礦物摻合料對超高性能水工混凝土性能影響分析

吳 憲

(盤錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

超高性能水工混凝土具備超低抗?jié)B性、超高韌性和超高強(qiáng)度等特性,其氯離子擴(kuò)散系數(shù)不超過20×10-14m2/s,抗拉與抗壓強(qiáng)度不低于5MPa和120MPa,0.15%變形的抗壓能力達(dá)到3MPa及以上[1-3]。因此,在水利工程領(lǐng)域超高性能水工混凝土的應(yīng)用前景非常廣闊,越來越引起材料研究者的重點(diǎn)關(guān)注。

通過選擇合適的原材料實(shí)現(xiàn)孔隙率下降、密實(shí)度增大以及顆粒最緊密堆積,在提高漿體強(qiáng)度的情況下增大纖維與漿體、集料與漿體間的黏結(jié)力,從而達(dá)到超高性能混凝土高韌性和高強(qiáng)度的目的。其中,礦物摻合料與水泥組成的膠凝材料是決定超低滲透性、超高韌性及超高強(qiáng)度的重要因素。礦物摻合料發(fā)生火山灰反應(yīng)和水泥發(fā)生水化反應(yīng)形成的各種產(chǎn)物有效填充了結(jié)構(gòu)體系中的孔隙,為各組分提供了連接膠結(jié)物質(zhì),這也是實(shí)現(xiàn)超高耐久、超高韌性以及超高強(qiáng)度的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外,超高性能水工混凝土膠砂比約為1.0,且大多數(shù)情況下僅使用細(xì)集料,故膠凝材料的成本及用量占比較高。然而,對常用摻合料類型、作用機(jī)理已成為超高性能水工混凝土研究應(yīng)用的重點(diǎn)。鑒于此,文章重點(diǎn)梳理與分析了玻璃微粉、偏高嶺土、稻殼灰、礦渣粉、粉煤灰、硅灰等常用礦物摻合料理化性質(zhì)及其影響,旨在為科學(xué)優(yōu)化與選擇礦物摻合料提供一定參考。

1 超高性能水工混凝土性能

1.1 硬化強(qiáng)度

較高的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的力學(xué)性能是超高性能水工混凝土的顯著特征,一般其抗折、抗拉、抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15～40MPa、5～15MPa和120～200MPa,隨著研究的深入和減水劑性能的提升其力學(xué)性能還具有較大的提升空間。

超高性能水工混凝土強(qiáng)度受礦物摻合料的有利影響主要體現(xiàn)在以下方面:礦物摻合料的自身填充作用能夠填充堆積體系中的孔隙與空隙,增大整體密實(shí)度和強(qiáng)度;同時(shí),其火山灰效應(yīng)有利于增加漿體密實(shí)度,生成產(chǎn)物的膠結(jié)作用還可進(jìn)一步增加漿體強(qiáng)度;另外,發(fā)生的火山灰反應(yīng)會消耗水泥水化產(chǎn)生的大量Ca(OH)2,其中的C-S-H凝膠對漿體強(qiáng)度貢獻(xiàn)優(yōu)于水泥水化產(chǎn)物[4]。

尺寸細(xì)小呈圓球狀的硅灰顆粒具有極高的SiO2含量,因此其火山灰反應(yīng)活性高且填充作用較強(qiáng),在兩者共同作用下硅灰具有及其顯著的強(qiáng)度增強(qiáng)作用。研究發(fā)現(xiàn),隨硅灰摻量的增加其強(qiáng)度提升效果表現(xiàn)出先增大后下降的變化趨勢。硅灰摻量不超過10%時(shí)所發(fā)揮的作用有限,對強(qiáng)度提升效應(yīng)不明顯;摻量處于10%～20%之間時(shí),硅灰摻量與混凝土強(qiáng)度開始表現(xiàn)出正線性相關(guān)性;摻量超過20%時(shí),隨硅灰摻量增大混凝土強(qiáng)度反而減小。這是因?yàn)閾?0%～20%硅灰時(shí)能夠大大提高結(jié)構(gòu)體系的整體密實(shí)度和強(qiáng)度,摻量超過20%以后過多的微細(xì)硅灰顆粒使得拌合物更黏稠,流動性下降并形成有害孔隙,對孔結(jié)構(gòu)細(xì)化造成不利影響,并使得混凝土強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度明顯降低。因此,考慮強(qiáng)度時(shí)硅灰的最佳摻量為10%～20%。

粉煤灰與水泥顆粒尺寸接近,在混凝土中發(fā)揮著活性效應(yīng),其火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物能夠起到一定的孔隙填充作用和膠結(jié)效應(yīng),對提高強(qiáng)度具有積極作用。然而,粉煤灰相比于硅灰的早期火山灰反應(yīng)活性較低,隨粉煤灰摻量的增加超高性能水工混凝土早期強(qiáng)度(前7d)降低,但隨著火山灰反應(yīng)的開始混凝土中期強(qiáng)度逐漸提高。另外,粉煤灰需要在孔溶液中才能發(fā)生火山灰反應(yīng),而超高性能水工混凝土水膠比較低,一般≤0.22,孔隙內(nèi)的溶液量有限,粉煤灰火山灰反應(yīng)與水泥水化反應(yīng)可能會存在競爭用水的情況,降低粉煤灰增強(qiáng)中后期強(qiáng)度的作用[5-6]。

礦渣粉與水泥顆粒的尺寸分布也比較相近,其表面持水能力和減水劑吸附量相較于水泥較弱。雖然礦渣粉的潤滑作用有限、顆粒表面多棱角且不規(guī)則,但其替代部分水泥后不需要增加減水劑用量和用水量。礦渣粉相比于水泥的反應(yīng)活性較低,早期火山灰反應(yīng)幾乎不會發(fā)生,故摻入一定礦渣粉能夠改善漿體流動性,后期逐漸發(fā)揮孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增強(qiáng)作用。

偏高嶺土火山灰活性強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著,相比于礦渣粉和粉煤灰其顆粒尺寸也較小,因成本價(jià)格較低常被用作硅灰的替代材料。同時(shí),偏高嶺土的活性受煅燒工藝及高嶺土性質(zhì)的影響較大,偏高嶺土等量替代硅灰能夠在一定程度上提升抗折強(qiáng)度,對強(qiáng)度不利影響較低。

玻璃微粉水泥的顆粒尺寸相近,這樣既可以防止堿集料反應(yīng)的發(fā)生又能夠充分發(fā)揮其較強(qiáng)的火山灰效應(yīng),有利于提高混凝土強(qiáng)度。摻量不超過40%時(shí),隨玻璃微粉摻量的增加超高性能水工混凝土強(qiáng)度逐漸增大,摻量達(dá)到50%時(shí)強(qiáng)度不再增大反而表現(xiàn)出下降趨勢。

稻殼灰顆粒內(nèi)部吸收儲存的水分后期發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用、火山灰反應(yīng)和填充作用共同影響著超高性能水工混凝土強(qiáng)度。另外,在發(fā)揮儲水作用的同時(shí)稻殼灰顆粒內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)還會降低顆粒自身強(qiáng)度,當(dāng)?shù)練せ覔搅枯^高超高20%時(shí)混凝土強(qiáng)度顯著降低,相比于其它礦物摻合料的摻量上限稻殼灰明顯較低。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)

玻璃微粉、稻殼灰、硅灰都含有活性SiO2,具有較高的反應(yīng)活性和水化促進(jìn)效應(yīng),從微觀上對漿體的影響存在較大差異。硅灰具有更顯著的孔隙優(yōu)化效應(yīng),漿體孔隙率隨一定硅灰摻量的增加而減小,隨摻量的增大孔隙結(jié)構(gòu)逐漸改善;稻殼灰的早期優(yōu)化作用較弱,這種多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)對中后期微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有明顯作用;受致密的結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸限制,玻璃微粉相較于硅灰的微觀結(jié)構(gòu)填充作用較低,其相較于稻殼灰優(yōu)化中后期微觀結(jié)構(gòu)的作用也較弱。

研究超高性能水工混凝土微觀結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮漿體“缺水”和遷移變化等因素,在自然養(yǎng)護(hù)條件下并不利于礦渣粉和粉煤灰快速發(fā)生反應(yīng)。所以,為加速礦渣粉和粉煤灰的反應(yīng)通常利用蒸壓養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。

偏高嶺土相比于硅灰具有更加明顯的細(xì)化后期微觀結(jié)構(gòu)的作用,由于增加偏高嶺土摻量會顯著增大混凝土用水量,隨偏高嶺土摻量的增大硬化后漿體的孔隙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢;摻量較低不超過20%時(shí),隨偏高嶺土摻量的增大混凝土孔隙率逐漸減小,摻量進(jìn)一步增≤30%時(shí)孔隙率將明顯增大。

1.3 收縮性能

根據(jù)發(fā)生時(shí)間可以將收縮劃分成塑性和硬性收縮,考慮不同成因又可以劃分成碳化、干燥、溫降、化學(xué)和干收縮等。超高性能水工混凝土因具有無粗骨料、高凝膠材料用量和低水膠比等特點(diǎn),其收縮一般表現(xiàn)為自收縮。其極低的水膠比使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)自干燥的時(shí)間較早,濕度下降較快使得混凝土自收縮占比較高;同時(shí),參與蒸發(fā)的水分很少,決定了自收縮總體變形有限。所以,在超高性能水工混凝土收縮中自收縮具有主導(dǎo)作用,故主要探討自收縮受幾種礦物摻合料的影響。

超高性能水工混凝土自收縮受內(nèi)部水分和孔結(jié)構(gòu)影響,水量相同的情況下水泥水化對水分的消耗程度決定了體系中的含水量,水化產(chǎn)物的填充效應(yīng)直接關(guān)系著孔隙結(jié)構(gòu)。

從孔結(jié)構(gòu)上,隨著水化的進(jìn)行毛細(xì)孔中的水分逐漸減少,孔內(nèi)凹液面的曲率增大致使溶液對孔壁的表面張力也逐漸提高,這也是混凝土自收縮的源動力。研究認(rèn)為,混凝土內(nèi)產(chǎn)生自干燥效應(yīng)和引起毛細(xì)張力明顯增加的孔直徑為5～50nm范圍,這與自收縮變形存在著密切聯(lián)系。

硅灰的早期活性較高,這使得內(nèi)部水分消耗較快。因此,硅灰的摻入會明顯加劇自收縮及其程度。硅灰及其反應(yīng)產(chǎn)物對孔隙結(jié)構(gòu)起到細(xì)化與分割、對較大或大孔發(fā)揮較強(qiáng)的填充作用,對與自收縮密切相關(guān)的孔隙消除效果非常有限。研究認(rèn)為,硅灰的摻入會顯著提高5～50nm孔徑的孔隙含量,使得混凝土自收縮明顯加劇。

礦渣粉和粉煤灰具有延緩水泥水化的作用,并且兩者的早期火山灰活性可以忽略不計(jì)。所以,礦渣粉和粉煤灰具有降低水泥水化消耗水分的作用,可以減少自收縮,其作用機(jī)理與一般混凝土類似。兩者對孔結(jié)構(gòu)的填充效應(yīng)小于硅灰,毛細(xì)孔張力及數(shù)量相對減少,有利于減小混凝土收縮。另外,粉煤灰的活性稍低于礦渣粉,將其粉磨至更小的顆粒后會顯著增強(qiáng)填充效應(yīng),加快火山灰反應(yīng)效率以及加劇混凝土自收縮。

玻璃微粉具有較高的火山灰活性,有利于促進(jìn)水泥水化,所以摻玻璃微粉會加速水分的消耗和混凝土自收縮。玻璃微粉及其火山灰反應(yīng)產(chǎn)物具有細(xì)化孔結(jié)構(gòu)的作用,通過填充體系內(nèi)的孔隙增加毛細(xì)孔的數(shù)量,導(dǎo)致自收縮的增加以及毛細(xì)孔內(nèi)自干燥效應(yīng)的加劇。

稻殼灰有利于促進(jìn)水泥水化反應(yīng),加速體系中水分消耗,但稻殼灰特殊的孔隙結(jié)構(gòu)可以儲存水分,在一定程度上起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,有利于減少自收縮、減緩自干燥效應(yīng)及緩解混凝土內(nèi)部的“缺水”問題。

偏高嶺土具有較高的火山灰效應(yīng)和較強(qiáng)的水泥水化促進(jìn)作用,偏高嶺土的摻入可以促進(jìn)自收縮的形成與發(fā)展,加速內(nèi)部水分的消耗。另外,偏高嶺土及其火山灰反應(yīng)產(chǎn)物能夠細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙分布,通過填充內(nèi)部孔隙,在一定程度上促進(jìn)自收縮的形成與發(fā)展。

2 結(jié) 論

1)拌合物中呈球形的粉煤灰和硅粉顆粒具有滾珠作用,有利于增大流動性,但硅灰極高的需水量和減水劑吸附量使得拌合物流動性大大降低;而多棱角的玻璃微粉和礦渣粉顆粒對拌合物流動性的改善作用低于粉煤灰;稻殼灰與偏高嶺土顆粒的減水劑吸附效果和溪水作用較強(qiáng),隨著其摻量的增加拌合物流動性明顯降低。

2)礦物摻合料通過填充和火山灰效應(yīng)可以生成對強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大、可發(fā)揮膠結(jié)作用的產(chǎn)物增強(qiáng)超高性能水工混凝土強(qiáng)度。硅灰提升混凝土強(qiáng)度作用最顯著,活性較高的偏高嶺土對強(qiáng)度提升作用比較明顯,受自身活性限制粉煤灰、礦渣粉在一定程度上會降低早期強(qiáng)度,對中后期有增強(qiáng)作用,玻璃微粉具有一定的提高混凝土強(qiáng)度作用,稻殼灰利用其內(nèi)部儲存內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,可以增強(qiáng)混凝土中后期強(qiáng)度,但稻殼灰摻量過高會明顯降低其強(qiáng)度。

3)礦物摻合料通過改變內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和含水量影響超高性能水工混凝土的自收縮,硅灰會顯著增加自收縮,礦渣粉于粉煤灰能夠降低自收縮,而摻入玻璃微粉和偏高嶺土?xí)》黾映咦允湛s,稻殼灰可利用其內(nèi)部儲存水分的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用減緩自收縮。