不同級(jí)配機(jī)制砂超高性能水工混凝土性能影響研究

李德豐

（遼寧省黑山縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 錦州 121400）

隨著科學(xué)技術(shù)及水利事業(yè)的快速發(fā)展，工程建設(shè)對(duì)原材料的要求不斷提高，多功能性、高韌性、強(qiáng)耐腐蝕性和高耐久性建筑材料必將成為未來(lái)的發(fā)展方向。超高性能混凝土(UHPC)憑借其高抗拉性能和優(yōu)異的耐久性能被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁及水利等工程領(lǐng)域[1,2]。這種新型高性能水泥基復(fù)合材料對(duì)養(yǎng)護(hù)條件和原材料品質(zhì)要求較高，加之利用高鋼纖維摻量、高膠材摻量、低水膠比的設(shè)計(jì)配合比，使得混凝土生產(chǎn)成本高、黏度大、工藝較復(fù)雜，大規(guī)模應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)澆筑受到一定限制[3-7]。為降低工程成本，有學(xué)者利用粗骨料及河砂開展了試驗(yàn)研究，但對(duì)超高性能水工混凝土性能受機(jī)制砂級(jí)配的影響研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本文利用常規(guī)養(yǎng)護(hù)方法，采用機(jī)制砂替代石英砂配制超高性能水工混凝土，深入探討了機(jī)制砂細(xì)度和級(jí)配對(duì)試樣工作性能、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及微觀形貌的影響，并進(jìn)一步揭示其高耐久高強(qiáng)的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

本試驗(yàn)所用水泥為中國(guó)葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5 級(jí)水泥，所用粉煤灰漂珠200 目，硅灰的活性二氧化硅含量不低于90%，比表面積19150m2/kg；將普通工程用機(jī)制砂剔除2.36mm以上的顆粒，緊密、松散堆積密度1650kg/m3和1482kg/m3，各級(jí)篩余見表1。試驗(yàn)選用長(zhǎng)徑比70 的端鉤鋼纖維，長(zhǎng)度12mm，抗拉強(qiáng)度不低于2880MPa；外加劑用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，減水率30%，拌合水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

表1 試驗(yàn)用機(jī)制砂各級(jí)篩余

1.2 試驗(yàn)方案

鑒于現(xiàn)有研究較少利用機(jī)制砂制備超高性能水工混凝土的實(shí)際情況，本研究結(jié)合前期的探索性試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)幾組配合比，如表2 所示。

表2 超高性能水工混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過(guò)程中，先按設(shè)計(jì)配合比預(yù)先精準(zhǔn)稱量粉料，把粉料加入攪拌機(jī)預(yù)拌60s 均勻混合，然后倒入減水劑和水的混合液攪拌120s，再加入稱量好的機(jī)制砂攪拌120s，最后向攪拌機(jī)內(nèi)加入端鉤鋼纖維攪拌180s。本試驗(yàn)選用160mm×40mm×40mm 試模裝入拌和好的混合料，為了保證試樣密實(shí)性振動(dòng)30 次成型，室內(nèi)靜置24h 后脫模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。儀器采用天辰Y(jié)AW-300C 全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)和賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測(cè)試混凝土的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同機(jī)制砂細(xì)度

一般機(jī)制砂主要存在中間粒徑顆粒少、粗顆粒多、級(jí)配差和粒型粗的問(wèn)題，結(jié)合表1 中各級(jí)篩余，將粒徑大于2.36mm 的顆粒剔除后，0.3～0.15mm(50～100 目) 顆粒占比較小，而0.3～0.6mm(30～50 目)、0.6～1.18mm(16～30 目)顆粒占比較大，所以需要較多次篩分才能獲取50～100目顆粒機(jī)制砂。為了保證混凝土施工效率，本試驗(yàn)選用粒徑0.3～0.6mm(30～50 目)和0.6～1.18mm(16～30目)機(jī)制砂進(jìn)行研究，單一粒徑機(jī)制砂試樣的工作性能如圖1 所示，力學(xué)性能如圖2 所示。

圖1 單一粒徑水工混凝土工作性能

圖2 單一粒徑水工混凝土力學(xué)性能

從圖1 可以看出，超高性能水工混凝土中摻單一粒徑范圍機(jī)制砂的工作性能良好，各組試樣的工作性能均不低于215mm，除了3#16～30 目機(jī)制砂超高性能水工混凝土外均可實(shí)現(xiàn)自流平，膠材相同情況下?lián)?0～50 目機(jī)制砂試樣的工作性能優(yōu)于16～30 目機(jī)制砂試樣；摻粒徑范圍相同的機(jī)制砂，超高性能水工混凝土工作性能隨粉煤灰漂珠摻量的提高而增大，隨硅灰摻量的提高而降低，并且降幅較為明顯。

從圖2(a)可以看出，各組水工混凝土28d 抗折強(qiáng)度整體較高，3#試樣28d 抗折強(qiáng)度最低也達(dá)到28.5MPa。從圖2(b)可以看出，各組試樣的抗壓性能比較優(yōu)異，除3#16～30 目機(jī)制砂超高性能水工混凝土28d 抗壓強(qiáng)度較低為132.5MPa，其它各組試樣均達(dá)到150MPa 以上?？傮w而言，超高性能水工混凝土力學(xué)性能最優(yōu)的是2#摻16～30 目機(jī)制砂組，其28d 抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到了36.0MPa 和160.6MPa，故選用單一粒徑范圍機(jī)制砂能夠滿足超高性能水工混凝土應(yīng)用要求。超高性能水工混凝土力學(xué)性能較差的為3#摻16～30 目機(jī)制砂組，這是由于所拌混凝土工作性能較差，水泥基體中的鋼纖維難以均勻分布，在一定程度上削弱了鋼纖維的緊箍搭接作用。

2.2 不同機(jī)制砂級(jí)配

對(duì)50～10 目、30～50 目和16～30 目粒徑范圍機(jī)制砂按照最緊密堆積原理進(jìn)行試驗(yàn)，從而探討剔除2.36mm 以上顆粒和緊密狀態(tài)下機(jī)制砂對(duì)超高性能水工混凝土性能的影響。首先，通過(guò)二級(jí)配處理30～50 目和16～30 目機(jī)制砂，合理確定最緊密狀態(tài)下兩者的質(zhì)量比例，然后在最緊密狀態(tài)的混合砂中摻入50～100 目機(jī)制砂，計(jì)算確定三者的質(zhì)量比，如表3 所示。

表3 二級(jí)配和三級(jí)配機(jī)制砂堆積密度 kg/m3

結(jié)果表明，16～30 目、30～50 目機(jī)制砂按照3：7 混合時(shí)緊密堆積密度達(dá)到最大1550kg/m3，其次是按5∶5 混合時(shí)的1545kg/m3，故二級(jí)配混合比例取3∶7 達(dá)到最佳。然后將50～100 目機(jī)制砂與二級(jí)配最佳混合比例機(jī)制砂按5∶5 混合，測(cè)定16～30 目、30～50 目、50～100 目三級(jí)配機(jī)制砂緊密堆積密度，結(jié)果顯示2∶5∶3 時(shí)三級(jí)配機(jī)制砂緊密堆積密度達(dá)到最大1660kg/m3。

結(jié)果顯示，當(dāng)摻入較多的50～100 目機(jī)制砂時(shí)，16～30 目、30～50 目機(jī)制砂按1∶1 或者3∶7 混合時(shí)三級(jí)配混合砂緊密堆積密度均較高，但配置超高性能水工混凝土的工作性能較低（見圖3），與單一粒徑范圍機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂所制備的水工混凝土工作性能稍差。這是因?yàn)樵趶?fù)配機(jī)制砂時(shí)，較細(xì)顆粒受外力作用易出現(xiàn)微裂紋，并且顆粒越細(xì)表面出現(xiàn)的微裂紋越多，從而導(dǎo)致細(xì)顆粒存在一定的水分吸附作用，所以摻入50～100 目機(jī)制砂特別是在低水膠比情況下，細(xì)顆粒對(duì)水分的吸附作用大于緊密堆積的“密實(shí)填充效應(yīng)”，致使新拌混凝土工作性能有所下降[9-10]。

圖3 復(fù)配機(jī)制砂水工混凝土工作性能

通過(guò)對(duì)比圖2、圖4 可知，與摻單一粒徑范圍機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂配制的水工混凝土力學(xué)性能增長(zhǎng)并不明顯，究其原因是微細(xì)顆粒具有一定的水分吸附作用，在一定程度上降低了水泥水化生成的C-S-H 凝膠含量，但這部分負(fù)面作用被“緊密堆積密實(shí)填充效應(yīng)”所抵消。因此，在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當(dāng)摻入50～100 目機(jī)制砂，不宜引入更小粒徑機(jī)制砂。

圖4 復(fù)配機(jī)制砂水工混凝土力學(xué)性能

從圖3、4 可以看出，與直接摻剔除2.36mm以上顆粒機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂制備的水工混凝土工作性能及力學(xué)性能更優(yōu)，究其原因是剔除2.36mm 以上顆粒的機(jī)制砂含有較多的微細(xì)顆粒，并且其級(jí)配較差。復(fù)配機(jī)制砂配制的水工混凝土28d 抗折強(qiáng)度均不低于35MPa，28d 抗壓強(qiáng)度不低于150MPa?？傮w而言，按4∶4∶2 混合16～30目、30～50 目、50～100 目機(jī)制砂配制的混凝土工作性能及力學(xué)性能最優(yōu)，28d 抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.0MPa 和168.6MPa。

2.3 SEM 掃描電鏡

為進(jìn)一步探討不同齡期水化產(chǎn)物微觀形貌以及水泥石與集料、基體與纖維的結(jié)合情況，采用賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測(cè)試4∶4∶2三級(jí)配機(jī)制砂試樣的微觀結(jié)構(gòu),可以看出在水泥基體中鋼纖維能夠連續(xù)錯(cuò)向搭接分布，對(duì)于微裂紋的形成及擴(kuò)展產(chǎn)生有效的抑制作用，并且纖維的環(huán)箍搭接效應(yīng)有利于降低混凝土干縮。齡期3d 時(shí)水泥石與端鉤鋼纖維就可以緊密結(jié)合，在鋼纖維表面黏附的C-S-H 凝膠可以減少水泥石基體中的微裂縫及原始孔，早期水化生成的基體結(jié)構(gòu)比較致密；隨著齡期的延長(zhǎng)大量的C-S-H 凝膠附著于鋼纖維表面，水泥石基體與鋼纖維之間未發(fā)現(xiàn)明顯的微細(xì)裂縫，足夠的水化產(chǎn)物可以非常緊密地包裹兩者，所以鋼纖維的錯(cuò)向搭接分布可以有效提升混凝土的力學(xué)性能[11-12]。

水泥石—集料的界面過(guò)渡區(qū)是混凝土結(jié)構(gòu)的最薄弱區(qū)域，兩者的結(jié)合程度在很大程度上決定了混凝土的整體耐久性及力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下漿體的早期水化產(chǎn)物以CH 晶體和C-S-H 凝膠為主，齡期3d 時(shí)水泥石—集料界面過(guò)渡區(qū)存在微裂縫，水化產(chǎn)物還無(wú)法緊密包裹住集料；齡期達(dá)到28d 時(shí)水泥石—集料界面過(guò)渡區(qū)未出現(xiàn)明顯微裂縫，水化產(chǎn)物能夠非常緊密地包裹集料，這種致密結(jié)構(gòu)明顯提高了混凝土的力學(xué)性能，漿體內(nèi)的水化產(chǎn)物以AFT 與CH 晶體、C-S-H 凝膠為主。

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及對(duì)比分析可知，采用機(jī)制砂替代石英砂可降低超高性能水工混凝土成本約500元/m3，并且試樣的工作性能及力學(xué)性能良好，能夠達(dá)到工程使用要求，所以其應(yīng)用前景非常廣闊。

3 結(jié)論

1）一般養(yǎng)護(hù)條件下，采用機(jī)制砂配制的超高性能水工混凝土工作性能及力學(xué)性能能夠達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求，并且用機(jī)制砂替代石英砂有利于降低工程成本。

2）復(fù)配機(jī)制砂較單摻剔除2.36mm 以上粒徑機(jī)制砂配制的混凝土工作性能及力學(xué)性能有所提升，結(jié)合力學(xué)性能及工作性能，按4 ∶4∶2 混合16～30 目、30～50 目、50～100 目機(jī)制砂配制的混凝土綜合性能最優(yōu)，與單一粒徑機(jī)制砂相比復(fù)配機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度提高作用并不明顯，并且工作性能出現(xiàn)變差的情況，在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當(dāng)摻入50～100 目機(jī)制砂，不宜引入更小粒徑機(jī)制砂。

3）經(jīng)微觀分析，基體中的鋼纖維連續(xù)錯(cuò)向搭接分布，水化產(chǎn)緊密物附著于鋼纖維表面；水泥石—集料的界面過(guò)渡區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂縫，水化產(chǎn)物可以緊密地包裹集料，這種致密結(jié)構(gòu)明顯提高了混凝土的力學(xué)性能。