輪載作用下礦物摻和料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究

張迪+方琳+王建偉+蔣莉

摘 要：為了評(píng)價(jià)輪載作用下礦物摻和料對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響，通過試驗(yàn)，研究了在輪載作用下，水灰比、粉煤灰摻量和礦渣摻量對(duì)混凝土不同齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，水灰比越大、輪載作用次數(shù)越多，動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度越?。浑S著粉煤灰摻量和礦渣摻量的增大，混凝土不同齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；輪載作用次數(shù)對(duì)混凝土28 d動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度的影響程度大于56 d。關(guān)鍵詞：混凝土；輪載作用；力學(xué)性能；礦物摻和料

中圖分類號(hào)：U414.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0071-05

Abstract： In order to evaluate the effect of mineral admixture on the mechanical properties of pavement concrete under vehicle load， the influence of water-cement ratio， fly ash and slag content on the flexural strength and dynamic elastic modulus of concrete at different ages under vehicle load was studied through tests. The results show that the greater water-cement ratio and the more times of vehicle load， the smaller the dynamic elastic modulus and flexural strength； with the increase of fly ash and slag amount， the dynamic elastic modulus and flexural strength of concrete both present the trend of going up first and then diminishing； the influence of loading times on the dynamic elastic modulus and flexural strength of 28 d is bigger than that of 56 d.

Key words： concrete； vehicle load； mechanical property； mineral admixture

0 引 言

水泥混凝土路面相比于瀝青路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐磨耗以及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。眾所周知，混凝土的抗折強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量等力學(xué)指標(biāo)對(duì)水泥混凝土路面的使用性能和耐久性有很大影響，其中，抗折強(qiáng)度不足會(huì)引發(fā)路面的脆性斷裂[3-5]。研究表明，在混凝土中添加適量的粉煤灰、礦渣等礦物摻和料，不僅能改善混凝土的抗碳化性能、抗開裂能力，也能改善混凝土的抗折強(qiáng)度、抗疲勞開裂等力學(xué)性能[6-11]?；炷猎谑褂脮r(shí)要經(jīng)受車輛輪載的重復(fù)作用，因此其力學(xué)性能必定會(huì)下降。目前許多研究成果主要集中在未經(jīng)輪載作用的礦物摻和料混凝土力學(xué)性能的影響方面，對(duì)經(jīng)輪載重復(fù)作用后路面混凝土力學(xué)性能的研究較少。本文為模擬路面混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)，研究不同輪載次數(shù)作用后，粉煤灰和礦渣對(duì)混凝土不同齡期的動(dòng)態(tài)回彈模量和抗折強(qiáng)度受到的影響，為研究路面混凝土的力學(xué)性能提供了一種新的思路。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥選用四川德陽(yáng)特種水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其初凝時(shí)間為185 min，終凝時(shí)間為240 min，材料組成見表1。粗集料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)集料采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。礦物摻和料選用Ⅰ級(jí)粉煤灰和磨細(xì)礦渣，比表面積分別為562和500，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要化學(xué)組成分別見表2、3。減水劑為聚羧酸系高效減水劑。不同水灰比下的混凝土配合比見表4。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，1 d后脫模，隨后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)28 d和56 d。為了模擬混凝土路面的實(shí)際受力狀況，將不同養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比、粉煤灰摻量和礦渣摻量的混凝土試件置于瀝青混合料車轍試驗(yàn)儀上。試件固定后，在室溫下，調(diào)整輪胎壓力為0.7 MPa，進(jìn)行輪碾，加載不同的次數(shù)（10 000次和20 000次）后，按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定混凝土試件的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度。文中粉煤灰摻量和礦渣摻量均以粉煤灰和礦渣替代水泥用量的比例記。

2 輪載作用下混凝土的力學(xué)性能

2.1 水灰比對(duì)力學(xué)性能的影響

水灰比分別控制為0.35、0.38和0.41，測(cè)定混凝土試件經(jīng)輪載作用后不同齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、2。

從圖1可以看出，混凝土28 d和56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量都隨水灰比的增大而減小。在未施加輪載時(shí)，當(dāng)水灰比由0.35增大至0.38和0.41時(shí)，28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量分別由49.6 MPa降低至46.4 MPa和44.3 MPa。相同條件下，混凝土56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量大于28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量。隨著輪載作用次數(shù)的增多，28 d和56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量都逐漸降低，而低水灰比的混凝土在承受輪載后的動(dòng)態(tài)彈性模量依然大于高水灰比的混凝土。當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，混凝土28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量在承受10 000次輪載和20 000次輪載后分別為47.1 MPa和44.6 MPa，相比于未施加輪載時(shí)，分別降低2.5 MPa和3.0 MPa。

從圖2可以看出，隨著水灰比的增大，混凝土28 d和56 d的抗折強(qiáng)度大幅降低。未施加荷載時(shí)，當(dāng)水灰比由0.35增大至0.38和0.41時(shí)，28 d的抗折強(qiáng)度分別由6.13 MPa降低為5.84 MPa和5.12 MPa，分別降低了4.7%和16.2%。這主要是因?yàn)椋S著水灰比的增大，混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)引起的孔隙逐漸增多，混凝土密實(shí)度降低，因此抗折強(qiáng)度降低。當(dāng)水灰比相同時(shí)，隨著輪載作用下次數(shù)的增多，混凝土不同齡期的抗折強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，混凝土施加20 000次輪載后，28 d的抗折強(qiáng)度從6.13 MPa降低為5.51 MPa，56 d的抗折強(qiáng)度從6.32 MPa降低為5.83 MPa，分別降低了10.1%和7.8%?？梢钥闯?，隨著齡期的延長(zhǎng)，輪載作用對(duì)抗折強(qiáng)度的影響不斷降低。這是因?yàn)?，施加輪載時(shí)，混凝土內(nèi)部的微裂縫逐漸擴(kuò)展，混凝土內(nèi)部損傷逐漸加重，因此抗折強(qiáng)度降低，隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥水化引起混凝土抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)部分抵消了輪載作用的影響，因此齡期越長(zhǎng)，輪載對(duì)抗折強(qiáng)度的影響越小。

2.2 粉煤灰對(duì)力學(xué)性能的影響

控制水灰比為0.38，測(cè)定不同粉煤灰摻量（0、10%、20%和30%）時(shí)不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土經(jīng)輪載后的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖3、4。

從圖3可以看出，在輪載作用下，混凝土28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量隨著粉煤灰摻量的增多逐漸減小，其中當(dāng)摻量低于20%時(shí)，28 d動(dòng)態(tài)彈性模量的減小幅度很?。划?dāng)摻量大于20%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增多，動(dòng)態(tài)彈性模量大幅降低。而58 d的動(dòng)態(tài)彈性模量隨著粉煤灰摻量的增多表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)摻量為20%時(shí)，56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量達(dá)到最大值。在承受輪載20 000次后，當(dāng)粉煤灰摻量由0增大至20%和30%時(shí)，56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量分別由43.4 MPa變?yōu)?5.6 MPa和43.8 MPa。試驗(yàn)表明，粉煤灰對(duì)提高混凝土的抗輪載作用是有利的，但其最佳摻量應(yīng)為20%。這是因?yàn)?，粉煤灰顆粒的彈性模量大于水泥顆粒，當(dāng)粉煤灰填充在混凝土內(nèi)部時(shí)，混凝土整體的模量提高，因此抗輪載作用增強(qiáng)；但由于粉煤灰具有活性效應(yīng)，當(dāng)齡期小于28 d時(shí)，其活性未完全激發(fā)，因此28 d的彈性模量會(huì)隨粉煤灰摻量的增多而降低，當(dāng)齡期超過56 d后，粉煤灰活性被完全激發(fā)，因此動(dòng)態(tài)彈性模量大幅增大。

從圖4可以看出，混凝土28 d和56 d的抗折強(qiáng)度隨粉煤灰的增大都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，各齡期的抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值。相同粉煤灰摻量下，輪載作用對(duì)28 d抗折強(qiáng)度的影響大于56 d，例如當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，輪載由10 000次增大至20 000次，混凝土28 d的抗折強(qiáng)度由6.14 MPa降低為5.89 MPa，降低了4.1%，而56 d的抗折強(qiáng)度由6.74 MPa降低為6.55 MPa，降低了2.8%。因此從提高抗折強(qiáng)度的角度考慮，粉煤灰的最佳摻量也應(yīng)為20%。當(dāng)齡期較短時(shí)，在輪載作用下，粉煤灰顆粒水化不充分，同等條件下粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2之間發(fā)生反應(yīng)生成的C-S-H凝膠較少，基體與骨料顆粒之間的粘結(jié)力較弱，抗折荷載作用下骨料顆粒易與基體發(fā)生脫離，因此輪載作用對(duì)28 d的抗折強(qiáng)度影響較大；隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰顆粒進(jìn)一步水化，C-S-H凝膠增多，混凝土密實(shí)度增大，強(qiáng)度相對(duì)提高，因此抗輪載作用較顯著。

2.3 礦渣對(duì)力學(xué)性能的影響

控制水灰比為0.38，測(cè)定不同礦渣摻量（0、30%、40%和50%）時(shí)不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土經(jīng)輪載后的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5、6。

從圖5可以看出，在輪載作用下，混凝土28 d和56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量都隨著礦渣摻量的增加先增大后減小，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，混凝土各齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量達(dá)到最大值。但28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量隨著輪載作用次數(shù)的增多大幅降低，而56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量隨輪載作用次數(shù)減小的趨勢(shì)較小。例如，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，輪載作用次數(shù)由10 000次增大至20 000次時(shí)，28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量從43.3 MPa降低為41.4 MPa，而56 d的動(dòng)態(tài)彈性模量從46.2 MPa降低為45.3 MPa，降低幅度分別為1.9 MPa和0.9 MPa。這是因?yàn)?，?dāng)?shù)V渣摻量較低時(shí)，礦渣與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，改善了界面的粘結(jié)性，加強(qiáng)了骨料與基體的粘結(jié)力，因此彈性模量有所增大；而當(dāng)摻量大于30%時(shí)，由于礦渣顆粒的彈性模量低于水泥顆粒，大摻量的礦渣顆粒填充在混凝土內(nèi)部會(huì)使混凝土整體的彈性模量降低。

從圖6可以看出，隨著礦渣摻量的增多，混凝土不同齡期的抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值；各摻量下，施加輪載后混凝土的抗折強(qiáng)度都會(huì)降低，其中輪載作用對(duì)56 d抗折強(qiáng)度的影響小于對(duì)28 d的影響，說明礦渣摻量并不是越多越好，大摻量的礦渣反而會(huì)使混凝土的抗輪載作用降低。這主要是因?yàn)?，?dāng)?shù)V渣摻量小于30%時(shí)，礦渣的二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，改善了混凝土的界面過渡區(qū)，因此混凝土抗輪載作用增強(qiáng)；而當(dāng)?shù)V渣摻量大于30%時(shí)，礦渣顆粒的火山灰效應(yīng)無(wú)法完全發(fā)揮，因此混凝土的抗輪載作用降低。因此，從抗輪載能力方面考慮，建議礦渣的最大摻量不宜大于30%。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）當(dāng)水灰比相同時(shí)，隨著輪載作用次數(shù)的增多，混凝土不同齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度都逐漸降低；當(dāng)輪載作用次數(shù)相同時(shí)，水灰比越大，不同動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度越小，且低水灰比的混凝土在承受輪載后其動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度依然大于高水灰比的混凝土。

（2）隨著粉煤灰摻量的增大，除28 d的動(dòng)態(tài)彈性模量外，混凝土其他各齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。其中當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度都達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土抗輪載能力最強(qiáng)，因此建議摻加粉煤灰以提高路面混凝土的抗輪載能力時(shí)其摻量不宜大于20%。

（3）混凝土各齡期的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度都隨著礦渣摻量的增多呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其中當(dāng)摻量為30%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均有最大值，混凝土的抗輪載能力最佳。

（4）摻加礦物摻和料后，輪載作用次數(shù)對(duì)混凝土28 d動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度的影響程度大于56 d的，表明礦物摻和料后期的水化作用能夠適當(dāng)增強(qiáng)混凝土的抗輪載能力。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]