硅粉對塑性混凝土力學(xué)和抗?jié)B性能的影響

楊 林,楊 靜,宋帥奇

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.鄭州市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,河南 鄭州 450052;3.河南城建學(xué)院,河南平頂山 467000)

0 引 言

塑性混凝土是一種新型防滲材料,具有彈性模量低、極限變形大、抗?jié)B性能好等特點,適用于圍堰工程、大壩工程、基礎(chǔ)工程等領(lǐng)域[1].塑性混凝土用于防滲墻工程時,應(yīng)遵循的設(shè)計原則是:較低的彈性模量;足夠的強(qiáng)度;良好的抗?jié)B性能[2].當(dāng)前,隨著防滲墻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及可靠度要求的提高,迫切需要通過技術(shù)手段提高塑性混凝土的綜合性能.

硅粉是一種高活性的火山灰質(zhì)球狀礦物摻合料[3].硅粉摻入混凝土后,由于顆粒填充效應(yīng)和表面吸水效應(yīng),可改善混凝土摻合料黏聚性和保水性,減少離析和泌水;并且,硅粉具有顯著的火山灰效應(yīng),可大幅提高混凝土的密實性、強(qiáng)度、抗?jié)B性能及耐化學(xué)侵蝕性能,亦能抑制或減少堿-骨料反應(yīng)[4].

當(dāng)前,有關(guān)硅粉對塑性混凝土性能影響的研究還鮮有報道.通過研究硅粉對塑性混凝土性能的影響,得出硅粉對塑性混凝土性能的影響規(guī)律和機(jī)理,具有一定理論意義和工程意義.

1 試驗方案

1.1 試驗材料與配合比

試驗采用河南孟電集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥,參數(shù)符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求;細(xì)骨料為河砂,級配曲線位于Ⅱ區(qū),細(xì)度模數(shù)2.6,屬中砂,參數(shù)符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》標(biāo)準(zhǔn)要求;粗骨料為粒徑5~25 mm石灰?guī)r碎石,連續(xù)級配,參數(shù)符合GB/T 14685-2001《建筑用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)要求;鈣基膨潤土;粘土為三門峽靈寶窄口水庫庫區(qū)粉質(zhì)粘土加工而成,細(xì)度200目;硅粉為上海天愷硅粉材料有限公司生產(chǎn),SiO2含量95%.試驗以硅粉摻量(等量替代水泥)為單因素變量,共設(shè)計5種塑性混凝土配合比,見表1.水膠比為水與膠凝材料總量之比,膠凝材料包括膨潤土、粘土、水泥和硅粉.

表1 塑性混凝土配合比

1.2 試驗方法

目前,塑性混凝土尚無統(tǒng)一的試驗方法標(biāo)準(zhǔn),本文試驗參考DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行.采用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌和,攪拌機(jī)潤濕后,加入粗細(xì)骨料、水泥、粘土、膨潤土,攪拌1 min,隨后加水濕拌1 min,出料.試塊人工插搗成型,室內(nèi)靜置48 h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期后進(jìn)行試驗.抗壓、劈拉強(qiáng)度試驗采用邊長150 mm立方體試塊,抗折強(qiáng)度采用100 mmX100 mmX400 mm棱柱體試塊.由于塑性混凝土強(qiáng)度低,強(qiáng)度試驗時加載速率較水工混凝土小,抗壓強(qiáng)度加載速度取0.1 MPa/s,劈拉強(qiáng)度加載速度取0.02 MPa/s,抗折強(qiáng)度加載速度取25 N/s;彈性模量試驗采用150 mmX150 mmX300 mm棱柱體試塊,彈性模量計算方法采用文獻(xiàn)[5]建議的方法;相對滲透系數(shù)采用一次加壓法測定,圓臺形試塊,上、下口直徑分別為175、185 mm,高150 mm,滲透水壓0.3 MPa,恒壓時間6 h.

2 結(jié)果分析

2.1 硅粉對塑性混凝土強(qiáng)度的影響

各組配合比塑性混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2.為便于說明問題,定義強(qiáng)度絕對增長率為BM~SF4組塑性混凝土各強(qiáng)度較對比組對應(yīng)強(qiáng)度的增幅;定義強(qiáng)度相對增長率為BM~SF4組塑性混凝土各強(qiáng)度在后一種硅粉摻量下較前一種硅粉摻量下的增幅.

圖1 強(qiáng)度比與硅粉摻量的關(guān)系

圖1 為塑性混凝土抗壓、劈拉及抗折強(qiáng)度比與硅粉摻量的關(guān)系.由圖1可知:當(dāng)硅粉摻量小于30%,抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量增大呈增大趨勢,硅粉摻量大于30%,抗壓強(qiáng)度有所減小,但仍高于對比組.硅粉摻量為10%時,抗壓強(qiáng)度相對增長率最大,分別為硅粉摻量20%、30%、40%時相對增長率絕對值的4.8、3.3、2.6倍,這說明硅粉在較低摻量水平時對抗壓強(qiáng)度影響較為明顯.與硅粉對抗壓強(qiáng)度影響相似,劈拉強(qiáng)度以硅粉摻量30%(36 kg/m3)為界呈先增加后減小趨勢,硅粉摻量為10%時,劈拉強(qiáng)度增大趨勢較緩,超過10%時,增幅明顯,摻量為30%時,劈拉強(qiáng)度增幅最大,達(dá)45.1%,硅粉摻量為10%時,劈拉強(qiáng)度相對增長率最大,分別為硅粉摻量20%、30%、40%時強(qiáng)度相對增長率絕對值的2.7、2.1、1.2倍,同樣說明硅粉在較低摻量水平時對劈拉強(qiáng)度影響較為明顯.抗折強(qiáng)度以硅粉摻量20%(24 kg/m3)為界,當(dāng)硅粉摻量小于20%時,抗折強(qiáng)度呈增加趨勢,硅粉摻量大于20%時呈減小趨勢,當(dāng)摻量為40%時,抗折強(qiáng)度絕對增長率和相對增長率均為負(fù)值,強(qiáng)度不增反降,但相對增長率絕對值最大,分別為硅粉摻量10%、20%、30%時強(qiáng)度相對增長率的5.9、3.0、9.7倍,說明硅粉在較高摻量水平時對抗折強(qiáng)度影響較為明顯.

表2 硅粉摻量對塑性混凝土強(qiáng)度的影響

通過以上分析可知:在一定摻量范圍內(nèi),硅粉對塑性混凝土強(qiáng)度有明顯提高作用.硅粉對塑性混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理主要在于火山灰效應(yīng).硅粉中大量活性SiO2顆粒與水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2化合,加快了水泥水化反應(yīng)進(jìn)程,形成致密、含有大量C-S-H水化物的水泥石結(jié)構(gòu),因而強(qiáng)度得以提高[6-7].此外,硅粉的顆粒填充效應(yīng)對強(qiáng)度也有一定影響.大量硅粉顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中,降低了水泥石的空隙率而大幅提高密實度.在一定摻量范圍內(nèi),硅粉摻量越大,火山灰效應(yīng)和顆粒填充效應(yīng)越顯著,強(qiáng)度提高越明顯.然而,硅粉摻量超過一定范圍時,將導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥用量不足,無法生成足夠多的Ca(OH)2與SiO2反應(yīng),導(dǎo)致強(qiáng)度不升反降[8].因此,硅粉對塑性混凝土強(qiáng)度的影響存在一個最佳摻量,從試驗結(jié)果可以看出,對于抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度,硅粉最佳摻量均為30%左右;對于抗折強(qiáng)度,最佳摻量為20%左右,由于硅粉摻量由20%增大到30%時抗折強(qiáng)度下降趨勢不顯著,可以把30%作為硅粉提高塑性混凝土各強(qiáng)度的最佳摻量.由圖1還可知,硅粉對塑性混凝土各強(qiáng)度影響程度有明顯差異.相同摻量下,按塑性混凝土強(qiáng)度提高程度由大到小排列為劈拉、抗壓、抗折強(qiáng)度.

2.2 硅粉對塑性混凝土彈性模量的影響

彈性模量是塑性混凝土一項重要的力學(xué)性能參數(shù),它反映塑性混凝土的抗變形特性.與周圍土體協(xié)調(diào)變形是塑性混凝土防滲墻具有良好抗?jié)B性能的前提,這就要求塑性混凝土的彈性模量要適當(dāng).根據(jù)文獻(xiàn)[5]建議的塑性混凝土彈性模量試驗方法,測得各配合比塑性混凝土彈性模量如圖2所示.由圖2可見,隨硅粉摻量的增加,塑性混凝土彈性模量呈先增大后減小的趨勢,這與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢基本一致.考察相同硅粉摻量下,塑性混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度的變化幅度大小關(guān)系:硅粉摻量為10%、20%、30%、40%時,與對比組相比,彈性模量分別增大9.9%、59.4%、23.1%、3.4%,抗壓強(qiáng)度與彈性模量增幅之比為1.88、0.39、1.31、6.15.除SF2組外,其余各組比值均大于1.可見,摻加硅粉后,塑性混凝土彈性模量的增幅整體上要小于抗壓強(qiáng)度,這對降低塑性混凝土的彈強(qiáng)比有利.SF4組增幅之比達(dá)6.15,為SF1、SF2、SF3組的3.3、15.8、4.7倍,說明硅粉在較高摻量水平時對彈強(qiáng)比的減小效果較好.

圖2 彈性模量與硅粉摻量的關(guān)系

2.3 硅粉對塑性混凝土相對滲透系數(shù)的影響

塑性混凝土相對滲透系數(shù)試驗結(jié)果見圖3.摻加硅粉后,塑性混凝土的相對滲透系數(shù)明顯降低,且隨硅粉摻量的增加呈持續(xù)下降趨勢.BM、SF1、SF2、SF3、SF4組的相對滲透系數(shù)分別為:3.8X10-8、2.4X10-8、 1.5X10-8、 1.2X10-8、 9X10-9cm/s, 與 對 比組相比,SF1、SF2、SF3、SF4組相對滲透系數(shù)降幅分別為36.8%、61.6%、68.4%、79.9%, SF4組與對比組相對滲透系數(shù)相差一個數(shù)量級.可見,在試驗摻量范圍內(nèi),硅粉對塑性混凝土相對滲透系數(shù)有顯著降低作用.

圖3 相對滲透系數(shù)與硅粉摻量的關(guān)系

相對滲透系數(shù)降低是硅粉顆粒填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及表面吸水效應(yīng)共同作用的結(jié)果.隨著硅粉摻量的增加,塑性混凝土基體內(nèi)部膠凝材料水化產(chǎn)物增多,形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接成完整骨架,使細(xì)小顆粒不被滲水帶走;大量硅粉顆粒及其水化產(chǎn)物起填充作用,可改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu);隨著硅粉摻量增大,膠凝材料水化反應(yīng)需水量增大,減少了自由水蒸發(fā)形成的泌水通道,塑性混凝土的毛細(xì)多孔體系得到改善.硅粉摻量在較低水平時,火山灰效應(yīng)起主導(dǎo)作用;在較高水平時,顆粒填充效應(yīng)和表面吸水效應(yīng)起主導(dǎo)作用.這也是硅粉摻量超過20%后,塑性混凝土強(qiáng)度及彈性模量出現(xiàn)下降而抗?jié)B性能仍繼續(xù)提高的原因.

3 結(jié) 論

通過不同硅粉取代量對塑性混凝土強(qiáng)度、彈性模量及抗?jié)B性能的試驗研究,得出以下主要結(jié)論:

(1)摻量在0~40%范圍內(nèi),硅粉對塑性混凝土各強(qiáng)度均有提高作用,最佳摻量為30%左右;對各強(qiáng)度提高程度由大到小依次為劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度.

(2)隨硅粉摻量增大,塑性混凝土強(qiáng)度和彈性模量均呈先增大后減小趨勢,彈性模量的增幅小于抗壓強(qiáng)度,有利于降低塑性混凝土的彈強(qiáng)比.

(3)硅粉可大幅降低塑性混凝土相對滲透系數(shù).

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