輔助膠凝材料對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁強(qiáng)度及工藝的影響

樊 祺，杜紅秀，趙 壯

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大量高層建筑、大跨度橋梁等工程對(duì)優(yōu)質(zhì)樁基的需求量越來越大。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(prestressed high-strength concrete， PHC)管樁具有承載能力高、適應(yīng)性廣、質(zhì)量有保障等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來其生產(chǎn)與應(yīng)用發(fā)展迅猛。目前PHC管樁材料成本高、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、早期強(qiáng)度不理想等諸多弊端限制了PHC管樁的發(fā)展，因此優(yōu)化原材料配比，探索蒸養(yǎng)環(huán)境下混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，對(duì)PHC管樁發(fā)展意義重大。

蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥凝結(jié)硬化有著雙重作用，在水泥水化早期，水泥反應(yīng)速率隨著溫度的上升而加快[1-2],水化產(chǎn)物的密實(shí)度更高，但這也阻止了水分子進(jìn)一步向水泥顆粒內(nèi)部滲透，從而降低最終水化程度。Lin等[3]研究5～50 ℃水泥凈漿水化情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，25 ℃下水泥凈漿平均水化30%，50 ℃時(shí)水化60%，溫度對(duì)水泥水化影響較大。蔣正武等[4]通過對(duì)比蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn)，蒸汽養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，水化產(chǎn)物明顯增多，但28 d水化產(chǎn)物含量基本一致。Lothenbach等[5]對(duì)比了不同養(yǎng)護(hù)溫度下的水化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，50 ℃時(shí)C-S-H凝膠更為致密，但水化產(chǎn)物中鈣礬石多呈短針狀，蒸養(yǎng)時(shí)間過長(zhǎng)同樣對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有不利影響。Kjellsen等[6]研究發(fā)現(xiàn)提高蒸養(yǎng)溫度會(huì)導(dǎo)致純水泥混凝土孔結(jié)構(gòu)粗化，且隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，孔隙率也有所上升。

通過Design-Expert8.0軟件可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、合理、高效的試驗(yàn)方案,并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)分析,采用多元回歸方程擬合不同影響因素與響應(yīng)值之間的聯(lián)系，構(gòu)建可視化數(shù)據(jù)模型，并對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，尋求最優(yōu)參數(shù)，在材料配比設(shè)計(jì)等試驗(yàn)中有廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)通過對(duì)蒸養(yǎng)時(shí)間、硅灰摻量、偏高嶺土摻量三個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并構(gòu)建模型，探討最優(yōu)配合比，最后結(jié)合宏觀力學(xué)性能、微觀形貌及水化產(chǎn)物進(jìn)行機(jī)理探討。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

依據(jù)GB 13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》標(biāo)準(zhǔn)中的要求，試驗(yàn)所用的水泥為P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 150 kg/m3，具體物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of ordinary Portland cement

細(xì)骨料使用級(jí)配良好、質(zhì)地均勻堅(jiān)硬、細(xì)度模數(shù)在2.6～3.2的中粗砂，表觀密度為2 600 kg/m3，用篩分方法測(cè)定石英砂的粗細(xì)程度和顆粒級(jí)配，計(jì)算得其細(xì)度模數(shù)為2.75，屬于中砂，砂子篩分級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 砂子篩分級(jí)配曲線Fig.1 Curves of sand sieve classification

粗骨料使用粒徑5～25 mm、級(jí)配良好的尾礦石，表觀密度為2 650 kg/m3。

礦粉使用本地產(chǎn)S105級(jí)礦粉，礦粉的技術(shù)參數(shù)如表2所示，測(cè)定礦粉7 d的活性指數(shù)為80.9，28 d的活性指數(shù)為106.8，顆粒粒徑分布如圖2所示，顆粒粒徑較小，主要集中在10～100 μm。

表2 礦粉的技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of mineral admixture

圖2 礦粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of mineral powder

輔助膠凝材料選用本地產(chǎn)硅灰和偏高嶺土，粒度分布分別如圖3、圖4所示。原狀硅灰顆粒主要分布在10～100 μm，占比達(dá)到了48.58%；0～10 μm粒徑的顆粒占比為33.23%，略高于其他材料；100～2 100 μm粒徑的顆粒占比較少。偏高嶺土顆粒粒徑主要集中在1 000 μm左右，100 μm粒徑以下的顆粒占比僅為37.03%，偏高嶺土顆粒明顯大于硅灰顆粒。

圖3 原狀硅灰粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of undisturbed silica fume

圖4 偏高嶺土粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of metakaolin

減水劑使用高效聚羧酸減水劑，減水率為28.5%，水使用自來水。

試驗(yàn)組選用硅灰和偏高嶺土，按膠凝材料5%、8%、10%等質(zhì)量取代礦粉?；炷粱鶞?zhǔn)配合比如表3所示。

表3 PHC基準(zhǔn)配合比Table 3 Reference mixture ratio of PHC /(kg·m-3)

1.2 攪拌與成型

依據(jù)CECS 207—2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》,制備試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊,混凝土拌合物坍落度控制為(35±15) mm，選用60 L臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行混凝土的攪拌。

1.3 養(yǎng)護(hù)方案

混凝土裝模靜置24 h，隨后拆模放在混凝土管樁模具上跟隨管樁進(jìn)入蒸養(yǎng)池進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，如圖5所示。蒸汽養(yǎng)護(hù)采用三段升溫法，具體溫度變化過程如圖6所示，蒸汽養(yǎng)護(hù)4 h后，溫度恒定為95 ℃。

圖5 蒸汽養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.5 Photos of the steam curing site

圖6 蒸養(yǎng)溫度隨時(shí)間變化情況Fig.6 Variation of steam curing temperature with time

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，分別測(cè)試蒸汽養(yǎng)護(hù)4 h、8 h和12 h的抗壓強(qiáng)度，加載速率為0.8 MPa/s，試驗(yàn)結(jié)果精確至0.1 MPa。

1.4.2 XRD及SEM分析

使用SF和MK按膠凝材料5%等質(zhì)量取代水泥，制備水泥硬化漿體。使用UltimaⅣ X射線衍射儀，掃描角度為5°～75°，掃描速度為15 (°)/min。使用JSM-IT200一體式分析掃描電鏡，同時(shí)進(jìn)行微觀形貌分析以及EDS元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖7為不同摻量SF混凝土抗壓強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化情況。由圖7可知，隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，然后小幅降低。相較于蒸養(yǎng)4 h，蒸養(yǎng)8 h混凝土抗壓強(qiáng)度略有提升，質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%SF試驗(yàn)組強(qiáng)度最優(yōu)，與對(duì)照組相比，抗壓強(qiáng)度提高了6.2%，達(dá)到83.6 MPa，其余各試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度波動(dòng)不大。蒸養(yǎng)12 h，相較于蒸養(yǎng)4 h，各組混凝土抗壓強(qiáng)度浮動(dòng)不大。

圖8為不同摻量MK混凝土抗壓強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化情況。從圖8中可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%摻量的MK均可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的MK效果最好，4 h、8 h、12 h下，強(qiáng)度依次為88.2 MPa、89.1 MPa和88.7 MPa，相較于對(duì)照組分別提升了15.6%、13.2%和13.6%。由于MK摻量在5%～10%時(shí)，對(duì)蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，考慮到混凝土管樁的成本問題，實(shí)際生產(chǎn)中選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%摻量的MK。對(duì)比圖7和圖8可以看出，同摻量和蒸養(yǎng)時(shí)間下，MK對(duì)蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于SF，這可能是由于MK與Ca(OH)2反應(yīng)生成了低鈣硅比n(Ca)/n(Si)的C-S-H凝膠，C-S-H中的S—O鍵縮聚程度更高，減小了顆粒粒徑，使結(jié)構(gòu)更加致密[13]。同時(shí)MK中高活性的氧化鋁與高溫高濕環(huán)境形成疊加效應(yīng)，共同加速了水泥的水化進(jìn)程，在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)了更多水化產(chǎn)物的形成[14]，另外經(jīng)過煅燒的偏高嶺土可以細(xì)化結(jié)構(gòu)孔隙，降低混凝土中有害孔的含量[15-16]。

圖7 摻加SF的混凝土抗壓強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化情況Fig.7 Compressive strength of concrete mixedwith SF varies with steam curing time

圖8 摻加MK的混凝土抗壓強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化情況Fig.8 Compressive strength of concrete mixedwith MK varies with steam curing time

2.2 水化性能

通過XRD表征蒸養(yǎng)4 h下，摻加SF和MK的凈漿中水化產(chǎn)物的種類和類型，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，水泥硬化漿體中晶體成分主要為Ca(OH)2(CH)，以及未水化的C2S和C3S。圖中有兩個(gè)較大的CH峰值，分別在2θ=18°和28°處，對(duì)比三組譜圖中CH峰值可以看出對(duì)照組>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SF試驗(yàn)組>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MK試驗(yàn)組,表明SF和MK都消耗了部分CH，且MK反應(yīng)活性高于SF，這可能是因?yàn)镸K中除了高活性二氧化硅外還存在氧化鋁，蒸養(yǎng)環(huán)境下加速了氧化鋁水化，釋放更多的熱量，促進(jìn)了水泥中水化的反應(yīng)速度。對(duì)比CH峰值銳度可以看出凈漿>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SF硬化漿體>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MK硬化漿體，表明硬化漿體中CH反應(yīng)速度較慢，結(jié)晶度更高，宏觀上會(huì)導(dǎo)致試塊變脆，力學(xué)性能下降，這與混凝土試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果一致。對(duì)比峰值的寬化程度也能得到這一結(jié)論，寬化程度順序?yàn)閷?duì)照組>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SF硬化漿體>質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MK硬化漿體，表明大量的CH沒有參與水化反應(yīng)，而出現(xiàn)團(tuán)聚結(jié)晶現(xiàn)象，生成了顆粒較大的CH晶體。從圖9中還可以看出，各組硬化漿體中存在較多的MgO，這可能是由于礦粉中MgO含量較高，較多的MgO也會(huì)導(dǎo)致蒸養(yǎng)混凝土早期膨脹率增大，從而影響蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度發(fā)展。

圖9 各組水泥硬化漿體的XRD譜Fig.9 XRD patterns of each group of hardened cement paste

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

通過SEM分析水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)，圖10為對(duì)照組水泥凈漿蒸養(yǎng)4 h的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出水化產(chǎn)物較為疏松，內(nèi)部孔隙較多。圖11(a)、圖12(a)分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SF硬化漿體和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MK硬化漿體SEM照片。從圖11(a)可以看出，摻加SF的硬化漿體表面存在一些孔隙，相較于對(duì)照組，孔隙較小。圖12(a)中摻加MK后，水泥硬化漿體表面較為致密，可能是由于MK組C-S-H凝膠顆粒更小，可以填充內(nèi)部孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)。

圖10 水泥硬化漿體SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM image of hardened cement paste

對(duì)SF凈漿與MK凈漿固定區(qū)域進(jìn)行Si元素能譜分析，得到Si元素分布面分布圖像，分別如圖11(b)、圖12(b)所示。由圖11(b)可以看出，SF漿體表面存在高亮區(qū)域，表明摻加的硅灰分散不均勻，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這可能還是由于硅灰粒徑較小，攪拌過程不能打散內(nèi)部的團(tuán)聚體。從圖12(b)可以看出，MK漿體中，MK分散較為均勻，基本沒有高亮區(qū)域，表明MK在漿體中分散效果較好。這可能是由于MK顆粒較大，在攪拌過程中易被水泥顆粒和骨料打散。部分亮度較暗的區(qū)域可能是摻加的MK量較少導(dǎo)致的。

圖11 SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%水泥硬化漿體SEM照片及Si元素面掃描能譜圖Fig.11 SEM image of hardened cement paste with SF (mass fraction 5%) and mapping spectrum of Si element

圖12 MK質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的水泥硬化漿體SEM照片及Si元素面掃描能譜圖Fig.12 SEM image of hardened cement paste with MK (mass fraction 5%) and mapping spectrum of Si element

3 模型預(yù)測(cè)

3.1 建立模型

相較于傳統(tǒng)的正交試驗(yàn)，響應(yīng)面法可以更經(jīng)濟(jì)有效地優(yōu)化試驗(yàn)方案[17-18]，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用Design-Expert8.0軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，對(duì)硅灰摻量、偏高嶺土摻量、蒸養(yǎng)時(shí)間三個(gè)因素進(jìn)行考察，每個(gè)因素取3水平，以混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)值。表3為Design-Expert8.0軟件設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案。對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 Box-Behnken試驗(yàn)方案Table 4 Box-Behnken test programs

續(xù)表

3.2 模型可行性分析

表5為各模型信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于二次方程模型R2為0.963 2，相對(duì)于線性模型和兩因素交互關(guān)系模型更接近1，選擇二次方程模型進(jìn)行分析。

表5 模型信息統(tǒng)計(jì)Table 5 Model information statistics

通過選擇的二次方程模型，對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到三元二次模型如下：

S=78.125-2.581a-0.421b+3.672 5c-0.08ac-0.095bc+
0.256 4a2+0.144 4b2-0.157 66c2

(1)

式中：S為蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；a為膠凝材料中SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；b為膠凝材料中MK質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c為蒸養(yǎng)時(shí)間，h。

為了保證所選模型的合理性，對(duì)所選二次模型進(jìn)行可行性分析。本文通過F值驗(yàn)證，采用95%置信區(qū)間和5%顯著性水平對(duì)擬合試件抗壓強(qiáng)度的二次模型的可行性進(jìn)行評(píng)估，表6為回歸模型方差分析結(jié)果。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Analysis of variance results

F值表示均值方差的顯著性。該模型的F值為20.35，可以證明該模型適合于擬合抗壓強(qiáng)度。對(duì)17個(gè)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度和模型預(yù)測(cè)的強(qiáng)度值進(jìn)行分析，如圖13所示，17個(gè)采樣點(diǎn)均勻分布在直線兩邊，沒有離散現(xiàn)象，這進(jìn)一步表明,擬合的二次模型預(yù)測(cè)值非常接近測(cè)量值。分析式(1)可知，當(dāng)SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.6%、MK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、蒸養(yǎng)時(shí)間為8.6 h時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為104.8 MPa。圖14～16依次為SF摻量、MK摻量、蒸養(yǎng)時(shí)間相互耦合作用下的蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面，直觀顯示了多種影響因素協(xié)同作用下對(duì)蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖13 實(shí)測(cè)C80PHC抗壓強(qiáng)度與模型預(yù)測(cè)強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.13 Comparison of measured compressive strength ofC80PHC and predicted strength of the model

圖14 SF摻量和蒸養(yǎng)時(shí)間協(xié)同作用下的抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面Fig.14 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of SF content and steam curing time

圖15 MK摻量和蒸養(yǎng)時(shí)間協(xié)同作用下的抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面Fig.15 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of MK content and steam curing time

圖16 SF和MK摻量協(xié)同作用下的抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面Fig.16 Response surface of compressive strength under thesynergistic effect of SF content and MK content

4 結(jié) 論

(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%摻量的硅灰在蒸養(yǎng)8 h時(shí)對(duì)蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度有小幅提升，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了83.6 MPa，相較于對(duì)照組提升了6.2%，其他試驗(yàn)組均有小幅波動(dòng)，提升效果不明顯。質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%摻量的MK均可提高蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度，10%摻量的MK對(duì)蒸養(yǎng)4 h、8 h、12 h下蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度提升依次為15.6%、13.2%和13.6%，但MK摻量和蒸養(yǎng)時(shí)間效果差異不顯著?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)的成本問題，較優(yōu)的蒸養(yǎng)時(shí)間為8 h，SF摻量為8%，MK摻量為5%。

(2)SF和MK均能加速水泥水化，消耗水泥漿體中Ca(OH)2，使反應(yīng)產(chǎn)物更致密，SF和MK可以有效填充蒸養(yǎng)混凝土孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)，MK效果優(yōu)于SF。

(3)基于Box-Behnken試驗(yàn)，構(gòu)建三因素回歸方程，回歸系數(shù)R2為0.963 2，擬合效果較好，通過F值驗(yàn)證可知，該模型F值為20.35，置信度較高。通過分析回歸方程可知，當(dāng)SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.6%、MK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、蒸養(yǎng)時(shí)間為8.6 h時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為104.8 MPa。