雙膨脹源層面材料力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)研究

祝小靚，傅瓊?cè)A，高江林，龔 英，徐晶晶

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

1 研究背景

碾壓混凝土壩每連續(xù)鋪筑多個(gè)碾壓層后要間歇一次較長(zhǎng)的時(shí)間[1]，因此碾壓混凝土壩通常存在“冷縫”問題[2]。層面是碾壓混凝土壩的薄弱面[3- 4]，如何提高壩體質(zhì)量的問題實(shí)際上是如何控制和提高層面質(zhì)量的問題[5]。當(dāng)前碾壓混凝土壩高度在不斷提高，壩前水壓也在不斷增大，層間縫面的滲漏問題更為突出[6]。當(dāng)庫水沿層面進(jìn)入壩體，會(huì)增加壩體的孔隙水壓力及揚(yáng)壓力，在降低壩體抗滑穩(wěn)定性的同時(shí)，滲透水還會(huì)將混凝土中的Ca(OH)2和其他成分帶走，使其強(qiáng)度降低從而影響碾壓混凝土的耐久性。

在水工建筑物的修補(bǔ)加固項(xiàng)目中，出現(xiàn)了因使用普通混凝土硬化收縮致使新老混凝土層間出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象[7- 8]，通過摻入膨脹劑的方法，使得新澆筑混凝土產(chǎn)生一定微膨脹，以補(bǔ)償收縮和產(chǎn)生自應(yīng)力從而改善結(jié)合部位的受力性能[9]。而針對(duì)碾壓混凝土壩層間結(jié)合質(zhì)量問題，目前較為傳統(tǒng)的做法是提高層間結(jié)合部位處理材料的抗壓強(qiáng)度，這類處理材料同樣面臨收縮變形較大的問題，那么是否也可以通過摻入膨脹劑，使得新澆筑混凝土產(chǎn)生一定的微膨脹，起到補(bǔ)償收縮和產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力的作用，從而改善新老混凝土結(jié)合部位受力性能[10]值得深入研究。

表1 層面材料試驗(yàn)配合比

目前主要是通過鋪筑普通砂漿、凈漿或者小級(jí)配混凝土的處理方式[11，12]對(duì)碾壓混凝土壩層面進(jìn)行處理，部分大壩的層面改善效果并不理想。本文針對(duì)目前碾壓混凝土壩存在的層間滲漏和結(jié)合質(zhì)量問題，基于修補(bǔ)材料在新老混凝土粘結(jié)處理上的特點(diǎn)，從碾壓混凝土壩層面處理材料角度入手，利用雙膨脹源膨脹劑補(bǔ)償收縮，輔以硅粉與膨脹產(chǎn)物反應(yīng)生成的水化硅酸鈣提高層面材料粘結(jié)性能的思路，從材料的微觀角度探究雙膨脹源改性材料對(duì)宏觀性能的改性機(jī)理。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為弋陽海螺水泥責(zé)任有限公司生產(chǎn)的海螺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，江西景德鎮(zhèn)發(fā)電廠的II級(jí)粉煤灰，?？瞎?20U型半加密硅粉，HME類氧化鈣-硫鋁酸鈣復(fù)合類膨脹劑以及FDN-B緩凝高效減水劑。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為3.0的人工砂。

2.2 配合比

層面處理材料包括硫鋁酸鈣-氧化鈣雙膨脹源膨脹劑和硅粉，采用大摻量粉煤灰層面處理砂漿，控制不同配比的處理材料拌和物性能基本保持一致，設(shè)計(jì)了表1所示層面材料配合比。其中，F(xiàn)代表單摻粉煤灰，F(xiàn)S代表粉煤灰與硅粉復(fù)摻，F(xiàn)SE代表粉煤灰、硅粉及膨脹劑復(fù)摻，數(shù)字代表膨脹劑摻量。硅粉和膨脹劑采用內(nèi)摻法，等量取代膠凝材料，保持粉煤灰與(粉煤灰+水泥)的比例不變。

3 試驗(yàn)結(jié)果

層面處理砂漿流動(dòng)度及各齡期強(qiáng)度見表2，摻入膨脹劑后，同時(shí)改善了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。層面材料28 d和90 d的抗壓強(qiáng)度要比碾壓混凝土本體的抗壓強(qiáng)度高一個(gè)等級(jí)。

表2 不同層面處理材料流動(dòng)度和強(qiáng)度

3.1 膨脹劑對(duì)層面處理材料柔韌性的影響

柔韌性反映了材料柔韌變形性能的好壞，壓折比可以在一定程度上衡量材料柔韌性。利用表2中抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算可以得到壓折比，如表3所示。

表3 膨脹劑對(duì)層面處理材料柔韌性的影響

由表3可以看出，7 d時(shí)摻有膨脹劑的層面材料柔韌性較未摻時(shí)好，隨著齡期的增長(zhǎng)，柔韌性逐漸變差，但90 d齡期時(shí)單摻粉煤灰的層面材料柔韌性反而最優(yōu)。對(duì)于碾壓混凝土層面粘結(jié)性能來說，早期上下層碾壓混凝土的變形對(duì)層面材料的柔韌性要求更高，因此早期柔韌性對(duì)碾壓混凝土層面粘結(jié)性能的影響至關(guān)重要。

圖3 微觀形貌(180 d)

3.2 層面處理材料微觀結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 鈣硅比能譜分析

通過對(duì)層面材料的整個(gè)斷面做能譜分析(見圖1)，得到的能譜分析結(jié)果如圖2所示。利用SEM附帶的EDS能譜分析確定水化產(chǎn)物中鈣和硅的摩爾含量，并對(duì)鈣硅比做了統(tǒng)計(jì)，如表4所示。從表中可以看出，鈣硅比基本小于1.5，平均值為1.265。通常，硅酸鹽水泥混凝土的鈣硅比一般在1.5～2.0之間，且多數(shù)情況下接近于2.0。與硅酸鹽水泥不同的是，由于粉煤灰中氧化鈣含量較少，粉煤灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣的鈣硅比較低，因此，大摻量粉煤灰的凝膠材料水化生成的凝膠整體鈣硅比較低。

圖1 層面材料斷面

圖2 層面材料斷面能譜分析

從表中可以明顯的看出，硅粉的加入，使得FS的鈣硅比降低，膨脹劑的加入使得鈣硅比進(jìn)一步降低，隨著膨脹劑摻量的增加，鈣硅比先減小后增大。有研究表明，水化硅酸鈣的強(qiáng)度隨著鈣硅比的減小而增大。

表4 Ca/Si統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2.2 微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

采用日本電子珠式會(huì)社JSM- 6701F冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)試不同層面處理材料的微觀結(jié)構(gòu)，從圖3可以看出，F(xiàn)S層面材料180 d的水化產(chǎn)物中生成了較多C-S-H，總體來看，比單摻粉煤灰的層面材料要密實(shí)。C-S-H是混凝土材料強(qiáng)度、密實(shí)性和孔隙發(fā)展的決定性材料。硅粉的摻入，增加了水化硅酸鈣凝膠在空間上的云狀、網(wǎng)狀形態(tài)的復(fù)雜性，增大了材料內(nèi)部孔隙長(zhǎng)度及曲折性，即在一定程度上延長(zhǎng)了外界水分的滲透路徑，對(duì)降低混凝土相對(duì)滲透系數(shù)起到了積極作用。

膨脹劑的摻入明顯促進(jìn)了針棒狀鈣礬石Aft晶體的生長(zhǎng)，隨著膨脹劑摻量的增加，針棒狀鈣礬石Aft晶體的數(shù)量明顯增多，正是由于這些晶體的生成，使得混凝土產(chǎn)生一定量的微膨脹，且在混凝土內(nèi)部的孔洞和微裂縫中生長(zhǎng)，逐漸搭接在一起形成相互交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且貫穿于絮凝狀和網(wǎng)狀的C-S-H凝膠中，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)；膨脹劑摻量為8%時(shí)，水化硅酸鈣凝膠與氫氧化鈣、鈣礬石晶體結(jié)合在一起，膨脹性能適中，混凝土結(jié)構(gòu)較為致密；但當(dāng)膨脹劑超過一定摻量時(shí)，會(huì)由于膨脹性能過大而引起新的微裂縫。

4 結(jié) 論

(1)7 d時(shí)摻有膨脹劑的層面材料柔韌性較未摻時(shí)好，而對(duì)于碾壓混凝土層面粘結(jié)性能來說，早期上下層碾壓混凝土的變形對(duì)層面材料的柔韌性要求更高，因此早期柔韌性對(duì)碾壓混凝土層面粘結(jié)性能的影響至關(guān)重要。

(2)硅粉和膨脹劑可以降低水化產(chǎn)物的鈣硅比，隨著膨脹劑摻量的增加，鈣硅比先減小后增大，而水化硅酸鈣的強(qiáng)度與鈣硅比密切相關(guān)。

(3)膨脹劑摻量為8%時(shí)，水化硅酸鈣凝膠與氫氧化鈣、鈣礬石晶體結(jié)合在一起，膨脹性能適中，一方面生成鈣礬石和氫氧化鈣微膨脹起到補(bǔ)償收縮的作用，另一方面通過膨脹產(chǎn)物填充結(jié)構(gòu)孔隙，使水泥石更為密實(shí)；但當(dāng)膨脹劑超過一定摻量時(shí)，會(huì)由于膨脹性能過大而引起新的微裂縫。