復(fù)摻粉煤灰和硅粉抗沖磨混凝土配合比設(shè)計及抗裂性能

高 浩，曾 力

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

我國西部的一些地區(qū)，河流流速大，含沙石多，許多水電站在溢洪道、消力池等處用到了抗沖磨混凝土(Abrasion Resistant Concrete)，在延長水電站服役壽命，減輕磨蝕等方面有明顯效果。由于抗沖磨混凝土需具備良好的抗沖磨性能，近些年學(xué)者熱衷于從原材料、配合比等方面研究其抗沖磨性[1-4]，而對于高速挾沙水流沖擊混凝土等所引起的開裂問題，則相對研究得較少，分析認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)引起同等重視。實際考察表明[5，6]，在水工混凝土破壞形式中，開裂和滲漏侵蝕問題較為普遍，尤其是對于抗沖磨混凝土，受到水流沙石的沖擊磨損，會產(chǎn)生開裂。例如在一些閘室、溢洪道等過流斷面以及底孔，開裂問題比較突出，一方面新澆混凝土容易發(fā)生塑性收縮[7]，當(dāng)收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過相應(yīng)齡期混凝土的抗拉強度時會引起混凝土開裂[8-10]；另一方面由于高速挾沙水流、推移質(zhì)等影響，混凝土由于滑動摩擦、沖擊碰撞開裂[11,12]，在這種特殊環(huán)境下，其抗裂性就顯得非常關(guān)鍵。因此試驗設(shè)計了一系列不同配合比的抗沖磨混凝土，著重研究其抗裂性能，并結(jié)合微觀試驗分析水泥基膠凝材料水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，總結(jié)了粉煤灰和硅粉的合理摻量，為抗沖磨混凝土在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料

本文試驗原材料主要有水泥、粉煤灰、硅粉、細(xì)骨料、粗骨料、高效減水劑FDN。

(1)水泥。采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性質(zhì)見表1。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥物理性質(zhì)Tab.1 The physical properties of P.O 42.5

(2)粉煤灰。粉煤灰物理性質(zhì)見表2。

表2 粉煤灰物理性質(zhì)Tab.2 The physical properties of fly ash

(3)硅粉。硅粉物理性質(zhì)見表3。

(4)細(xì)骨料和粗骨料。試驗采用天然河沙為細(xì)骨料，人工碎石為粗骨料，粗骨料分為小石(5～20 mm)和中石(20～40 mm)2種，細(xì)骨料的物理性質(zhì)見表4，粗骨料的物理性質(zhì)見表5。

表3 硅粉物理性質(zhì)Tab.3 The physical properties of silica power

表4 天然河物理性質(zhì)Tab.4 The physical properties of natural river sand

表5 人工碎石物理性質(zhì)Tab.5 The physical properties of artificial gravel

(5)FDN高效減水劑。FDN高效減水劑物理性質(zhì)見表6。

表6 FDN高效減水劑物理性質(zhì)Tab.6 The physical properties of FDN superplasticizer

2 試驗設(shè)計

2.1 配合比設(shè)計及抗沖磨試驗

為獲得抗沖磨性能優(yōu)異的混凝土，應(yīng)該從原材料、配合比設(shè)計等方面著手，通過摻入外加劑和礦物摻合料，利用其復(fù)合效應(yīng)來實現(xiàn)抗沖磨性。本試驗結(jié)合有關(guān)抗沖磨混凝土的配制理論與方法[13-15]，配制抗沖磨混凝土，設(shè)計配合比，測得28 d抗壓強度以及依據(jù)風(fēng)沙槍法、水下鋼球法2種抗沖磨試驗測得28 d抗沖磨強度見表7。表7中C表示水泥，F(xiàn)A表示粉煤灰，SF表示硅粉，B表示膠凝材料。

分析表7，9種配合比下混凝土均滿足高強要求，抗沖磨性優(yōu)異，整體上可以得出，摻適量硅粉對提高混凝土抗沖磨性有利。

2.2 試驗方法

(1)脆性系數(shù)試驗。根據(jù)GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行試件的成型，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。成型完按照規(guī)范要求養(yǎng)護至規(guī)定齡期，然后進行強度試驗，先進行抗折強度試驗，折斷后每截再進行抗壓強度試驗，得出脆性系數(shù)K。其中脆性系數(shù)K按下式計算：

K=f壓/f折

(1)

式中：f壓為試件的抗壓強度，MPa；f折為試件的抗折強度，MPa。

(2)干縮率試驗。根據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行試件的成型，試件大小為40 mm×40 mm×160 mm，待試件拆模后立即用測長儀進行第1次測長，要求在同一條件下多次測量，并取規(guī)范要求誤差范圍內(nèi)的平均值，定義第1次測長為基準(zhǔn)長度L0，然后在特定條件下養(yǎng)護(條件控制為溫度20±2 ℃，濕度60±5%)。其中干縮率按下式計算：

εt=(Lt-L0)/(160+L0-2Δ)

(2)

式中：εt為t齡期時的干縮(濕脹)率；L0為試件的基準(zhǔn)長度，mm；Lt為t齡期時試件的長度，mm；Δ為金屬測頭的長度，mm。

3 試驗研究

為了比較抗裂性能，本文從表7抗沖磨混凝土配合比中用5 mm方孔篩篩出中、小石，以形成的砂漿體為研究對象，研究水泥基膠凝材料砂漿體的脆性系數(shù)與干縮率。

3.1 脆性系數(shù)研究

根據(jù)脆性系數(shù)試驗，試驗結(jié)果見表8 ，抗壓強度、脆性指數(shù)、齡期的關(guān)系見圖1～圖6。

表7 抗沖磨混凝土配合比參數(shù)以及抗沖磨試驗Tab.7 Mix parameters and abrasion resistant test of abrasion resistant concrete

(1)粉煤灰對脆性系數(shù)的影響。由圖1、圖2對比分析，粉煤灰增加，脆性系數(shù)相對于粉煤灰摻量為10%時均降低，表明抗裂性能有所提高。由表8可知，單摻20%粉煤灰最佳，此時脆性系數(shù)最低。

表8 脆性試驗結(jié)果Tab.8 Results of brittleness test

圖1 KM1、KM2、KM3試驗脆性系數(shù)與齡期關(guān)系Fig.1 Relationship of brittleness and age of KM1、KM2、KM3

圖2 KM1、KM2、KM3組試驗脆性系數(shù)與強度關(guān)系 Fig.2 Relationship of brittleness and compressive strength of KM1、KM2、KM3

(2)硅粉對脆性系數(shù)的影響。由圖3、圖4對比分析：單摻5%、8%、10%的硅粉，隨硅粉比例增加，脆性系數(shù)呈上升趨勢。說明單摻適量硅粉，能提高混凝土抗壓強度，但此時抗裂性下降。

圖4 KM4、KM5、KM6組試驗脆性系數(shù)與強度關(guān)系Fig.4 Relationship of brittleness and compressive strength of KM4、KM5、KM6

圖5 KM7、KM8、KM9試驗脆性系數(shù)與齡期關(guān)系Fig.5 Relationship of brittleness and age of KM7、KM8、KM9

圖6 KM7、KM8、KM9組試驗脆性系數(shù)與強度關(guān)系Fig.6 Relationship of brittleness and compressive strength of KM7、KM8、KM9

(3)復(fù)摻粉煤灰、硅粉對脆性系數(shù)的影響。由圖5、圖6對比分析：同KM2相比，分別用5%、8%、10%的硅粉取代水泥。從表8中數(shù)據(jù)可知，復(fù)摻硅粉與粉煤灰，具有雙重效果，即提高混凝土抗壓強度與抗裂性。

綜合比較，KM2、KM7、KM8、KM9組試驗中各齡期脆性系數(shù)較小，體現(xiàn)了良好的抗裂性能。

3.2 干縮率研究

按照2.2干縮率試驗方法測量KM1-KM9的干縮變形，試驗結(jié)果見圖7。由圖7可知所有編號早期干縮明顯增大，其中單摻硅粉KM4、KM5、KM6早期干縮速率較大，后期逐漸變緩。而單摻硅粉KM1、KM2、KM3以及復(fù)摻粉煤灰硅粉KM7、KM8、KM9下降速率比較平穩(wěn)。整體而言，編號KM4-KM6干縮率大。

圖7 干縮率與齡期關(guān)系Fig.7 Relationship of shrinkage rate and age

(1)粉煤灰對干縮率的影響。對于KM1、KM2、KM3。干縮率變化依次是KM1﹥KM2﹥KM3，說明在水膠比不變的情況下，粉煤灰含量提高，對砂漿干縮的抑制作用越好。其原因是粉煤灰在水泥基體系中反應(yīng)較為滯后，水泥水化生成氫氧化鈣，溶液體系呈現(xiàn)強堿性后，粉煤灰中活性礦物才在氫氧化鈣激發(fā)下開始水化反應(yīng)，發(fā)揮其填充效應(yīng)，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，因此阻礙了砂漿的收縮。

(2)硅粉對干縮率的影響。對于KM4、KM5、KM6，干縮率變化依次是KM4﹤KM5﹤KM6，說明在水膠比不變的情況下，硅粉比例提高，干縮增大。一方面是硅粉粒徑小且具有活性，在水化反應(yīng)中充分與水泥中的礦相成分接觸，接觸充分使反應(yīng)加快，因此產(chǎn)生收縮，引起早期開裂；另一方面，研究表明[16]抗沖磨混凝土水膠比小，在水分內(nèi)消耗等多重因素下，使水泥基體系中產(chǎn)生較大的毛細(xì)管壓力，毛細(xì)管壓力與硅粉含量成正相關(guān)，因此硅粉含量增加，早期的收縮也越大。

(3)復(fù)摻粉煤灰、硅粉對干縮率的影響。 對于KM7、KM8、KM9，干縮率變化依次是KM7﹤KM8﹤KM9。明顯摻5%硅粉時收縮最小，8%和10%時比較接近。但總體而言，復(fù)摻粉煤灰與硅粉時砂漿體的干縮率比單摻粉煤灰或硅粉時砂漿體的干縮率小，可以看出復(fù)摻5%硅粉和20%粉煤灰對抑制收縮更為有利。

4 機理分析

在表7試驗配合比的同時成型相應(yīng)的水泥凈漿，養(yǎng)護到28 d取樣，放到10 mL西林瓶中，加入無水乙醇終止其反應(yīng)并定期更換無水乙醇，后期進行X射線衍射(X-Ray Diffraction, 簡稱XRD)及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, 簡稱SEM)測試分析。對應(yīng)的凈漿試件表示為J1-J9。

4.1 XRD分析

圖8、圖9為凈漿試件28 d XRD圖，圖中各縮寫符號對應(yīng)的物質(zhì)CH為氫氧化鈣，CaCO3為碳酸鈣，CaO為氧化鈣。

圖8 28 d J1-J3 XRD圖Fig.8 XRD of J1-J3 at 28 d

圖9 28 d J7-J9XRD圖Fig.9 XRD of J7-J9 at 28 d

由圖8對KM1、2、3水泥基材料凈漿體28 d的XRD進行對比分析：3組配合比下，Ca(OH)2衍射峰強弱排序依次為：KM1>KM2>KM3。分析認(rèn)為，粉煤灰比例提高，會與體系中Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，降低其含量；二是水泥被等量取代，水泥摻量相對減少，水泥水化生成的Ca(OH)2減少。

由圖9對KM7、8、9水泥基材料凈漿體28 d的XRD進行對比分析：3種摻入不同含量硅粉-粉煤灰的膠凝體系相比，各體系水化產(chǎn)物種類基本相同。從圖中看出復(fù)摻時，水化產(chǎn)物Ca(OH)2峰值較低，其強弱排序依次為KM7>KM8>KM9。水泥熟料水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)一般有2種：一種是凝膠體, 另一種是結(jié)晶體。屬于凝膠體的水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣(C-S-H)，凝膠體比結(jié)晶體具有更大的韌性。由于硅粉或者粉煤灰的摻入，水泥水化不同階段的性質(zhì)發(fā)生了改變。主要是粉煤灰和硅粉，與富集在界面上的Ca(OH)2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，從而使Ca(OH)2晶體、鈣礬石和孔隙減少。研究指出[17,18]，C-S-H韌性好，Ca(OH)2韌性較差，其結(jié)果是含有大量的C-S-H有利于降低脆性系數(shù)，提升膠凝體系抗裂性能。

4.2 SEM掃描電鏡

對KM1-KM9配合比下，各水泥基膠凝材料凈漿體28 d齡期試樣進行SEM分析，由于本次SEM試驗較多，現(xiàn)選取抗裂性能良好的編號KM2、7、8、9進行分析,試驗結(jié)果見圖10～圖13。

圖10為單摻20%粉煤灰掃描電鏡分析結(jié)果。從圖10中可知，水化漿體內(nèi)部存在沒有完全水化粉煤灰，此時粉煤灰的水化效應(yīng)沒有完全體現(xiàn)。圖11～圖13中復(fù)合摻入粉煤灰與硅粉時，充分發(fā)揮了2種膠凝材料的復(fù)合效應(yīng)，此時水化微觀結(jié)構(gòu)很致密。由此可見，添加輔助膠凝材料使水化程度和水化產(chǎn)物形貌發(fā)生改變，最突出的表現(xiàn)是，水化產(chǎn)物晶粒細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密。

圖10 J2水化28 d SEM圖Fig.10 Micrograph of J2 at 28 d

圖11 J7水化28 d SEM圖Fig.11 Micrograph of J7 at 28 d

圖12 J8水化28 d SEM圖Fig.12 Micrograph of J8 at 28 d

圖13 J9水化28 d SEM圖Fig.13 Micrograph of J9 at 28 d

5 結(jié) 論

影響高性能抗沖磨混凝土開裂的因素很多，本文主要以脆性系數(shù)、干縮率作為評價指標(biāo)，輔以粉煤灰和硅粉設(shè)計成幾種不同的水泥基體系進行研究，主要結(jié)論如下。

(1)抗沖磨性應(yīng)作為一個符合特殊環(huán)境耐久性需要、特殊性能的質(zhì)量目標(biāo)；應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件合理確定其各項技術(shù)指標(biāo)，分清主次，抗裂性能應(yīng)作為高性能抗沖磨混凝土主要的耐久性指標(biāo)而得到高度重視。

(2)通過脆性系數(shù)、干縮率對水泥基材料配合比進行分析比較，單摻粉煤灰時，存在一個最佳摻量20%。添加適量硅粉與粉煤灰，具有雙重效果，即提高混凝土抗壓強度與抗裂性。

(3)從XRD衍射分析和SEM顯微結(jié)構(gòu)分析知：在摻20%FA、20%FA+(5%、8%、10%)SF (都添加了高效減水劑)的膠凝材料漿體中，凝膠體C-S-H占主體，漿體結(jié)構(gòu)致密，充分說明輔助膠凝材料能夠優(yōu)化漿體結(jié)構(gòu)，對于提高抗沖磨混凝土的抗裂性有明顯效果。

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