凝土路面性能的影響, 進(jìn)行了不同組成和比例的互補(bǔ)性凝膠材料組成的多組實(shí)驗(yàn), 包括了坍落度、密度、含氣量、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度、堿硅反應(yīng)、凍融、徐變、滲透性以及干濕實(shí)驗(yàn). 同時(shí), 進(jìn)行了四組路面測(cè)試. 研究結(jié)果表明, 向混凝土中摻入15%~20%的C類粉煤灰和20~25%的F類粉煤灰, 或者摻入15%~20%的C類粉煤灰、F 類粉煤灰和礦渣粉, 均能較好改善混凝土的耐久性和整體性能.

互補(bǔ)性凝膠材料; 混凝土路面; 粉煤灰; 礦渣; 堿硅反應(yīng)

近年來(lái), 在一些水泥混凝土路面上出現(xiàn)了提前老化現(xiàn)象. 初步調(diào)查研究表明, C類粉煤灰的單一摻入是造成這種老化現(xiàn)象的主要原因. 因此, C 類粉煤灰在混凝土路面上的應(yīng)用目前被禁止. 由于國(guó)內(nèi)發(fā)電廠目前只能產(chǎn)出高石灰含量的C類粉煤灰, 如果不能綜合利用, 只能通過掩埋進(jìn)行處理, 這種處理方式將不可避免地帶來(lái)環(huán)保及經(jīng)濟(jì)問題. 另外, 在水泥混凝土路面中大量摻入進(jìn)口的 F 類粉煤灰, 將大大增加公路路面工程造價(jià). 因此, 本文旨在研究不同的互補(bǔ)性凝膠材料在水泥混凝土路面中的性能, 如C類粉煤灰、F類粉煤灰、礦渣粉, 為互補(bǔ)性凝膠材料在水泥混凝土路面中的應(yīng)用的理論研究和工程實(shí)踐提供參考.

近幾十年來(lái), 關(guān)于互補(bǔ)性凝膠材料在混凝土性能上的影響已有不少學(xué)者做過研究, 如奈克(1997)、馬爾霍特拉和梅塔(2002)、馬爾瓦爾(2001)[1]等, 研究表明, 添加互補(bǔ)性凝膠材料可以幫助路面抵抗堿硅反應(yīng)、凍融作用、老化、不規(guī)則裂縫和滲透等病害[2, 3], 但具體到工程應(yīng)用的研究比較少. 本文對(duì)互補(bǔ)性凝膠材料的組成和比例進(jìn)行試驗(yàn)研究, 對(duì)不同配合比互補(bǔ)性凝膠材料進(jìn)行ASR實(shí)驗(yàn)、整體性能實(shí)驗(yàn), 以研究滿足混凝土路面工程應(yīng)用要求的最佳互補(bǔ)性凝膠材料.

1 互補(bǔ)性凝膠材料及選用

用于混凝土中的互補(bǔ)性凝膠材料主要有C類粉煤灰、F類粉煤灰、礦粉等, 摻入多種凝膠材料對(duì)混凝土的性能會(huì)有不同的影響, 因此, 需要通過試驗(yàn)來(lái)確定一個(gè)最佳的配合比. 本研究中所采用的互補(bǔ)性凝膠材料均來(lái)自于同一廠商, 同一批次. 此外, 因?yàn)樵?ASR 實(shí)驗(yàn)中的膨脹率主要取決于骨料的反應(yīng), 所以符合規(guī)定的大部分活性骨料均被選用. 所選用的水泥、C 類粉煤灰、礦粉均滿足規(guī)范要求. 本次試驗(yàn)選用砂礫石作為細(xì)骨料, 石灰?guī)r骨料級(jí)配作為粗集料.

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 ASR實(shí)驗(yàn)

堿集料反應(yīng)(AAR)可分為兩類, 即堿硅酸反應(yīng)(ASR)與堿碳酸鹽反應(yīng)(ACR). 二者的共同點(diǎn)是與堿發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可導(dǎo)致混凝土中集料的體積增大, 從而可能使混凝土甚至整個(gè)建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生膨脹并裂. ASR類型巖石具有堿活性的前提條件是較低的二氧化硅結(jié)晶完整度, 只有隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)、玻璃質(zhì)或發(fā)生過應(yīng)變的二氧化硅才會(huì)具有較高的化學(xué)活性, 導(dǎo)致混凝土破壞.

ASR實(shí)驗(yàn)就是堿硅酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn), 是水泥中的堿與骨料中的活性氧化硅成分反應(yīng)產(chǎn)生堿硅酸鹽凝膠(或稱堿硅凝膠), 堿硅凝膠固體體積大于反應(yīng)前的體積, 而且有強(qiáng)烈的吸水性, 吸水后膨脹引起混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力, 而且堿硅凝膠吸水后會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)堿骨料反應(yīng)的發(fā)展、使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大, 導(dǎo)致混凝土開裂. 發(fā)展嚴(yán)重的還會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)崩潰.

本次ASR實(shí)驗(yàn)選擇了16組不同配合比, 混合材料中, 應(yīng)用兩種不同的骨料級(jí)配. 本實(shí)驗(yàn)主要目的是研究凝膠材料與骨料的組合物發(fā)生堿硅反應(yīng)的可能性. 表1列出了16 組混合物的設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果.

注: C表示C類粉煤灰, F表示F類粉煤灰, S表示礦渣粉, LS表示石灰?guī)r.

試驗(yàn)結(jié)果表明, F類粉煤灰對(duì)ASR抗力有極好的性能, F類粉煤灰加C類粉煤灰的混合物, 也表現(xiàn)出類似的性能. C類粉煤灰、F類粉煤灰和礦渣粉組成的混合物表現(xiàn)出了較低的膨脹性. F類粉煤灰將水泥水合作用產(chǎn)生的氫氯化鈣轉(zhuǎn)化為水化硅酸鈣, 水化硅酸鈣是一種稠密的無(wú)滲透性的基質(zhì), 這種基質(zhì)可以減少堿質(zhì)的可動(dòng)性. 另外, F類粉煤灰的低石灰含量, 創(chuàng)造了一種低鈣硅比率的水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)[4, 5], 這也使堿質(zhì)的吸收成為可能.

綜上所述, 盡管含有 C類粉煤灰和礦渣粉的混合物比僅含有C類粉煤灰的混合物表現(xiàn)出更優(yōu)的性能, 但礦渣粉控制ASR膨脹不如F類粉煤灰有效. 如果我們用30%的石灰?guī)r骨料級(jí)配和70%的砂礫石組合, 則要求有比較大的水泥取代率(大于40%的水泥取代率), 以保證混合物的ASR膨脹率符合要求. 而大的水泥取代率又可能對(duì)混和物的其他性能產(chǎn)生消極的影響, 例如抗彎強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和滲透性[6].

2.2 整體性能實(shí)驗(yàn)

路面整體性能實(shí)驗(yàn)包括測(cè)試路面的抗壓、抗凍、抗彎能力水平.

在ASR實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 將獲得最低ASR膨脹率的四組混合物加1組參照組(6)進(jìn)行整體性能實(shí)驗(yàn). 表2列出了各組配合比成分及含量.

*1PF 型波特蘭水泥代表的是摻拌了 23%±2%F 類粉煤灰的水泥.

采用兩種不同水灰比(0.4和0.45), 對(duì)于水灰比為0.45的, 采用傳統(tǒng)鋪裝, 即實(shí)驗(yàn)一. 對(duì)于水灰比為 0.4 的, 采用路面滑模鋪裝, 即實(shí)驗(yàn)二. 對(duì)于路面滑模鋪裝坍落度應(yīng)在38.1mm~50.8mm, 對(duì)于傳統(tǒng)鋪裝, 坍落度應(yīng)達(dá)到114.3mm. 整體性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3.

試驗(yàn)結(jié)果表明, 除個(gè)別組的抗壓抗彎強(qiáng)度稍有偏差, 水灰比為0.45 和0.40的抗壓強(qiáng)度相差不大. 材料的含氣率在7.5%到10%之間, 也都滿足規(guī)范要求. 從結(jié)果中可以看出, 粉煤灰具有緩凝劑的效果, 可以增加混凝土初凝和終凝的時(shí)間. 用電空法測(cè)量鹽酸鹽離子滲透的實(shí)驗(yàn)表明, 0.45水灰比的混凝土比0.40 水灰比的混凝土有更優(yōu)的性能.

干濕試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)槽進(jìn)行. 其試驗(yàn)方法是先將樣本放置水中8小時(shí), 再放置在熱空氣中烘干16小時(shí). 實(shí)驗(yàn)槽溫度保持在21℃至23℃. 每種混合物設(shè)計(jì)了6個(gè)76.2mm × 76.2mm ×406.4mm的試驗(yàn)?zāi)K. 其中的三個(gè)模塊將在 28 天的正常養(yǎng)護(hù)后, 進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試. 其余三個(gè)模塊將在經(jīng)歷548天的干濕循環(huán)環(huán)境后脫模, 后進(jìn)行26天的養(yǎng)護(hù), 再將試塊放到飽和石灰水中, 浸泡48小時(shí), 最后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn). 干濕試驗(yàn)結(jié)果表明, 不同水灰比的混合物結(jié)果相差均不大.

2.3 路面測(cè)試

在該實(shí)驗(yàn)階段, 參照組(6)和另外的三組(2、2D、2F)進(jìn)行路面測(cè)試. 試驗(yàn)結(jié)果見表4.

結(jié)果表明所選的四組混合物, 在抗壓強(qiáng)度、凍融抗力方面, 都表現(xiàn)出較好的性能, 均有最低的氯離子滲透率類別, 徐變較小. 此外, 參照組的凍融性能指標(biāo)沒有達(dá)到臨界值, 這主要是由于參照組混合物有較低的含氣量.

3 結(jié)論

采用16 組混合材料進(jìn)行ASR實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明: C 類粉煤灰單獨(dú)應(yīng)用, 將導(dǎo)致混凝土混合材料不能滿足28 天后膨脹率要低于0.1%的要求; 加入了F類粉煤灰并且有25%的水泥取代率的混合材料后, 混合料在 ASR 測(cè)試中有較好的效果; 加入了C 類粉煤灰與F類粉煤灰的混合材料性能較好; 加入了礦渣粉和C類粉煤灰的混合材料與只加入C類粉煤灰的混合材料相比, 性能有所改善, 但仍然不能滿足 ASR 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn). 為了制作能夠符合 ASR 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的混合材料, 除了加入礦渣粉, 還可以用更高的水泥取代率或者是用四種材料的混合物. 所有應(yīng)用了45%石灰?guī)r的混合材料, 在 ASR測(cè)試中呈較低的膨脹率. 這是由于石灰?guī)r的加入比砂礫石具有更低的反應(yīng)率.

在 ASR 測(cè)試中, 用較低的膨脹率的四組混合材料進(jìn)行整體性能實(shí)驗(yàn). 這些實(shí)驗(yàn)包括: 坍落度、密度、含氣率、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、凍融抗力、徐變、氯離子滲透性和干濕實(shí)驗(yàn). 此外, 其中三組混合材料進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用(路面實(shí)驗(yàn)). 研究結(jié)果表明, 16%C類粉煤灰加20%F類粉煤灰; 20%C 類粉煤灰加20%F類粉煤灰; 15%C 類粉煤灰加18%F 類粉煤灰加15%礦渣粉這三種互補(bǔ)性凝膠材料的構(gòu)成均能夠改善混凝土的耐久性和整體性能.

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The Role of Complementary Gel Materials in the Performance of Concrete Pavement

LI Yongchuang

(Hunan Communications Survey, Design &Consultation Co., Ltd, Changsha 410075, China)

Supplementary cementitious materials have been used in concrete pavements to increase their resistance to deterioration mechanisms,such as alkali-silica reaction, freeze and thaw, and permeability. This paper presents the results of experimental investigation carried out to evaluate the effect of Class C fly ash, Class F fly ash, and ground granulated blast furnace slag on the performance of Concrete pavements. Laboratory testing of multiple mixes with different combinations and percentages of supplementary cementitious materials is presented. This testing includes slump, unit weight, air content, time of setting, compressive strength, flexural strength, alkali silica reactivity, freeze/thaw, length change, chloride ion penetration, and wet and dry test specified. Test results indicates that using the a combination of Class C fly ash (15%~20%) and Class F fly ash (20%~25%), or all three supplementary cementitious materials in the range of 15~20% each improve concrete durability and overall performance.

supplementary cementitious materials, concrete pavement, fly ash, slag, alkali silica reactivity

TU528.37

A

1672-5298(2017)01-0069-04

2016-05-29

李永闖(1982? ), 男, 河南平頂山人, 湖南交建勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司工程師. 主要研究方向: 公路橋梁設(shè)計(jì)