低品質(zhì)骨料混凝土稠度改性試驗(yàn)研究

王曉明

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州　730050)

根據(jù)我國十三五發(fā)展規(guī)劃，鐵路仍是國家未來投資的重點(diǎn)，同時(shí)鐵路建設(shè)的重心也將向中西部、邊疆地區(qū)轉(zhuǎn)移。然而，我國西部地區(qū)混凝土地材資源十分匱乏，加之長期的過度開采，使得以優(yōu)質(zhì)河砂為代表的混凝土用合格地材極度短缺[1]?；炷劣脙?yōu)質(zhì)地材是一種地方性資源，不可再生，也不利于長距離運(yùn)輸，這種供需矛盾在西部鐵路建設(shè)中尤為突出。若不采取改性措施，直接使用低品質(zhì)粗砂則會(huì)引起混凝土可施工性差，易出現(xiàn)砂線、分層等外觀質(zhì)量問題，甚至?xí)?dǎo)致混凝土密實(shí)性差和開裂的耐久性問題[2-4]。

在西部優(yōu)質(zhì)地材資源匱乏的地區(qū)，為確?；炷两Y(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，將面臨不得不大規(guī)模外運(yùn)地材的局面，這不僅顯著提高了生產(chǎn)成本，還受季節(jié)性、限采政策等因素的限制從而使質(zhì)量難以得到保障[5]，同時(shí)當(dāng)?shù)刭Y源不能充分利用，不利于持續(xù)發(fā)展。因此，在保證混凝土主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的前提下，迫切需要探索出一種就地取材、低成本和資源充分利用的基于低品質(zhì)骨料的混凝土性能調(diào)控技術(shù)。

多糖類添加劑是一種通過氫鍵締合周圍水分子使體系稠度提高的稠度改性劑，因具有與水泥漿體適應(yīng)性強(qiáng)、觸變性好、改性效果明顯等突出優(yōu)點(diǎn)[6-8]，在水泥基材料中已得到了應(yīng)用。本文選擇低成本的膏體溫輪膠作為多糖類稠度改性劑，研究其對(duì)粗砂混凝土工作性、強(qiáng)度和耐久性能的影響，并在西北地區(qū)開展試驗(yàn)，為粗砂混凝土的應(yīng)用提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1　原材料與配合比

水泥為北京金隅P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為342 m2/kg；粉煤灰為唐山市開平區(qū)陡河發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為11.4 %，膠凝材料的化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料為定西通渭粗河砂，細(xì)度模數(shù)為3.7，含泥量1.3%，表觀密度為 2 610 kg/m3，吸水率1.3%。粗骨料為天津薊縣5～20 mm兩級(jí)配碎石，壓碎值為5.4%，含泥量0.3%，表觀密度為 2 780 kg/m3，緊密空隙率為40%。減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑(PCA)。稠度改性劑為河北生物恒標(biāo)有限公司生產(chǎn)的膏體溫輪膠?；炷僚浜媳纫姳?，混凝土坍落度為(190±10)mm，含氣量為3.5%±0.5%。

表1　膠凝材料的化學(xué)成分　%

表2　混凝土配合比　kg/m3

1.2　試驗(yàn)方法

1)混凝土拌合物性能試驗(yàn)

混凝土坍落度、含氣量和泌水率試驗(yàn)按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行。

混凝土流變性能采用丹麥GERMANN儀器廠生產(chǎn)的ICAR型混凝土流變儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器克服了既有流變儀體積大、價(jià)格昂貴和不適合于現(xiàn)場(chǎng)使用的缺點(diǎn)，僅僅由流變儀、葉片、流變桶、流變儀支架和電腦組成，試驗(yàn)操作全部自動(dòng)化，在60 s內(nèi)完成流變參數(shù)的測(cè)試。該試驗(yàn)主要分4步：①打開電腦及控制軟件，連接葉片及流變儀；②攪拌40 L混凝土，倒入不銹鋼桶內(nèi)；③將鋼架固定于不銹鋼桶上，將葉片插入混凝土，采用鋼架卡槽鎖定流變儀；④在電腦控制軟件中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，自動(dòng)開始試驗(yàn)。

2)試件的成型和養(yǎng)護(hù)

試件按GB 50080—2002要求成型，1 d后脫模，然后放入濕度>95%，溫度為(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定齡期開展相關(guān)性能試驗(yàn)。

3)混凝土硬化體性能試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行，混凝土抗凍性、電通量試驗(yàn)按GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　稠度改性劑對(duì)混凝土工作性能的影響

采用表2中混凝土配合比，研究稠度改性劑對(duì)粗砂混凝土工作性能的影響，結(jié)果見表3。所配制混凝土的出機(jī)狀態(tài)見圖1。

表3　混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1　所配制混凝土的出機(jī)狀態(tài)

從表2和表3可以看出：在適當(dāng)對(duì)減水劑摻量進(jìn)行調(diào)整的前提下(增加量為0.1%左右)，稠度改性劑幾乎不影響混凝土的坍落度，混凝土含氣量略有增加。

從圖1可以看出：與基準(zhǔn)混凝土相比，摻加稠度改性劑的各強(qiáng)度等級(jí)混凝土和易性得到明顯改善，泌水率大大降低，拌合物包裹性好，未出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

采用ICAR型混凝土流變儀研究了稠度改性劑對(duì)混凝土流變性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　稠度改性劑對(duì)混凝土流變性能的影響

從圖2可知，相比基準(zhǔn)混凝土，摻稠度改性劑混凝土的塑性黏度相應(yīng)提高，因?yàn)閾匠矶雀男詣┗炷亮鲃?dòng)所需的外力增大，流動(dòng)時(shí)流動(dòng)速率減慢，體系抗離析能力得到提高。

2.2　稠度改性劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

稠度改性劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表4?？梢钥闯觯瑩匠矶雀男詣┗炷恋目箟簭?qiáng)度發(fā)展規(guī)律與基準(zhǔn)混凝土相同，齡期3 d時(shí)摻稠度改性劑混凝土的抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)混凝土，但28 d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，表明稠度改性劑幾乎不影響混凝土后期抗壓強(qiáng)度。稠度改性劑降低混凝土早期強(qiáng)度的原因是：所用的稠度改性劑為多糖類物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)上含有較多的羥基，在水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，抑制了鋁酸三鈣的水化進(jìn)程，同時(shí)延長了鈣礬石的成核期和生長期，從而影響了混凝土中水泥的早期水化[12]。

表4　稠度改性劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3　稠度改性劑對(duì)混凝土耐久性能的影響

稠度改性劑對(duì)混凝土耐久性能的影響見表5?？梢钥闯觯簱匠矶雀男詣┗炷?6 d齡期可以經(jīng)歷快速凍融循環(huán)300次以上，56 d電通量<1000 C，滿足TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的要求[13]。稠度改性劑未降低混凝土的抗凍性及抗離子滲透性。

表5　混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以在西北地區(qū)新建的寶蘭客專為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)開展試驗(yàn)，以驗(yàn)證所提出的低品質(zhì)骨料混凝土性能調(diào)控措施的有效性。

3.1　混凝土質(zhì)量

摻加稠度改性劑前后混凝土的拌合物狀態(tài)對(duì)比見圖3。

由圖3可以看出：摻稠度改性劑后，隧道襯砌粗砂混凝土的包裹性和黏聚性得到改善，即使在靜置和運(yùn)輸過程中仍能保持較好的穩(wěn)定性；與施工單位原隧道襯砌粗砂混凝土相比，在降低膠凝材料用量的前提下，混凝土未出現(xiàn)離析、泌水和骨料外露情況。

觀察混凝土入模后狀態(tài)，基準(zhǔn)混凝土在澆筑振搗后存在明顯的骨料下沉、漿體上浮的現(xiàn)象，摻加稠度改性劑混凝土勻質(zhì)性良好，即使在澆筑和振搗的外力作用下仍能保持較好的穩(wěn)定性，實(shí)體混凝土硬化后表面無蜂窩、麻面、大面積氣泡、色差等外觀質(zhì)量問題。見圖4。

圖3　摻稠度改性劑前后混凝土的拌合物狀態(tài)對(duì)比

圖4　摻稠度改性劑前后隧道襯砌混凝土外觀對(duì)比

3.2　技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

成本控制對(duì)新技術(shù)混凝土的應(yīng)用和發(fā)展意義重大，但通常情況下混凝土的成本控制與質(zhì)量控制存在一定的矛盾。一般認(rèn)為評(píng)價(jià)混凝土經(jīng)濟(jì)性不應(yīng)僅考慮混凝土的單方原材料成本，還應(yīng)考慮到工程全壽命周期成本。由于工程全壽命周期成本分析較為復(fù)雜，也缺乏明確的依據(jù)，因此，本文主要以應(yīng)用于寶蘭客專具有代表性的C40襯砌混凝土為例進(jìn)行原材料成本分析。結(jié)果見表6。

表6　基準(zhǔn)混凝土和摻稠度改性劑混凝土單方成本及主要性能對(duì)比

從表6可以看出，在混凝土中摻稠度改性劑以后，可以在保證混凝土施工質(zhì)量的前提下減少混凝土膠凝材料總量，混凝土原材料成本和基準(zhǔn)混凝土成本幾乎相當(dāng)。

4　結(jié)論

1)膏體溫輪膠具有保水增稠的特點(diǎn)，能夠顯著提高低品質(zhì)骨料混凝土的塑性黏度，防止混凝土離析、泌水，對(duì)混凝土長期力學(xué)性能、耐久性能無不利影響。

2)使用膏體溫輪膠作為稠度改性劑，可以在不改變骨料的低品質(zhì)條件下配制滿足要求的泵送混凝土，為我國西部地區(qū)低品質(zhì)骨料的資源化利用提供了一條新途徑。

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[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[10]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[12]李?yuàn)檴?微生物多糖對(duì)水泥漿體性能影響的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2015.

[13]中華人民共和國鐵道部.TB 10424—2010鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2011.