礦物摻合料和細(xì)骨料對(duì)高性能混凝土性能的影響

王德弘,周雁峰,呂雪源,鞠彥忠,曾 聰,左 石,李 浩

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102;3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受地下水、土壤中腐蝕介質(zhì)侵蝕作用的影響,耐久性問題突出[1-3]。腐蝕很早就引起人們的注意了。有關(guān)數(shù)據(jù)表明[4],發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)建成的大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)提前損壞甚至結(jié)構(gòu)過早達(dá)到使用壽命的問題。沿海地區(qū)海洋環(huán)境下,荷載及氯離子腐蝕的作用會(huì)造成建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命不可估量的縮短,造成巨大經(jīng)濟(jì)的損失,這一問題已引起全世界業(yè)內(nèi)的關(guān)注。為了解決這一問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了摻入礦物摻合料的方法,以提升沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[5,6]。于本田[7]對(duì)五組礦物摻合料混凝土和一組不含礦物摻合料的普通混凝土進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明,粉煤灰和礦渣粉的使用可以提高混凝土的抗氯離子滲透性。王德弘[8]進(jìn)行了十三組礦物摻合料活性粉末混凝土的模擬海水腐蝕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)粉煤灰、礦渣的摻入能夠顯著改善RPC的抗海水侵蝕性能。呂艷[9,10]利用垃圾電廠飛灰、爐渣取代部分水泥進(jìn)行了C30混凝土的制備研究,驗(yàn)證了其較好的抗凍性。艾紅梅[11]把粉煤灰作為一種單獨(dú)組分摻入混凝土中,通過膠凝材料β數(shù)學(xué)模型,提出一種新型的大摻量粉煤灰配合比設(shè)計(jì)理論,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大摻量粉煤灰混凝土能顯著提高混凝土材料的抗氯離子能力。胡賀松等[12,13]針對(duì)南方沿海地區(qū)管樁的耐久性問題進(jìn)行試驗(yàn)研究。其提出帶裂紋的管樁混凝土耐久性指標(biāo),其中包括管樁混凝土性能的礦物摻合料品種和摻量,有機(jī)阻銹劑在管樁混凝土中短期阻銹上有較好的效果。于永齊[14]通過進(jìn)行流動(dòng)水干濕循環(huán),研究粉煤灰摻量,混凝土水化齡期因素下,混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響并進(jìn)行機(jī)理分析。畢麗蘋[15]研究了以鋰渣作為摻合料的新型混凝土,提出礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度的最佳預(yù)測(cè)模型,進(jìn)一步通過試驗(yàn),驗(yàn)證了其較好的抗酸雨性。李耀[16]研究不同干濕循環(huán)次數(shù)下,氯鹽對(duì)TPC加固柱抗震性能的影響,還進(jìn)一步的研究了在氯鹽干濕-荷載擬合作用下,攜帶TPC加固的混凝土柱的抗震性能,發(fā)現(xiàn)氯鹽侵蝕會(huì)嚴(yán)重降低混凝土柱的抗震性能。

研究表明,提高耐久性的關(guān)鍵是增加混凝土的密實(shí)性,礦物摻合料的合理使用可以增加混凝土的密實(shí)性[17,18]。本文擬通過坍落度實(shí)驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究了礦物摻合料和細(xì)骨料對(duì)混凝土的各種性能的影響規(guī)律,提出高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)建議,為沿海、鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提升設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料及其性能

水泥采用42.5標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥。減水劑采用高性能聚羧酸減水劑。碎石采用兩種粒徑的碎石,細(xì)碎石粒徑為5～10 mm,中碎石粒徑為10～15 mm。粉煤灰所采用的為一級(jí)粉煤灰,礦渣采用的是普通礦渣。河砂采用的是普通河砂,粒徑范圍0.25～0.65 mm。石英砂:由吉林市江密峰砂廠生產(chǎn)的細(xì)砂、中砂和粗砂,三種石英砂的粒徑分別為0.16～0.315 mm,0.315～0.63 mm和0.63～1.25 mm。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及混凝土制備

高性能混凝土設(shè)計(jì)采用的是全計(jì)算法[19]。在全計(jì)算法的基礎(chǔ)上,首先利用粉煤灰和礦渣共摻的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),其中粉煤灰和礦渣(雙摻)代替水泥,各類摻量選取:10%、20%和30%?？倱搅孔畹蜑?0%,最高為40%,得到細(xì)骨料為河砂的A類高性能混凝土配合比,如表1所示。其次利用石英砂代替河砂的方法。最終得到細(xì)骨料為石英砂B類高性能混凝土配合比,如表2所示。利用兩個(gè)數(shù)字對(duì)高性能混凝土進(jìn)行編號(hào),編號(hào)第1個(gè)數(shù)字表示粉煤灰替代摻量,第2個(gè)數(shù)字代表礦渣替代摻量。如“A20-10”為粉煤灰替代摻量20%,礦渣替代摻量為10%。

表1 A組高性能混凝土配合比/(kg/m3)Tab.1 Class A high performance concrete mix/(kg/m3)

表2 B組高性能混凝土配合比/(kg/m3)Tab.2 Class B high performance concrete mix/(kg/m3)

混凝土制備時(shí),首先將碎石及細(xì)骨料倒入攪拌機(jī),干攪至材料混合均勻,時(shí)間為2 min;然后將膠凝材料水泥、礦渣以及粉煤灰加入,干攪至混合均勻?yàn)橹?約2 min),之后將高效減水劑和1/2質(zhì)量的水混合均勻倒入攪拌機(jī),攪拌2 min后,再將剩余的水加入,攪拌至漿體[20]。

1.3 試件及試驗(yàn)方法

本文混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)均包含12組配合比。抗壓強(qiáng)度采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,抗折試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件[20]?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)包括7 d、14 d和28 d三種齡期,每組9個(gè)試件,總計(jì)為108個(gè)立方體試件?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)試件齡期為28 d,每組3個(gè)試件,總計(jì)為36個(gè)棱柱體試件。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用勻速加荷載的方式,河砂混凝土試件的加載速度為0.7 MPa/s,石英砂混凝土試件的加載速度為0.9 MPa/s?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)采用勻速加荷載的方式。河砂混凝土試件的加載速度為0.06 MPa/s,石英砂混凝土試件的加載速度為0.08 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高性能混凝土拌合物的坍落度

表3為高性能混凝土拌合物的坍落度試驗(yàn)結(jié)果。從表中結(jié)果可以看出,相同的礦物材料替代量下,河砂混凝土的拌合物坍落度均大于石英砂混凝土拌合物的坍落度。這是由于石英砂的表面粗糙度高于河沙的表面粗糙度,導(dǎo)致混凝土拌合物流動(dòng)性降低。

表3 高性能混凝土的坍落度Tab.3 Slump of high performance concrete

細(xì)骨料無(wú)論為河砂或者是石英砂,當(dāng)粉煤灰替代率30%,礦渣替代率10%時(shí)混凝土拌合物的坍落度最高;其次為粉煤灰替代率20%,礦渣替代率20%。當(dāng)混凝土坍落度粉煤灰替代率10%,礦渣替代率10%時(shí)坍落度最低,可見粉煤灰的摻加有利于提高混凝土拌合物的流動(dòng)性。

當(dāng)粉煤灰和礦渣摻量均為10%時(shí),兩種不同細(xì)骨料的混凝土的坍落度相差最大,為59 mm;當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí),礦渣摻量為10%時(shí),兩種不同細(xì)骨料的混凝土坍落度相差最小為26 mm,與之相差不大的為粉煤灰摻量為20%,礦渣摻量為20%的兩種混凝土,其混凝土坍落度相差28 mm。說明膠凝材料越多,細(xì)骨料即使不同,兩者混凝土的工作性能也會(huì)更加接近。

2.2 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度

表4為不同礦物摻量下,高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?礦物摻合料摻量的增大,混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì),而28 d抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),這是由于礦物摻合料的增加導(dǎo)致水泥用量的減少,早期水化程度降低,因而,抗壓強(qiáng)度偏低;隨著時(shí)間的增加,二次水化作用對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)逐漸增大,礦物摻量較大組混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。石英砂混凝土與河砂混凝土7 d強(qiáng)度抗壓接近,石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強(qiáng)度高于河砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。這是由于石英砂具有更高的粗糙度,與水泥及礦物摻合料的水化產(chǎn)物間的粘結(jié)強(qiáng)度。

當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),礦渣摻量10%的河砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d抗壓強(qiáng)度分別高79.9%和22.5%;礦渣摻量20%的河砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d抗壓強(qiáng)度分別高94.9%和28.7%;礦渣摻量30%的河砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d抗壓強(qiáng)度分別高115.1%和28.1%。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),礦渣摻量10%的石英砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d提高83.5%和15.5%;礦渣摻量20%的石英砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d抗壓強(qiáng)度分別提高164.6%和9.73%;礦渣摻量30%的石英砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較7 d和14 d抗壓強(qiáng)度分別提高187.0%和12.9%;可見前14 d是礦物摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要階段。

表4 高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度Tab.4 Compressive strength of high performance concrete

粉煤灰摻量的增大,對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高作用主要體現(xiàn)在14 d后的抗壓強(qiáng)度上;河砂混凝土和石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈增大趨勢(shì)。對(duì)比A10-10,A10-20和A10-30可知,礦渣的摻量變化對(duì)河砂混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度影響不明顯。對(duì)比B10-10,B10-20和B10-30可知,石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨著礦渣的摻量的增加而增大。

2.3 高性能混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

表5為不同礦物摻量下十二組高性能混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可知,石英砂混凝土的抗折強(qiáng)度均顯著大于河砂混凝土的抗折強(qiáng)度。細(xì)骨料為河砂時(shí),A10-10組混凝土抗折強(qiáng)度最高,其次為A20-10組,抗折強(qiáng)度最低為A10-30組和A30-10組。各組混凝土的抗折強(qiáng)度接近,最大抗折強(qiáng)度與最小抗折強(qiáng)度相差僅為0.18 MPa。細(xì)骨料為石英砂時(shí),整體抗折強(qiáng)度的變化相較細(xì)骨料為河砂有著明顯的不同,最大抗折強(qiáng)度與最小抗折強(qiáng)度相差0.88 MPa。其中,B30-10組混凝土的抗折強(qiáng)度最高,B10-30組抗折強(qiáng)度最低。

表5 高性能混凝土的抗折強(qiáng)度Tab.5 The flexural strength of high performance concrete

3 結(jié) 論

1)相同的配合比情況下,河砂混凝土拌合物的坍落度均大于石英砂混凝土拌合物的坍落度;礦渣和粉煤灰的摻加均能夠增加混凝土拌合物的坍落度,且粉煤灰對(duì)混凝土拌合物坍落度的增加效果更加顯著。

2)相同的配合比情況下,石英砂混凝土的早期抗壓強(qiáng)度低于河砂混凝土;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,石英砂混凝土的抗壓強(qiáng)度超過河砂混凝土的抗壓強(qiáng)度;石英砂混凝土的抗折強(qiáng)度均顯著大于河砂混凝土的抗折強(qiáng)度。

3)粉煤灰和礦渣的摻入能夠顯著提高混凝土的后期抗壓強(qiáng)度,但對(duì)于抗折強(qiáng)度的影響不明顯。