甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC基本性能影響分析

劉樂(lè)樂(lè),潘亞磊,楊友軍

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

超高性能混凝土(UHPC)是依據(jù)顆粒緊密理論設(shè)計(jì),通過(guò)不同粒徑骨料的合理配比,硅灰等超細(xì)粉末礦物摻合料和鋼纖維等增強(qiáng)增韌材料的加入,以及高溫蒸壓等養(yǎng)護(hù)手段,最終形成的一種水泥基復(fù)合材料[1]。UHPC的經(jīng)典配合比中的硅灰和粉煤灰分別為冶煉鋼鐵和火力發(fā)電的固體廢棄物。近年來(lái),國(guó)內(nèi)低產(chǎn)能、高污染的電廠煉鐵廠等大批量的淘汰關(guān)閉,導(dǎo)致硅灰和粉煤灰等傳統(tǒng)礦物摻合料價(jià)格飛漲,資源稀缺[2]。所以,探索新的礦物摻合料在UHPC中的應(yīng)用十分必要。

凹凸棒土是一種甘肅省內(nèi)特有且儲(chǔ)量豐富的含水富鎂硅酸鹽粘土礦,其具有獨(dú)特的過(guò)渡鏈層狀結(jié)構(gòu)以及包括吸附性、催化性、膠凝性、填充性和火山灰效應(yīng)等在內(nèi)的多種特殊的物理化學(xué)性能,素有“萬(wàn)土之王”之的美稱(chēng)[3]。目前,已有學(xué)者將甘肅凹凸棒土作為礦物摻合料加入普通混凝土當(dāng)中,有效地改善了普通混凝土的力學(xué)性能和耐久性能[4]。因此,如果能充分利用甘肅省的資源優(yōu)勢(shì),將凹凸棒土摻入U(xiǎn)HPC中替代部分膠凝材料,在優(yōu)化UHPC基本性能和降低成本的同時(shí),還可以有效減少傳統(tǒng)膠凝材料生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境壓力,進(jìn)一步提升UHPC的環(huán)保性。

因此,本文以機(jī)制UHPC為基礎(chǔ),通過(guò)試驗(yàn)研究了原礦以及100、400、500、600、750 ℃煅燒改性后的甘肅凹凸棒土作為礦物摻合料,以不同比例取代硅灰后對(duì)UHPC工作性能及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用甘肅省臨澤縣奮君礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的凹凸棒土原礦,礦源地為臨澤縣板橋鎮(zhèn),水泥為永登祁連山水泥廠生產(chǎn)的52.5級(jí)水泥,28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為9.1、55.6 MPa;硅灰由甘肅利鑫源微硅粉公司生產(chǎn),其活性SiO2含量為93.24%,燒失量2.38;礦渣粉為S95 型白色粉末礦渣粉,平均粒徑2.8 um,比表面積800 m2/kg;機(jī)制砂產(chǎn)地為蘭州市皋蘭縣,由玄武巖破碎而來(lái);鋼纖維為圓柱形短細(xì)鍍銅鋼纖維,長(zhǎng)度、直徑和長(zhǎng)徑比分別為13、0.2 mm和65;減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為25%～30%;水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)現(xiàn)有學(xué)者的研究結(jié)論的熱重分析中GT曲線的特點(diǎn)以及現(xiàn)有學(xué)者的研究結(jié)論[5],同時(shí)綜合考慮熱重分析試驗(yàn)存在的質(zhì)量損失與相對(duì)溫度變化的滯后情況,本文將凹凸棒土的煅燒處理溫度設(shè)定為100、400、500、600、750 ℃ 5個(gè)溫度。

通過(guò)馬弗爐煅燒的方法,制備出5種不同煅燒溫度處理的甘肅凹凸棒土,其升溫速率為10 ℃/min,達(dá)到指定溫度后持續(xù)煅燒時(shí)間為2 h。以普通UHPC為基準(zhǔn)組,原礦凹凸棒以及個(gè)各溫度煅燒處理的凹凸棒分別以10%、20%、30%、40%的比率取代硅灰作為試驗(yàn)組制備UHPC試件,在試件制備完成后依據(jù)相關(guān)規(guī)范分別測(cè)試各組UHPC的工作性和 28 d 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度。

表1 凹凸棒UHPC配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC工作性能的影響

圖1為甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC 流動(dòng)性的影響,可以看出:甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的流動(dòng)度有不利影響,其中以摻入未煅燒原礦凹凸棒土的試驗(yàn)組最為明顯。在10%～40%的4個(gè)不同摻量中,UHPC漿體流動(dòng)度相較于基準(zhǔn)組分別降低了17.14%、19.18%、25.31%和29.39%。凹凸棒土本身獨(dú)特的理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)是造成這一現(xiàn)象的主要原因。一方面,凹凸棒土極強(qiáng)的吸水性降低了水膠比,影響了UHPC的流動(dòng)度;另一方面,凹凸棒土微觀結(jié)構(gòu)中存在著大量的由晶束聚集形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚集體,極易聚集成團(tuán),將其摻入U(xiǎn)HPC中,將增大膠凝材料間的摩擦阻力,即凹凸棒土本身的膠體性使得UHPC漿體變得粘稠,從而降低了漿體的流動(dòng)度。

(a) 內(nèi)摻20%甘肅凹凸棒UHPC流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

(b) 甘肅凹凸棒土 UHPC 流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果圖1 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響

甘肅凹凸棒土經(jīng)過(guò)煅燒處理后,其吸水性和膠體性明顯下降,UHPC的流動(dòng)度較未煅燒前有所提高。在相同摻量下,500 ℃煅燒處理凹凸棒土的UHPC流動(dòng)度最大。當(dāng)凹凸棒土摻量為30%時(shí),對(duì)應(yīng)的 UHPC流動(dòng)度值為210 mm,與相同摻量原礦凹凸棒土的流動(dòng)度相比提高了14.75%。這是因?yàn)?00 ℃煅燒處理后凹凸棒土原礦中的坡縷石結(jié)構(gòu)脫水分解,從而有效降低了其對(duì)UHPC漿體流動(dòng)度的影響。

2.2 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響,可以看出:甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有不利影響;首先,摻入原礦凹凸土的試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組相比,其抗壓強(qiáng)度有較大程度的降低,摻入10%原礦凹凸棒土的UHPC抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組降低了10.21%;其次,凹凸棒土經(jīng)煅燒處理后,其對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有不利影響有所降低,當(dāng)凹凸棒土的摻量為30%時(shí),500、600、750 ℃煅燒處理的試驗(yàn)組UHPC試塊的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組的差距均在5%以?xún)?nèi),尤其500 ℃試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度僅小于基準(zhǔn)組1.22%。

(a) 內(nèi)摻20%甘肅凹凸棒UHPC抗壓破壞性形態(tài)

(b) 甘肅凹凸棒土 UHPC 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖2 甘肅凹凸棒土對(duì) UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響

圖3為甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC 抗折強(qiáng)度的影響,可以看出:摻入原礦凹凸土的試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組相比,抗折強(qiáng)度均有所升高。摻入10%原礦凹凸棒土的UHPC抗折強(qiáng)度為30.75 MPa,較基準(zhǔn)組升高了4.50%。隨著摻量的增加,原礦凹凸土對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的提升不斷增大,原礦凹凸棒土摻量為20%、30%、40%的3組UHPC抗折強(qiáng)度分別升高了5.56%、7.39%、1.85%。

(a) 內(nèi)摻20%甘肅凹凸棒UHPC抗折破壞性形態(tài)

(b) 甘肅凹凸棒土 UHPC 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖3 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響

凹凸棒土經(jīng)過(guò)煅燒處理后同樣可以提高UHPC的抗折強(qiáng)度,且提升程度遠(yuǎn)大于原礦凹凸土。20%凹凸棒土摻量,500、600 ℃煅燒處理的試驗(yàn)組抗折強(qiáng)度分別為35.28、31.98 MPa,較原礦凹凸棒土分別提高了13.45%、2.82%。當(dāng)凹凸棒土的摻量增加到30%時(shí),除了600 ℃煅燒處理的試驗(yàn)組外,其他UHPC試塊的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組均有5%以上的提升,尤其500 ℃試驗(yàn)組抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提升了18.79%,增強(qiáng)效果尤為顯著。這可能是因?yàn)?00 ℃煅燒凹凸棒土的反應(yīng)活性相較于未煅燒凹凸棒土得到明顯提升,其火山灰活性和細(xì)長(zhǎng)狀纖維改善了UHPC細(xì)觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和粘結(jié)強(qiáng)度。

2.4 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4為甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,可以看出:摻入原礦凹凸土的試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組相比,其劈裂抗拉強(qiáng)度存在不同程度的降低。摻入10%原礦凹凸棒土的UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度為17.97 MPa,較基準(zhǔn)組降低了1.21%。隨著摻量的增加,原礦凹凸土對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的降低不斷增大,原礦凹凸棒土摻量為20%～40%的3組UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了2.22%、3.62%、3.22%。

(a) 內(nèi)摻20%甘肅凹凸棒UHPC劈裂抗拉破壞性形態(tài)

(b) 甘肅凹凸棒土 UHPC 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖4 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

凹凸棒土經(jīng)過(guò)煅燒處理后則可以小幅提高UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度。20%凹凸棒土摻量,500、600、750 ℃煅燒處理的試驗(yàn)組劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了8.14%、6.05%、3.12%。當(dāng)凹凸棒土的摻量增加到30%時(shí),除了原礦以及100煅燒處理的試驗(yàn)組外,其他UHPC試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度都高出基準(zhǔn)組5%～7%左右,尤其600 ℃試驗(yàn)組劈裂抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)組提升7.18%。

3 結(jié)論

1) 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的工作性能有不利影響,煅燒處理可以有效改善原礦甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC漿體流動(dòng)度的不利影響。500 ℃煅燒處理后的凹凸棒土吸水性較小,在相同摻量下UHPC漿體流動(dòng)度最高。

2) 甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有不利影響,摻入10%原礦凹凸棒土的UHPC抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組降低了10.21%。經(jīng)煅燒處理后,甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有不利影響有所降低。當(dāng)凹凸棒土的摻量為30%時(shí),500、600、750 ℃煅燒處理的試驗(yàn)組UHPC試塊的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組的差距均在5%以?xún)?nèi),尤其500 ℃試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度僅小于基準(zhǔn)組1.22%。

3) 甘肅凹凸棒土可以增強(qiáng)UHPC的抗折以及劈裂抗拉強(qiáng)度,且煅燒處理后的甘肅凹凸棒土對(duì)UHPC的抗折以及劈裂抗拉強(qiáng)度的提升程度遠(yuǎn)大于原礦凹凸土,20%摻量的500 ℃煅燒處理甘肅凹凸棒土可以將UHPC的抗折以及劈裂抗拉強(qiáng)度提高8%左右。