低液限紅黏土對(duì)混凝土和易性及力學(xué)性能的影響

吳福飛， 董雙快， 趙振華， 黃宗輝， 陳榮妃

(貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 研究背景

塑性混凝土通常具有變形能力大、彈性模量低和高抗?jié)B性等特點(diǎn)，晏繼杰[1]對(duì)塑性混凝土配合比、成槽機(jī)具、施工工藝等進(jìn)行研究。王四巍等[2]發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土對(duì)塑性混凝土體積最大壓縮量的影響顯著，對(duì)彈性模量和強(qiáng)度卻不明顯。文獻(xiàn)[3-6]研究也發(fā)現(xiàn)黏土摻入后降低了混凝土的力學(xué)性能，提高抗?jié)B性，并對(duì)混凝土的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出一系列的研究成果。當(dāng)膨潤(rùn)土和黏土按一定比例替代水泥后，顯著降低了混凝土的力學(xué)性能，但能抵抗長(zhǎng)期溶蝕作用，提高了其服役年限[7]。焦凱等[8]發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土摻量對(duì)塑性混凝土拉壓強(qiáng)度的差異性影響不大，但李談?wù)劦萚9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅黏土摻量在150～200 kg/m3時(shí)，塑性混凝土性能能達(dá)到最優(yōu)。除了紅黏土和膨潤(rùn)土的摻量顯著影響混凝土的力學(xué)性能外，骨料也對(duì)混凝土有一定的影響，黃杰等[10]發(fā)現(xiàn)尾礦砂摻量越大，混凝土強(qiáng)度越低，相對(duì)滲透系數(shù)均隨著砂率的增加呈現(xiàn)出U型的變化規(guī)律[11]。張廷毅等[12]發(fā)現(xiàn)黃河特細(xì)砂取代率對(duì)混凝土的滲透系數(shù)呈減小趨勢(shì)。高丹盈等[13-14]和王四魏等[15]對(duì)塑性混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變、本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則、抗?jié)B性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，程金標(biāo)等[16]采用三維非線性有限元法對(duì)塑性混凝土心墻大壩應(yīng)力變形進(jìn)行計(jì)算。王永明等[17]引入多軸強(qiáng)度的安全度準(zhǔn)則評(píng)價(jià)防滲墻的安全狀態(tài)，建議在拉應(yīng)力較明顯的條件下優(yōu)先采用多軸強(qiáng)度的安全度準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)核。劉璐璐等[18]發(fā)現(xiàn)預(yù)壓次數(shù)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響并不大。但是這些研究中對(duì)低液限紅黏土塑性混凝土的研究卻較少，為此，本文采用低液限紅黏土、機(jī)制砂、碎石、減水劑等配制塑性混凝土，探討低液限紅黏土對(duì)塑性混凝土和易性和力學(xué)性能的影響，即分析低液限紅黏土摻量對(duì)塑性混凝土流動(dòng)性、黏聚性、保水性、表觀密度和凝結(jié)時(shí)間的影響，探索塑性混凝土力學(xué)性能與齡期之間的關(guān)系，劈裂強(qiáng)度和彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，并提出簡(jiǎn)易預(yù)測(cè)彈性模量的關(guān)系模型。通過研究，以期為低液限紅黏土制備塑性混凝土提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥采用西南水泥廠生產(chǎn)的32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，3 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為4.3 MPa和18.4 MPa；28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為8.7 MPa和36.4 MPa，細(xì)度為13.4%，沸煮法安定性檢測(cè)合格。摻合料采用低液限紅黏土，密度為2.72 g/cm3，液限為48.1%，塑限為25.5%，塑性指數(shù)為23.8%，不均系數(shù)為5.8，曲率系數(shù)為0.64。砂為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，顆粒級(jí)配滿足JGJ52-2006《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法》的Ⅱ區(qū)范圍。小石和中石采用5～20 mm和20～40 mm的碎石，小石和中石按1∶1混合構(gòu)成5～40 mm的連續(xù)顆粒級(jí)配。減水劑選用緩凝型萘系高效減水劑，根據(jù)外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)確定最佳摻量。水采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

影響混凝土的力學(xué)性能和和易性的因素主要有水灰比和摻合料摻量，對(duì)于黏土作為摻合料時(shí)也不例外，因此，主要考慮水灰比和摻量的影響。根據(jù)《水電水利工程防滲墻施工規(guī)范》(DL/T5199-2004)的相關(guān)規(guī)定，黏土的摻量不宜大于25%，水膠比不宜大于0.65，膠凝材料用量不低于350 kg/m3。因此，選取水灰比分別為0.55、0.60、0.65，黏土摻量分別為15%、20%、25%，具體的試驗(yàn)混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

3 結(jié)果與分析

3.1 和易性

和易性是混凝土拌合物的重要參數(shù)，直接影響混凝土硬化后的力學(xué)性能和耐久性，在一定程度上控制著混凝土的施工質(zhì)量。文獻(xiàn)[19-24]證實(shí)了摻合料能改善混凝土拌合物的和易性，黏土作為摻合料是否會(huì)達(dá)到同樣的效果是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

流動(dòng)性是混凝土和易性測(cè)試的重要參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引入黏土和緩凝型減水劑后，混凝土的流動(dòng)性較好，基本都在189 mm以上，擴(kuò)散度基本在365 mm；即使在1 h后，坍落度仍能保持在173 mm以上，因此，本試驗(yàn)具有較好的保塌性，能滿足塑性混凝土作為防滲墻的澆筑。

另外，混凝土的黏聚性和保水性都較好。這主要是黏土礦物的顆粒細(xì)小，用水拌合后具有較好的可塑性，在較小壓力下發(fā)生變形但能長(zhǎng)久保持其原來的狀態(tài)，而且黏土的比表面積大，顆粒上帶有負(fù)電性，因此具有較好的物理吸附性和表面化學(xué)活性，加上減水劑的減水和緩凝效果，因此黏土配制的混凝土流動(dòng)性較好。

表2 塑性混凝土的和易性

凝結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響混凝土的施工質(zhì)量，通常水泥的初凝不早于45 min，終凝不遲于390 min，拌制混凝土后，初凝和終凝都會(huì)有所改變。黏土等質(zhì)量替代水泥后，初凝延遲10 h以上，終凝在16 h以上?？梢婐ね撂娲嗪竽茱@著改善混凝土的初凝和終凝時(shí)間，主要是黏土在較小壓力下可以變形并能長(zhǎng)久保持原狀，且比表面積大；另外，減水劑為緩凝型萘系高效減水劑，也會(huì)在一定程度上改善混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

黏土等質(zhì)量替代水泥后，明顯降低了混凝土的表觀密度。通?；炷恋谋碛^密度在2 350～2 450 kg/m3之間，黏土替代后最大表觀密度僅為2 326 kg/m3，最小為2 258 kg/m3，遠(yuǎn)小于普通混凝土的表觀密度。這主要是黏土的密度為2.72 g/cm3比水泥(密度為3.15 g/cm3)小，因此黏土等質(zhì)量替代水泥后，混凝土的表觀密度有所降低。

3.2 抗壓強(qiáng)度

礦物摻合料等質(zhì)量替代水泥后，由于具有潛在活性的SiO2和Al2O3參與二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[11-13]，因此，適量礦物摻和料摻入后能提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性[14-16]。黏土與粉煤灰、礦粉等摻合料不同，由于不具有活性，能顯著降低混凝土的力學(xué)性能，但其塑性較好，通常能滿足水庫(kù)防滲墻的澆筑。黏土等質(zhì)量替代水泥后，混凝土的力學(xué)性能和擬合曲線如圖1所示。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，低液限黏土配制的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并呈對(duì)數(shù)關(guān)系增加，這同普通混凝土的發(fā)展規(guī)律一致。經(jīng)擬合曲線發(fā)現(xiàn)，對(duì)數(shù)關(guān)系擬合結(jié)果較好，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。因此在實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠時(shí)，可采用對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。黏土的摻量和水灰比越大，其抗壓強(qiáng)度越低。如水灰比0.55時(shí)，黏土替代率從15%增加至25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度從18.2 MPa降低至15.7 MPa；當(dāng)摻量均為25%時(shí)，水灰比從0.55增加至0.65時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度從15.7 MPa降低至14.5 MPa?？梢姄搅繉?duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響比水灰比要大。因此，在配制黏土混凝土?xí)r應(yīng)注意黏土摻量的選擇。

3.3 劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度是混凝土抵抗剪力破壞的重要參數(shù)，黏土摻量和水灰比對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律和擬合曲線如圖2所示。劈裂強(qiáng)度也隨黏土摻量的增加顯著降低，相關(guān)系數(shù)均在0.97以上，當(dāng)水灰比為0.55和0.65且黏土摻量從15%增加至25%時(shí)，28 d的劈裂強(qiáng)度分別從1.75 MPa和1.42 MPa降低至1.43 MPa和1.32 MPa。水灰比增加時(shí)，劈裂強(qiáng)度不斷降低，當(dāng)黏土摻量為15%和25%時(shí)，劈裂強(qiáng)度分別從1.75 MPa和 1.43 MPa降低至1.40 MPa和1.32 MPa。對(duì)比上述的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，水灰比相對(duì)較小時(shí)，黏土摻量的影響較大，反之較小。

通常，混凝土劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性，黏土替代水泥后混凝土劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性如圖3所示。從圖3看出，塑性混凝土的劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.6215?？纱致圆捎镁€性關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

3.4 彈性模量

彈性模量又稱為楊氏模量，是混凝土中一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)。黏土替代水泥后，混凝土彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，黏土摻量越大，混凝土的彈性模量越小，顯著呈現(xiàn)出負(fù)對(duì)數(shù)降低的趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，因此可采用負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行塑性混凝土彈性模量的預(yù)測(cè)，精度相對(duì)較高。從圖4中也不難發(fā)現(xiàn)，黏土摻量對(duì)混凝土彈性模量的影響比水灰比大。

圖1 不同水灰比混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化擬合曲線

圖2不同水灰比黏土摻量與混凝土劈裂強(qiáng)度的相關(guān)性圖3抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的相關(guān)性

圖4彈性模量隨黏土摻量的變化曲線圖5塑性混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的相關(guān)性

通?？刹捎没炷量箟簭?qiáng)度預(yù)測(cè)彈性模量，其表達(dá)式為E=106/(2.2+330/fc)，將本文的抗壓強(qiáng)度代入該公式發(fā)現(xiàn)，其彈性模量在4×103～5×103MPa之間，遠(yuǎn)大于本文所測(cè)的實(shí)際彈性模量，因此，傳統(tǒng)的混凝土彈性模量預(yù)測(cè)公式不再適用。黏土替代水泥后混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性如圖5所示。

從圖5看出，塑性混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，即，E=0.1084fc+0.0516，相關(guān)系數(shù)為0.8776，因此，可采用線性關(guān)系預(yù)測(cè)混凝土的彈性模量。

4 結(jié) 論

通過對(duì)低液限紅黏土塑性混凝土和易性和力學(xué)性能的研究，得到以下結(jié)論：

(1)黏土能改善混凝土的流動(dòng)性、黏聚性和保水性，即使在1 h后，混凝土坍落度仍能保持在173 mm以上。黏土能大幅度地延遲混凝土的初凝和終凝時(shí)間和明顯降低混凝土的表觀密度。

(2)黏土等質(zhì)量替代水泥后，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，低液限黏土配制的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大。相對(duì)而言，摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響比水灰比要大。混凝土劈裂強(qiáng)度也隨黏土摻量的增加顯著降低，在塑性混凝土的劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系。

(3)黏土摻量越大，混凝土的彈性模量越小，顯著呈現(xiàn)出負(fù)對(duì)數(shù)降低的趨勢(shì)，但黏土摻量對(duì)混凝土彈性模量的影響比水灰比大。塑性混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系。

上述這些規(guī)律對(duì)于低液限紅黏土塑性混凝土的使用具有指導(dǎo)意義，同時(shí)也為塑性混凝土力學(xué)性能的預(yù)測(cè)提供借鑒。但本文只針對(duì)低液限紅黏土進(jìn)行試驗(yàn)，有待于對(duì)各種黏土進(jìn)行試驗(yàn)，找出其一般規(guī)律，使其在各類塑性混凝土中的使用更具有適用性。

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