微珠對低溫自密實混凝土性能的影響

王浩 譚鹽賓 楊魯 鄭永杰 吳俊杰 付志勇 李林香

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

自密實混凝土是一種高流動性且穩(wěn)定的混凝土，在沒有振搗的情況下可以穿越密集鋼筋，能在模板中填充成型且不離析［1］。學者們［2-3］系統(tǒng)研究了水膠比、膠凝材料種類、骨料、外加劑等因素對自密實混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影響。自密實混凝土冬季施工時，由于拌和物溫度較低，水泥顆粒表面減水劑的吸附量減少從而影響其分散性能［4-5］。宏觀上表現(xiàn)為自密實混凝土較黏，不利于澆筑。在自密實混凝土中摻加1.5%的微珠T500能縮短64%，降低混凝土黏度［6］。將超細粉煤灰摻入超高性能混凝土中，不僅可以降低新拌砂漿屈服應力和塑性黏度，還可改善硬化混凝土密實度［7］。降低親水親油平衡值（HLB值）的聚羧酸減水劑摻入混凝土中亦可有效降低混凝土黏度［8］。

微珠是將優(yōu)質(zhì)粉煤灰經(jīng)工藝精選、加工而成的超細且具有連續(xù)級配的一種亞微米級球狀粉體，能有效改善混凝土的和易性，減少單方混凝土用水量。此外，摻入微珠方便且成本低廉，適用于各種強度等級混凝土。本文以新拌混凝土溫度和養(yǎng)護溫度均為20℃時未摻加微珠的自密實混凝土作為基準組，研究漿體溫度和養(yǎng)護溫度均為5℃時，微珠摻量對混凝土工作性能、塑性黏度、力學性能和耐久性能的影響，對自密實混凝土冬季施工有一定指導作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

水泥為北京金隅北水環(huán)?？萍加邢薰綪·O 42.5級水泥，礦粉為靈壽縣寧博礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的S95級磨細礦渣粉，微珠由天津志成新材料科技有限公司生產(chǎn)，砂為細度模數(shù)2.4的河砂，石子為5～16 mm的碎石，減水劑與增黏劑均為自制。不同膠凝材料的粒徑分布見圖1，微珠的化學組成見表1。

圖1 不同膠凝材料的粒徑分布

表1 微珠的化學組成 %

1.2 混凝土配合比

混凝土強度等級為C40，控制混凝土坍落擴展度在640～670 mm，含氣量為6%～7%。具體配合比見表2。其中：H0表示高溫（20℃）時不摻微珠混凝土，L2.5表示低溫（5℃）時摻入微珠混凝土，微珠摻量占膠凝材料總量的2.5%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗

2.1 掃描電鏡測試

采用德國ZEISS公司生產(chǎn)的Merlin場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）測試微珠顆粒的微觀形貌。

2.2 新拌混凝土工作性能測試

新拌混凝土工作性能指標包括坍落擴展度、擴展時間T500（自坍落度桶提起至自密實混凝土坍落擴展度達到500 mm的時間）、含氣量和V形漏斗流出時間。其中：新拌混凝土坍落擴展度和T500按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》中要求測試；含氣量和V形漏斗流出時間按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中要求測試。

2.3 新拌混凝土流變參數(shù)測試

將新拌混凝土裝入流變儀測試桶中，靜置60 s。以轉速為控制變量，首先以最高轉速0.5 r/s加載20 s；設置10個測試點，每個測試點間隔5 s，轉速等量遞減；持續(xù)加載，最終轉速為0.05 r/s。對測得的流動曲線進行擬合，得到扭矩與轉速之間的關系，即

式中：TO為扭矩，N·m；N為轉速，r/s；Y為與屈服應力有關的常數(shù)，N·m；V為與塑性黏度有關的常數(shù)，N·m·s。

基于Reiner-Riwlin公式［式（2）］［9］，以扭矩為橫坐標，轉速為縱坐標繪制扭矩-轉速圖。斜率與塑性黏度、圓筒的高度和半徑相關，而截距與屈服應力、黏度和圓筒半徑相關。由此可計算新拌混凝土的流變參數(shù)，即屈服應力和塑性黏度。

式中：h為葉片高度，取0.127 m；μ為塑性黏度，Pa·s；R1、R2分別為葉片和圓筒的半徑，分別取0.064 m和0.286 m；τ0為屈服應力，Pa。

2.4 硬化混凝土力學性能和耐久性能測試

硬化混凝土抗壓強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試，硬化混凝土電通量和抗凍性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試。抗壓強度測試齡期為3、7、28、56 d，電通量測試齡期為28、56 d，抗凍性能測試齡期為56 d。

3 試驗結果與討論

3.1 微觀結構分析

微珠的微觀形貌見圖2。可見：微珠含有大小不一的球形顆粒，將微珠摻入膠凝材料體系中可以起到滾珠或軸承作用，有效減少顆粒間的摩擦阻力，降低漿體黏度，提高新拌混凝土的工作性能。

圖2 微珠的微觀形貌

3.2 微珠摻量對混凝土工作性能指標和塑性黏度的影響

混凝土工作性能指標和塑性黏度測試結果見表3。

表3 混凝土工作性能指標和塑性黏度測試結果

由表3可知：

1）隨著新拌混凝土溫度降低，減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時間和塑性黏度均增加，而混凝土含氣量有所降低。原因是：混凝土溫度的降低不僅減緩了水泥水化速率，還降低了聚羧酸減水劑對水泥顆粒的吸附能力。聚羧酸減水劑與水泥顆粒的吸附-分散機理主要為靜電斥力作用和空間位阻作用［10］。通常減水劑分子首先吸附于C3A和C4AF（圖3［11］），由于水化速率降低，生成的水化產(chǎn)物減少，水泥顆粒吸附減水劑分子的數(shù)量減少，分散能力下降；聚羧酸減水劑的長側鏈游離于液相體系中發(fā)揮空間位阻作用，增加了水泥顆粒的分散穩(wěn)定性［12-13］。溫度降低使長側鏈發(fā)生蜷曲的概率增加，造成空間位阻作用減弱，分散能力受限。

圖3 水化水泥顆粒橫截面

2）新拌混凝土溫度為5℃時隨著微珠摻量增加，減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時間和塑性黏度逐漸降低，而混凝土含氣量略有增加。微珠摻量10%時低溫混凝土（5℃）的工作性能與常溫混凝土（20℃）相差不大。這是因為微珠的摻入能部分替換原空隙中的拌和水，使之轉化為自由水，增加了包裹骨料漿體膜厚度，加之微珠光滑球形結構的協(xié)同作用，有效降低新拌混凝土漿體黏度，使得其工作性能得到改善。

3.3 微珠摻量對硬化混凝土抗壓強度和電通量的影響

硬化混凝土抗壓強度和電通量測試結果見表4。可知：①養(yǎng)護溫度20℃時混凝土抗壓強度明顯高于5℃時，混凝土中未摻入微珠時，前者56 d混凝土抗壓強度比后者高9.8%。②養(yǎng)護溫度5℃時，隨著微珠摻量增加，混凝土3 d抗壓強度顯著降低，而56 d抗壓強度變化不大。③養(yǎng)護溫度從20℃降至5℃，未摻微珠混凝土28 d時電通量明顯增加，但56 d時相差不大。④養(yǎng)護溫度5℃時，混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大，但56 d電通量增幅不大，表明微珠不同摻量下56 d時混凝土密實度相差不大。原因是：在水化初期微珠與拌和水不發(fā)生水化反應，影響了硬化水泥石早期強度；隨著水泥水化，微珠中無定型SiO2與水化產(chǎn)物CH發(fā)生火山灰反應生成C-S-H凝膠，可填充水泥石毛細孔隙，增加水泥石強度和密實度。

表4 硬化混凝土抗壓強度和電通量測試結果

4 結論

1）隨著新拌混凝土溫度降低，減水劑用量、T500、V形漏斗流出時間以及塑性黏度均增加，即新拌混凝土工作性能顯著降低。

2）新拌混凝土溫度為5℃時，隨著微珠摻量增加，減水劑用量逐漸減少，混凝土塑性黏度顯著降低。微珠摻量10%時低溫（5℃）混凝土工作性能與常溫（20℃）相差不大。

3）當養(yǎng)護溫度降至5℃時，未摻微珠混凝土抗壓強度顯著降低，而電通量增加。硬化混凝土早期（3 d）抗壓強度隨著微珠摻量增加而顯著降低，混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大，但56 d電通量增幅不大。