不同養(yǎng)護(hù)制度下道路高性能混凝土的耐久性研究

摘 要：為了研究花養(yǎng)護(hù)制度對(duì)道路高性能混凝土耐久性的影響，本文以花崗巖石粉替代超高性能混凝土中的水泥，在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護(hù)制度下，研究了混凝土的力學(xué)性能和耐久性。結(jié)果表明，加熱養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)的超高性能混凝土力學(xué)性能更好，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土的耐久性最佳。隨著花崗巖石粉替代率增加，超高性能混凝土的力學(xué)性能呈先提高、后降低的趨勢(shì)，替代率為25%時(shí)力學(xué)效果最佳。超高性能混凝土的耐久性隨著花崗巖石粉替代率增加而提高，當(dāng)替代率增至25%后，混凝土的耐久性增強(qiáng)速率逐漸平緩。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；力學(xué)性能；膨脹率；質(zhì)量損失；吸水率

中圖分類號(hào)：TU 755" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著土木工程領(lǐng)域迅速發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁拔地而起，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提出了更高要求，超高性能混凝土是一種無粗骨料并含有鋼纖維的混凝土，抗壓強(qiáng)度為120MPa～180MPa[1]。超高性能混凝土具有超高的強(qiáng)度和較高抗剪能力，使混凝土構(gòu)件的自重變小，顯著降低結(jié)構(gòu)的恒載，減少結(jié)構(gòu)的慣性荷載，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。超高性能混凝土與傳統(tǒng)的混凝土非常相似。經(jīng)過蒸汽或加熱處理后會(huì)影響力學(xué)性能和耐久性[3]。超高性能混凝土在制備的過程中水泥使用量較高，為普通混凝土用量的2～3倍，不僅會(huì)增加超高性能混凝土的成本，還會(huì)加劇溫室效應(yīng)?；◢弾r石粉是很常見且價(jià)格低廉的工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分為SiO2，可以作為混凝土的膠凝材料替代水泥。本文研究了花崗巖石粉的質(zhì)量替代率分別為0%、15%、20%、25%和30%，在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護(hù)制度下，探討了超高性能混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

1 材料和方法

1.1 超高性能混凝土的組成成分

用于制備超高性能混凝土混合料的成分不同于傳統(tǒng)的混凝土混合物。普通硅酸鹽水泥、花崗巖石粉、硅灰、石英砂、石英粉、高效增塑劑、鋼纖維和水是制備超高性能混凝土的主要材料。

1.1.1 水泥

本文使用了普通硅酸鹽水泥。水泥型號(hào)為P.O42.5，密度為3122kg/m3。水泥的粒徑分布如圖1所示，水泥的化學(xué)成分和燒失量見表1。

1.1.2 花崗巖石粉

花崗巖石粉是當(dāng)?shù)厥募庸S在加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，利用球磨機(jī)再次對(duì)花崗巖石粉進(jìn)行研磨，可獲得粒徑更小的花崗巖石粉?；◢弾r石粉粒的密度為2786kg/m3，花崗巖石粉粒徑分布如圖1所示，花崗巖石粉的化學(xué)成分和燒失量見表2。

1.1.3 硅灰

硅灰是硅鐵合金的副產(chǎn)品，具有極高的細(xì)度，二氧化硅含量為95%～97%。硅灰的粒徑為0.1μm左右，非常細(xì)。

1.1.4 石英砂

采用石英砂替代傳統(tǒng)混凝土中的粗骨料。為黃白色高純硅砂。石英砂的粒徑在0.3mm～0.8mm。

1.1.5 石英粉

試驗(yàn)使用的石英粉為白色粉狀石英粉。石英粉的粒徑范圍為1μm～3μm。

1.1.6 外加劑

本文采用聚羧酸高效減水劑。

1.1.7 纖維

本文使用的纖維是鋼纖維，其長(zhǎng)度為0.6mm，直徑為0.1mm。

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》為依據(jù)，共制備了5組混凝土?；◢弾r石粉的質(zhì)量替代率分別為0%、15%、20%、25%和30%。其中花崗巖石粉替代率為0%的混凝土為對(duì)照組。本文中每組混凝土混合成分的水膠比恒定為0.17。各組混凝土的配合比見表3。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

混凝土的抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的性能之一。根據(jù)GB/T50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)上述配合比制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。澆筑24h后脫模，用3種不同的養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行28d齡期的養(yǎng)護(hù)。對(duì)于每個(gè)養(yǎng)護(hù)制度，均制備一式三份的試塊。試塊在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，記錄試塊失效的極限荷載。

1.3.2 抗酸侵蝕試驗(yàn)

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，置于25℃的溫度中24h后脫模，在3種不同的養(yǎng)護(hù)制度下對(duì)混凝土試塊進(jìn)行28d齡期的養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將試塊取出，放入烘箱進(jìn)行烘干。測(cè)量立方體試塊的質(zhì)量。使用5%的稀硫酸（H2SO4），pH值約為2，將立方體試塊浸泡在稀硫酸中，分別在5d、7d、14d和28d測(cè)量試塊的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失。

1.3.3 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試塊，以上述方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，制備含5%硫酸鈉（Na2SO4）和5%硫酸鎂（MgSO4）的水溶液，將立方體試塊浸泡在硫酸鹽溶液中。通過定期更換溶液來保持整個(gè)侵蝕過程，觀察并測(cè)量第28d混凝土試塊的體積變化量。

1.3.4 吸水試驗(yàn)

為了研究混凝土的吸水性能，制備尺寸為直徑100mm×高50mm的混凝土圓柱體試樣，用于吸水率測(cè)試。在3種不同的養(yǎng)護(hù)制度下對(duì)混凝土試件進(jìn)行28d齡期的養(yǎng)護(hù)，然后在110℃的烘箱中烘干24h，測(cè)量試樣的質(zhì)量（W1）。將干燥的試樣在室溫下完全浸入清水24h。將試樣從浸泡狀態(tài)下取出后，擦去表面的水，記錄試樣的質(zhì)量（W2）并計(jì)算吸水率。吸水率的計(jì)算如公式（1）所示。

（1）

2 結(jié)果和討論

2.1 超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)制度下超高性能混凝土在28d齡期的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。可以看出，不同的養(yǎng)護(hù)制度會(huì)影響超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度。正常養(yǎng)護(hù)時(shí)，各種試驗(yàn)摻合料的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)155MPa，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)最高可達(dá)161MPa，加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)最高可達(dá)181MPa。熱養(yǎng)護(hù)的溫度為200℃，蒸汽養(yǎng)護(hù)的溫度為90℃。因此，從圖2可以看出，超高性能混凝土的抗壓性能隨養(yǎng)護(hù)制度類型的不同而不同?；◢弾r石粉的替代率為0%、15%、20%、25%和30%時(shí)，熱養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的抗壓強(qiáng)度均為最大，蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下混凝土的抗壓強(qiáng)度次之，正常養(yǎng)護(hù)制度下混凝土抗壓強(qiáng)度均為最小。

從圖2可以看出，隨著花崗巖石粉的替代率增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先增大、后變小的趨勢(shì)。當(dāng)花崗巖石粉的替代率達(dá)25%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度不再提高。

2.2 超高性能混凝土的抗酸侵蝕能力

酸侵蝕是超高性能混凝土的一個(gè)重要的耐久性能。圖3～圖5為不同的養(yǎng)護(hù)制度下超高性能混凝土在不同齡期的質(zhì)量損失率。從圖3～圖5可以看出，正常養(yǎng)護(hù)制度下，混凝土質(zhì)量損失率最高，蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下，混凝土質(zhì)量損失率最低。

3種養(yǎng)護(hù)制度下，當(dāng)花崗巖石粉的替代率增加時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率呈先增大、后變小的變化規(guī)律；當(dāng)花崗巖石粉的替代率較高時(shí)（25%和30%），超高性能混凝土的抗酸侵蝕能力有顯著提高。原因是超高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)得到了改善，混凝土更密實(shí)，延緩了酸溶液對(duì)微孔的滲透。

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)制度下超高性能混凝土酸侵蝕后的殘余抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，超高性能混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度在抗酸侵蝕方面具有優(yōu)異性能。在酸溶液中連續(xù)浸泡28d后，花崗巖石粉替代率為25%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最高。加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)162MPa，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)153MPa，正常養(yǎng)護(hù)時(shí)抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)145MPa。

2.3 超高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力

本文在3種不同的養(yǎng)護(hù)制度下測(cè)試了硫酸鹽溶液對(duì)各組超高性能混凝土試塊的影響，觀察并測(cè)量混凝土的體積增加量。在3種養(yǎng)護(hù)制度中，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力最強(qiáng)，正常養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力最弱。無論哪種養(yǎng)護(hù)制度，混凝土的體積增加量均大于對(duì)照組混凝土。使用花崗巖石粉替代水泥會(huì)使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力減弱，花崗巖石粉替代率變化對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響并不明顯。

2.4 超高性能混凝土的吸水能力

在不同養(yǎng)護(hù)制度下對(duì)各組超高性能混凝土進(jìn)行吸水試驗(yàn)。將圓柱體試件烘干，測(cè)量質(zhì)量。然后將試件在水中浸泡48h，48h后計(jì)算混凝土試件的吸水率。結(jié)果表明，隨著花崗巖石粉替代率增加，混凝土的吸水率逐漸增加。在3種不同養(yǎng)護(hù)制度下，蒸汽養(yǎng)護(hù)的試件吸水率最低，具有較好的抗吸水能力。與正常養(yǎng)護(hù)相比，在加熱和蒸汽養(yǎng)護(hù)中，混凝土的吸水率更低。原因是養(yǎng)護(hù)過程加快，使混凝土內(nèi)部更致密。

3 結(jié)論

本文以花崗巖石粉替代超高性能混凝土中的水泥，研究了其在加熱、蒸汽和正常3種養(yǎng)護(hù)制度下的力學(xué)性能。所得結(jié)論如下。1）與正常養(yǎng)護(hù)制度相比，加熱養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)制度均表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能和耐久性。加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土的力學(xué)性能最佳。蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土的耐久性最佳。2）隨著花崗巖石粉替代率增加，超高性能混凝土的力學(xué)性能呈先提高、后降低的趨勢(shì)，替代率為25%時(shí)力學(xué)效果最佳?；◢弾r石粉替代水泥能夠提升混凝土的抗酸侵蝕能力，降低混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，提升混凝土的吸水能力。

參考文獻(xiàn)

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