石灰石粉硅灰復(fù)合膠凝體系預(yù)制梁混凝土試驗研究

李寶清 袁 文 趙春東 朱云升

(1.四川省交通建設(shè)集團有限責(zé)任公司 成都 610047; 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

我國西南地區(qū)粉煤灰供應(yīng)比較緊缺,質(zhì)量參差不齊,劣質(zhì)粉煤灰會造成新拌混凝土流動性差、坍落度經(jīng)時損失大、出現(xiàn)氨味,以及冒黑油等現(xiàn)象,影響混凝土質(zhì)量。因此混凝土工程中有必要尋求新的礦物摻合料取代粉煤灰,2014年頒布JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[1]指導(dǎo)和規(guī)范了石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用。磨細(xì)石灰石粉具有晶核、填充、化學(xué)、稀釋4種作用,能有效減少混凝土孔隙率,提高其早期強度[2]。硅灰是一種高火山灰活性物料,其二次水化作用能顯著提高混凝土后期強度[3]。石灰石粉硅灰雙摻能在混凝土不同齡期發(fā)揮不同作用,優(yōu)勢互補,提高混凝土各齡期強度,達(dá)到“1+1>2”的疊加效應(yīng)。本文對比研究單摻粉煤灰和復(fù)摻石灰石粉硅灰對C50預(yù)制梁混凝土性能影響的差異,結(jié)合掃描電鏡對混凝土性能差異進(jìn)行微觀機理解釋,以期為工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗概況

1.1 原材料選擇及性能指標(biāo)

選用亞東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,物理性能指標(biāo)見表1。粉煤灰、石灰石粉、硅灰的物理性能指標(biāo)見表2。5～10 mm米石和10～20 mm中石按質(zhì)量比2∶8形成連續(xù)級配碎石。表觀密度2 502 kg/m3,吸水率0.84%,含泥量0.63%,針片狀含量3.6%。選用細(xì)度模數(shù)2.94的機制砂中砂,級配處于II區(qū)上、下限之間,亞甲藍(lán)值0.6 g/kg,表觀密度2 635 kg/m3。外加劑為聚羧酸系高性能緩凝型減水劑WIN105,減水率26.5%,含固量26.8%;水為自來水。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 3種礦物摻合料物理性能指標(biāo)

1.2 試驗配合比

某預(yù)制小箱梁C50混凝土基準(zhǔn)配合比見表3,粉煤灰占膠凝材料15%,水膠比0.32,砂率43%,設(shè)計表觀密度2 460 kg/m3。石灰石粉硅灰按不同比例雙摻取代粉煤灰,石灰石粉取代粉煤灰比例分別為0%,33%,67%,100%,則硅灰分別取代粉煤灰的100%,67%,33%,0%,石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰C50混凝土配合比見表4。

表3 預(yù)制梁C50混凝土基準(zhǔn)配合比

表4 石灰石粉硅灰雙摻預(yù)制梁C50混凝土配合比

1.3 試驗方法

按GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》分別測定混凝土坍落度、擴展度、1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失。成型標(biāo)準(zhǔn)立方體和棱柱體試塊標(biāo)養(yǎng)后,按GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》分別測定混凝土3,7,28 d抗壓強度和彈性模量。按GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》分別對標(biāo)養(yǎng)至1,3,7,14,28,45,60 d混凝土試塊進(jìn)行干燥收縮試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

混凝土的坍落度、擴展度,以及經(jīng)時損失嚴(yán)重影響現(xiàn)場預(yù)制梁澆筑施工作業(yè)及梁體外觀質(zhì)量。本文依托某工程智慧梁場,需要加速模板和移動支座運轉(zhuǎn),提高生產(chǎn)效率,要求實現(xiàn)預(yù)制箱梁3 d張拉,這需要預(yù)制梁混凝土3 d達(dá)到張拉時所需的抗壓強度和彈性模量。預(yù)制梁混凝土干燥收縮變形過大會造成預(yù)制箱梁表面開裂,影響其耐久性。

2.1 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土工作性能影響

C50預(yù)制梁混凝土工作性能試驗結(jié)果見表5。當(dāng)硅灰完全取代粉煤灰,聚羧酸系減水劑摻量為1.2%時,新拌混凝土干硬板結(jié),幾乎沒有流動性,提高減水劑摻量后流動性得以改善,這與硅灰自身需水量大密切相關(guān)。隨著石灰石粉的摻入量增加,新拌混凝土的出機坍落度和擴展度會逐漸增加。與基準(zhǔn)混凝土相比,石灰石粉取代33%粉煤灰和和硅灰67%的粉煤灰新拌混凝土坍落度下降7.5%,擴展度下降16.7%,1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失分別下降33.3%,37.5%;石灰石粉取代67%粉煤灰和硅灰取代33%粉煤灰的新拌混凝土坍落度提高10%,擴展度提高6.3%,1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失分別下降50%,62.5%;石灰石粉100%取代粉煤灰的新拌混凝土坍落度提高20%,擴展度提高14.6%,1 h坍落度沒有損失,擴展度下降25%。在相同用水量和減水劑摻量條件下?lián)饺牍杌覍π掳杌炷恋墓ぷ餍阅苡胁焕绊?這是由于硅灰比表面積極大,吸附混合料中大量自由水和聚羧酸減水劑,導(dǎo)致混凝土漿體量不足。摻入石灰石粉可以提高混凝土的出機坍落度和擴展度,并減少1 h坍落度和擴展度經(jīng)時損失。這是因為石灰石粉在混凝土體系中具有分散減水作用,有利于水泥顆粒的分散和懸浮。石灰石粉取代水泥后,水泥和石灰石粉密度差異較小,不會影響混凝土漿體量,降低整個膠凝材料體系的需水量[4-5]。

表5 新拌梁板C50水泥混凝土工作性能

2.2 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響

石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土抗壓強度變化曲線見圖1。

圖1 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土抗壓強度變化曲線

由圖1可知,與基準(zhǔn)混凝土相比,硅灰取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高0.8%,9.9%,2.7%;硅灰取代67%粉煤灰和石灰石粉取代33%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高2.4%,7.3%,7.5%;硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰混凝土3,7,28 d抗壓強度分別提高3.2%,4.2%,12.6%;石灰石粉100%取代粉煤灰混凝土3,7 d抗壓強度分別提高5.9%,1.0%,28 d抗壓強度卻降低3%。由此可見,石灰石粉可有效提高混凝土早期抗壓強度,對水泥的水化反應(yīng)有促進(jìn)作用,石灰石粉充當(dāng)晶核,促進(jìn)了C─S─H凝膠等水化產(chǎn)物的晶析過程[6]。但石灰石粉是惰性材料,單摻使用會限制混凝土后期強度發(fā)展。而摻入硅灰可以有效提高混凝土后期抗壓強度,硅灰中大量活性SiO2在堿性環(huán)境下與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),增加低堿性C─S─H凝膠和C─A─S─H凝膠數(shù)量。同時,粒徑極小的硅灰在混凝土中能起到填充作用,從而提高硬化混凝土致密性[7]。石灰石粉硅灰雙摻膠凝體系混凝土3,7,28 d齡期抗壓強度均高于單摻粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土,石灰石粉硅灰雙摻能發(fā)揮復(fù)合礦物摻合料的“超疊加效應(yīng)”,水泥-石灰石粉-硅灰三元膠凝材料體系優(yōu)化了膠凝材料的顆粒級配,充分填充不同粒徑顆粒間隙,提高混凝土密實度,硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰的雙摻混凝土28 d強度提高幅度最為顯著,達(dá)到11.3%。

2.3 石灰石粉硅灰雙摻復(fù)合膠凝體系對混凝土彈性模量的影響

C50混凝土彈性模量試驗結(jié)果見圖2。

圖2 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土彈性模量變化曲線

由圖2可知,與基準(zhǔn)混凝土相比,硅灰取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高2.3%,2.5%,5.3%,硅灰取代67%粉煤灰和石灰石粉取代33%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高2.6%,0.9%,3.8%;硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高3.5%,3.7%,6.1%;石灰石粉取代100%粉煤灰混凝土3,7,28 d彈性模量分別提高4.2%,3.1%,0.6%。各配合比水泥混凝土3,7 d彈性模量分別達(dá)到28 d彈性模量的80%和90%以上,根據(jù)JTG 3650-2020規(guī)定[8],后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉時,混凝土彈性模量不應(yīng)低于28 d彈性模量的80%,因此石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰混凝土澆筑的預(yù)制梁構(gòu)件能滿足3 d張拉要求。隨著石灰石粉和硅灰摻量的增加,混凝土3,28 d彈性模量都逐漸增大。這是由于石灰石粉成核作用能加快水泥早期水化速率,石灰石粉和硅灰的“微集料效應(yīng)”能填充不同孔徑的孔隙,提高混凝土密實度,從而提高混凝土早期抗壓彈性模量。同時,由于硅灰具有火山灰活性,二次水化作用能消耗水泥石或水泥石-粗骨料之間界面過渡區(qū)的Ca(OH)2,繼續(xù)生成低堿性水化硅酸鈣凝膠,對混合料起到更好的填充和膠結(jié)作用,同樣提高了混凝土的彈性模量。石灰石粉硅灰雙摻具有“彈性模量互補效應(yīng)”,石灰石粉在早期促進(jìn)水化作用,硅灰在后期發(fā)揮二次水化作用,綜合改善混凝土各齡期的抗變形能力。

2.4 石灰石粉硅灰雙摻取代粉煤灰對混凝土干縮性能的影響

C50預(yù)制梁混凝土干縮性能試驗結(jié)果見圖3。如圖所示,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,相比基準(zhǔn)混凝土,雙摻石灰石粉硅灰混凝土的干燥收縮率逐漸增大,前期(0～28 d)干縮值增長幅度較大,后期(28～60 d)干縮值增長幅度減緩。隨著硅灰摻量的增加,雙摻混凝土干縮率逐漸增加,其中硅灰100%取代粉煤灰混凝土干縮率增長幅度最大,其1,3,7,14,28,45,60 d干縮率分別提高了52.8%,35.8%,35.3%,29.7%,29.2%,24.9%,25.1%。這是由于硅灰內(nèi)部一般90%以上SiO2在Ca(OH)2堿激發(fā)作用下迅速與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),即Ca(OH)2+SiO2+H2O→C─S─H,SiO2參與水化反應(yīng)生成C─S─H凝膠的同時伴隨著水分的消耗,從而加大了雙摻混凝土干縮率。隨著石灰石粉摻量的增加,雙摻混凝土干縮率逐漸減小,石灰石粉100%取代粉煤灰混凝土干縮率低于基準(zhǔn)混凝土,分別降低了12.5%,17.6%,18.6%,23.3%,13.6%,9.2%,8.8%。這是由于一方面石灰石粉中的CaCO3與水泥熟料C3A發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膨脹性產(chǎn)物水化碳鋁酸鈣;另一方面石灰石粉能減小膠凝材料需水量,填充混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),從而改善雙摻混凝土的干燥收縮特性[9-10]。石灰石粉和硅灰對混凝土干縮率的影響相反,因此要合理調(diào)整石灰石粉和硅灰的雙摻比例,硅灰取代33%粉煤灰和石灰石粉取代67%粉煤灰雙摻混凝土與基準(zhǔn)混凝土的干縮率接近,不會對硬化混凝土的收縮開裂產(chǎn)生較大影響。

圖3 石灰石粉硅灰雙摻體系混凝土干縮變化曲線

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

分別對JZ、FC-1、FC-3、FC-4中28 d齡期混凝土進(jìn)行掃描電鏡試驗,掃描電鏡結(jié)果見圖4。

圖4 SEM圖

由圖4可見,JZ和FC-4組28 d齡期混凝土內(nèi)部存在較多的微裂縫和孔洞,結(jié)構(gòu)疏松,針棒狀鈣礬石縱橫交錯且填充于微裂縫中,鈣礬石對混凝土后期強度是不利的,同時鈣礬石與C─S─H凝膠形成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)降低了界面黏結(jié)性,導(dǎo)致單摻粉煤灰或單摻石灰石粉混凝土后期強度發(fā)展受限。FC-3組28 d齡期混凝土結(jié)構(gòu)致密,無明顯微裂縫和孔洞,針棒狀鈣礬石數(shù)量銳減,C─S─H凝膠聚集成層狀,對混凝土起到更好的填充和黏結(jié)作用。因此,將石灰石粉和硅灰雙摻分別取代67%和33%粉煤灰時,石灰石粉微集料效應(yīng)和化學(xué)作用與硅灰形態(tài)效應(yīng)和火山灰效應(yīng)充分疊加,改善了膠凝材料的顆粒級配及水化產(chǎn)物分布,減少了對混凝土后期強度不利的Ca(OH)2晶體和針棒狀鈣礬石,C─S─H凝膠數(shù)量顯著增加,混凝土內(nèi)部更加密實,石灰石粉硅灰雙摻膠凝體系預(yù)制梁混凝土各齡期抗壓強度和抗變形能力均優(yōu)于單摻粉煤灰。

4 結(jié)論

1) 石灰石粉取代粉煤灰的67%和硅灰取代粉煤灰的33%時雙摻混凝土的工作性能和力學(xué)性能均得到明顯改善,坍落度提高10%,擴展度提高6.3%,1 h坍落度、擴展度經(jīng)時損失分別減少50%,62.5%;3,7,28 d抗壓強度分別提高3.5%,3.6%,11.3%;3,7,28 d彈性模量分別提高3.5%,3.7%,6.1%;其干縮率也接近基準(zhǔn)混凝土,能達(dá)到預(yù)制梁3 d張拉的抗壓強度和彈性模量的要求,從而加快梁場周轉(zhuǎn)效率。

2) 石灰石粉硅灰雙摻改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu),增加了混凝土的致密性,優(yōu)化了混凝土水化產(chǎn)物的組成,從而提高混凝土的抗壓強度和抗變形能力。