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    高速公路預(yù)制T梁用高性能混凝土性能研究

    2021-07-18 14:22:56駿
    中國(guó)測(cè)試 2021年6期
    關(guān)鍵詞:微結(jié)構(gòu)礦粉膠凝

    馬 駿

    (中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司,天津 300350)

    0 引 言

    隨著我國(guó)“十三五”規(guī)劃進(jìn)程的發(fā)展,居民交通出行的基礎(chǔ)設(shè)施完善日趨嚴(yán)峻,高速公路、高速鐵路的建設(shè)規(guī)劃日益增多,混凝土以其高強(qiáng)度、施工性強(qiáng)、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)成為建設(shè)過程中無可替代的建筑材料。高速公路建設(shè)過程中以混凝土結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),施工中發(fā)揮材料的優(yōu)良性能,確保高速公路整體混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,提高服役年限,為交通行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐。我國(guó)高速公路現(xiàn)行T梁跨度尺寸為30 m、35 m、40 m,受T梁自身結(jié)構(gòu)影響,預(yù)制T梁膠凝材料中水泥均采用52.5水泥,其配合比設(shè)計(jì)遵循高性能、高強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范,強(qiáng)度、耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度為準(zhǔn)。

    1950年5月美國(guó)學(xué)者首次提出高性能混凝土的概念,高性能混凝土(high performance concrete,簡(jiǎn)稱HPC)是一種多相復(fù)合材料,兼具混凝土高強(qiáng)度特點(diǎn),同時(shí)達(dá)到耐久性能優(yōu)良、工作性和體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于海洋大壩防水工程、機(jī)場(chǎng)道面、大跨徑鋼橋面鋪裝、礦山、國(guó)防等重要領(lǐng)域[1-3]。高性能混凝土耐久性重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是抗凍性能和抗疲勞性能,相關(guān)學(xué)者就鹽凍侵蝕和凍融損傷對(duì)高性能混凝土的劣化影響和力學(xué)性能做了相關(guān)研究[4-6],結(jié)果表明,多相復(fù)合組分的礦物摻合料-水泥復(fù)合膠凝材料硬化漿體的耐久性優(yōu)于未摻加礦物摻合料的單一組分,但就耐久性機(jī)理的相關(guān)解釋尚不明確。

    高速公路T梁用高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)JTG/TF50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》高性能、高強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)要求,采用52.5水泥,用水量不宜大于175 kg/m3,膠凝材料總量宜采用450~600 kg/m3,其中礦物摻合料用量不宜大于膠凝材料總量的40%,采用低水膠比,高效減水劑依據(jù)施工時(shí)坍落度而定。施工過程中為滿足混凝土結(jié)構(gòu)高早強(qiáng)的要求,配合比設(shè)計(jì)中增大水泥用量,水泥用量過大會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)硬化時(shí)間縮短,短時(shí)間內(nèi)水化放熱量迅速增加,不利于混凝土拌合物工作性的穩(wěn)定,同時(shí)也會(huì)增大混凝土早期收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)[7]。相關(guān)學(xué)者提出利用活性礦物摻合料等量替代水泥用量[8-9],然而,礦物摻合料摻量、類型對(duì)高性能混凝土耐久性機(jī)理解釋尚不明確,礦物摻合料早期對(duì)新拌混凝土和易性的影響,以及礦物摻合料-水泥膠凝組分不同齡期下孔溶液pH值發(fā)展規(guī)律、抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)尚未提出合理性系統(tǒng)研究。摻合料使用不當(dāng),勢(shì)必會(huì)造成早期工作性下降,致使強(qiáng)度無法達(dá)到預(yù)期效果,最終影響耐久性降低混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限,因此礦物摻合料的使用一定程度上限制了高性能混凝土的推廣和應(yīng)用[10-13]?;谏鲜鰡栴},本研究采用控制變量的方法,在膠凝材料、砂率、外加劑、拌和用水量保持不變的條件下,通過調(diào)整膠凝組分中粉煤灰、礦粉的摻入量,設(shè)計(jì)出4種高性能混凝土配合比,使其工作性、力學(xué)性、耐久性達(dá)到C50 T梁合理使用年限,依據(jù)硬化漿體孔溶液pH值、借助SEM微觀分析手段揭示高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。

    1 試 驗(yàn)

    1.1 原材料

    水泥:采用蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5(比表面積350 m2/kg)海螺牌水泥,其化學(xué)成分見表1;礦物摻合料:FⅡ型粉煤灰由福建鼎旺再生有限公司提供,粒徑分布情況如圖1所示,S95級(jí)礦粉(比表面積400~500 m2/kg)由福建鼎冠新型建材有限公司提供,化學(xué)成分見表1;細(xì)骨料:云淡邦門砂廠提供的中砂,細(xì)度模數(shù)2.7,級(jí)配曲線圖如圖2所示;粗骨料:采用福建欣旭建筑生產(chǎn)的5~20 mm 碎石(10~20 mm 摻 70%,5~10 mm 摻 30%),各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足水泥混凝土配合比要求;減水劑:采用武漢辰龍科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,減水率26%,摻量1.5%。礦物摻合料4種配合比設(shè)計(jì)見表2(引言已提出設(shè)計(jì)依據(jù),本設(shè)計(jì)旨在考慮礦物摻合料摻量作用下高性能混凝土的研究,不采用正交設(shè)計(jì))。

    表2 C50混凝土配合比 kg/m3

    圖1 粉煤灰粒徑分布曲線

    圖2 細(xì)骨料級(jí)配曲線圖

    表1 水泥、粉煤灰、礦粉化學(xué)組成 %

    1.2 試驗(yàn)方法

    1) 拌合物性能分析:混凝土拌合物坍落度、含氣量依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》方法測(cè)試。

    2)混凝土抗壓強(qiáng)度:依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》方法測(cè)試。

    3) 孔溶液pH值分析:剔除砂石料制作不同配合比下凈漿試件,養(yǎng)護(hù)至28 d,使用研缽磨成細(xì)粉,使用 200 目篩篩分。將得到的細(xì)粉浸泡于 10 倍質(zhì)量的蒸餾水,利用磁力電子攪拌器攪拌2 h,之后使用濾紙過濾出浸提液,使用 pH 計(jì)測(cè)試。

    4) 混凝土的氯離子電通量、抗凍融性分析:依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行200次凍融循環(huán),測(cè)試其重量損失率。

    1.3 微觀試樣制備與分析

    微觀測(cè)試樣品取自抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的斷面顆粒物,置于無水乙醇終止水化,測(cè)試前將樣品在50℃的真空干燥箱中烘干至恒重。硬化漿體水化產(chǎn)物形貌由日本的S-4800-1型掃描電鏡測(cè)得,分辨率為1.0 nm(15 kV),1.4 nm(1 kV),放大倍數(shù) 20~800 000。

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 高性能混凝土工作性發(fā)展規(guī)律

    2.1.1 新拌高性能混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律

    高性能混凝土技術(shù)作為一種新型技術(shù),雖采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)兼具混凝土的各項(xiàng)力學(xué)要求,但需要具有高工作性、高耐久性以及澆筑完成結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性。4種配合比新拌混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律如圖3所示,綜合圖3坍落度的發(fā)展規(guī)律可以得出:1) 新拌混凝土塌落度呈現(xiàn)C2>C4>C1>C3發(fā)展規(guī)律,混凝土體系中引入粉煤灰,提高了早期混凝土的坍落度,由于礦粉的比表面積大于水泥,早期需水量大于水泥,因此 C1>C3;2) 隨著新拌混凝土在運(yùn)輸過程中坍落度的損失,2 h后發(fā)展規(guī)律呈現(xiàn)C2=C4>C1=C3,主要因?yàn)榉勖夯椅⒂^顆粒呈球形排布且早期幾乎不參與水化反應(yīng),有利于新拌混凝土的早期保塌,因此摻加粉煤灰的C2、C4坍落度均高于C1、C3配合比,礦粉的比表面積高于水泥雖早期需水量較大,但水泥反應(yīng)速率較快,2 h時(shí)C1、C3的坍落度基本相同;3) 對(duì)比新拌混凝土至2 h坍落度損失情況,C1>C3>C2>C4,早期水泥遇水反應(yīng)速度較快,粉煤灰、礦粉早期未參與反應(yīng)僅僅起到調(diào)整拌合物和易性的作用。

    圖3 4種配合比坍落度對(duì)比變化

    2.1.2 新拌高性能混凝土含氣量發(fā)展規(guī)律

    4種配合比混凝土含氣量發(fā)展規(guī)律圖4所示。含氣量是影響混凝土工作性的主要技術(shù)指標(biāo),同時(shí)早期含氣量也是制約后期混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,相關(guān)報(bào)道指出混凝土每增加1%的含氣量,強(qiáng)度損失5~6 MPa,強(qiáng)度的損失制約著混凝土后期的耐久性,影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限,依據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,新拌混凝土的含氣量以控制在2%~4%。從圖4中可以得出:1) 新拌混凝土的含氣量的發(fā)展規(guī)律依次為 C2>C4>C1>C3,與早期新拌混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律等同,粉煤灰微結(jié)構(gòu)呈球形顆粒分布,拌和過程中易引入氣體,同時(shí)也增大了新拌混凝土的流動(dòng)性;2) 新拌混凝土的持續(xù)水化,2 h時(shí),含氣量的發(fā)展規(guī)律為C2=C4>C3>C1,主要由于水泥對(duì)微小氣泡有較強(qiáng)的吸附作用,其摻量越大,混凝土的含氣量越低;3) 新拌混凝土至2 h含氣量損失呈C1(0.9)>C2(0.7)>C3(0.6)>C4(0.5)規(guī)律發(fā)展,水泥對(duì)微小氣泡的吸附作用只是C1的含氣量損失率最大,礦粉的化學(xué)組成和水泥相似早期發(fā)生微弱的水化反應(yīng)有利于混凝土內(nèi)部氣體的穩(wěn)定性,而粉煤灰以其早期形態(tài)引入的氣體隨著運(yùn)輸逐漸消失。

    圖4 4種配合比含氣量發(fā)展規(guī)律

    2.2 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

    高性能混凝土體現(xiàn)在高強(qiáng)度,硬化混凝土抗壓強(qiáng)度高,其澆筑的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、抗沖擊破壞能力強(qiáng),因此就高性能混凝土研究、應(yīng)用以及推廣而言,展開抗壓強(qiáng)度分析十分重要。4種配合比下高性能混凝土不同齡期(3 d、7 d、28 d)抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖5所示,其相關(guān)結(jié)論如下:1) 齡期3 d時(shí),強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C1>C4>C2>C3,早期礦物摻合料在水泥膠凝組分中未發(fā)生水化反應(yīng),因此C1的強(qiáng)度較高,粉煤灰早期雖未發(fā)生反應(yīng),但因其球形微顆粒的物理狀態(tài)增大了混凝土的流動(dòng)性,調(diào)節(jié)了因水泥水化“結(jié)球、團(tuán)聚”的狀態(tài),礦粉的比表面積大于水泥即細(xì)度大于水泥,早期水化反應(yīng)較弱,不易于分散水泥因水化團(tuán)聚現(xiàn)象,礦粉-粉煤灰-水泥三組分膠凝體系,相互促進(jìn),相互發(fā)展,因此C4配合比強(qiáng)度高于C2、C3體系;2) 膠凝組分的持續(xù)水化,粉煤灰、礦粉膠凝組分開始參與反應(yīng),7 d時(shí),混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C4>C3>C2>C1,相較于C1 配合比,C4、C3、C2混凝土強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了110.71%、106.01%、101.50%,其中礦粉-水泥膠凝組分的配合比強(qiáng)度高于粉煤灰-水泥組分的強(qiáng)度,即礦粉參與水化反應(yīng)的程度由于粉煤灰,即礦粉活性強(qiáng)于粉煤灰,礦粉-粉煤灰-水泥膠凝組分配合比強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高,粉煤灰微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性促進(jìn)了礦粉與水泥相互反應(yīng),最終促使其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布有序;3) 隨著混凝土反應(yīng)齡期的增加,7 d至28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率低于3 d至7 d的增長(zhǎng),齡期28 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與7 d等同,即 C4>C3>C2>C1,膠凝組分的持續(xù)水化,其水化產(chǎn)物的生成量逐步增加,其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物堆積的密實(shí)度相應(yīng)增加,28 d時(shí)4種配合比膠凝組分微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布和堆積密實(shí)度呈C4>C3>C2>C1發(fā)展規(guī)律。

    圖5 4種配合比抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

    2.3 高性能混凝土硬化漿體孔溶液pH發(fā)展規(guī)律

    4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分孔溶液pH值的變化如圖6所示:膠凝組分孔溶液pH值隨著氧化齡期的增加逐漸減??;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中護(hù)筋性良好且保持強(qiáng)度、水化產(chǎn)物不被破壞的pH在12.6左右[14],結(jié)合圖6可以得出不同齡期4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分中孔溶液pH值均高于12.6,即生成的水化產(chǎn)物穩(wěn)定性良好;養(yǎng)護(hù)齡期3 d至7 d時(shí),孔溶液pH的發(fā)展規(guī)律依次為C1>C3>C4>C2,水泥遇水發(fā)生反應(yīng)早期生成大量Ca(OH)2提高了孔溶液pH值,C2、C3、C4配合比中礦物摻合料等量取代水泥且礦物摻合料早期未發(fā)生反應(yīng),致使孔溶液pH均低于C1,現(xiàn)今國(guó)內(nèi)采用的礦物摻合料粉煤灰均呈弱酸性,礦粉呈弱堿性,等量粉煤灰取代水泥的C2配比孔溶液pH低于等量礦粉取代水泥的C3,C4粉煤灰-礦粉-水泥三組分膠凝體系的pH介于二者之間;齡期28 d時(shí),孔溶液pH呈C1>C3>C2>C4發(fā)展規(guī)律,此時(shí)C4粉煤灰-礦粉-水泥膠凝組分硬化漿體孔溶液pH最低,礦物摻合料在礦物摻合料-水泥復(fù)合膠凝體系中發(fā)生水化的主要中間產(chǎn)物為水泥水化早期生成的Ca(OH)2,礦物摻合料中Ca-O、Si-O、Ai-O、OH等氧化物、氫氧化物支鏈在早期強(qiáng)堿環(huán)境中發(fā)生肢解、重組最終生成的水化產(chǎn)物填充于水泥水化的空隙之中[15],從而增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性,強(qiáng)度得以提高,C4配合比組分中粉煤灰、礦粉雙重?fù)胶狭系南嗷ゴ龠M(jìn)作用均高于C2(單摻粉煤灰配比)、C3(單摻礦粉體系),粉煤灰依據(jù)自身球形流動(dòng)性較強(qiáng)的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)促進(jìn)礦粉和水泥水化產(chǎn)物相互接觸,即增大了礦粉-水泥膠凝組分的反應(yīng),水泥早期水化生成的Ca(OH)2降低,致使C4硬化漿體孔溶液pH降低。

    圖6 4種配合比硬化漿體孔溶液pH發(fā)展規(guī)律

    2.4 高性能混凝土28d耐久性發(fā)展規(guī)律

    高性能混凝土重要體現(xiàn)在服役過程中的耐久性,依據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,高速公路預(yù)制T梁用高性能混凝土28 d電通量應(yīng)小于1 000 C、200次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率低于5%。4種配合比齡期為28 d時(shí)電通量發(fā)展規(guī)律如圖7所示,齡期28 d時(shí),4種配合比電通量值均低于1 000 C,即4種配合比均滿足于高性能混凝土電通量的技術(shù)要求,與28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相同(見圖3),其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布、堆積的密實(shí)度亦呈 C1>C2>C3>C4 規(guī)律發(fā)展(見圖 7)。4種配合比下混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為28 d繼而歷經(jīng)200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展規(guī)律如圖8所示,歷經(jīng)200次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率發(fā)展規(guī)律依次為C1>C2>C3>C4,其中 C1 配合比的質(zhì)量損失率大于5%,不滿足高速公路預(yù)制T量用高性能混凝土技術(shù)要求。

    圖7 4種配合比28 d電通量對(duì)比變化

    圖8 4種配合比經(jīng)200次凍溶循環(huán)質(zhì)量損失率展規(guī)律

    3 SEM分析

    圖9為4種配合比28 d硬化漿體斷面SEM圖。配合比C1自然養(yǎng)護(hù)28 d樣品斷面中C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)呈針棒狀排布,且針棒狀晶體相互搭接未形成的致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)(見圖9(a)),晶體直徑約20 nm左右,呈亂向無序排布。圖9(b)配合比C2、齡期28 d的樣品斷面的SEM圖,斷面呈現(xiàn)不同尺寸的球形顆粒排布,顆粒周圍排布著大量散碎的晶相,球形顆粒周圍有大尺寸的裂紋分布,微結(jié)構(gòu)晶相排布較為整齊,晶相排布堆積密實(shí)度高于C1配合比。圖9(c)為C3配合比樣品斷面的SEM譜圖,針棒狀晶相整齊排布且相互搭接形成較為密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),其網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)密實(shí)度較高,晶體的填充程度高于圖9(a)、(b)。配合比C4,28 d斷面的SEM譜圖如圖9(d)所示,其微結(jié)構(gòu)晶相尺寸較小、排布有序,且均勻填充于微結(jié)構(gòu)的空隙中,形成密實(shí)度較高的微結(jié)構(gòu)斷面,晶相的堆積、填充程度高于圖 9(a)、(b)、(c)。

    圖9 4種配合比28d硬化漿體SEM圖譜

    對(duì)比圖 9(a)、(b)、(c)、(d),圖 9(d)即 C4 配合比微觀斷面的晶相尺寸較小且排布密實(shí)、堆積度最高,即宏觀數(shù)據(jù)上強(qiáng)度最大、耐久性最優(yōu)。C1配合比組分中未摻加礦物摻合料,提升強(qiáng)度的膠凝組分物質(zhì)主要是水泥,水泥水化反應(yīng)速度較快生成的水化散亂排布彼此搭接能力較弱,無法生成致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu);C2配合比為粉煤灰-水泥二元復(fù)合膠凝組分,微結(jié)構(gòu)呈球形分布的粉煤灰顆粒流動(dòng)性較強(qiáng),較好調(diào)節(jié)水泥與水的接觸面積,其微結(jié)構(gòu)的密實(shí)度得以提高;C3配合比屬礦粉-水泥二元復(fù)合膠凝體系,礦粉的比表面積大于水泥具有較高活性,借助早期水泥水化生成Ca(OH)2發(fā)生水化,生成的水化產(chǎn)物填充于水泥水化過快形成的空穴中,達(dá)到提高微結(jié)構(gòu)密實(shí)度的效果;礦粉-粉煤灰-水泥三元復(fù)合膠凝組分的C4配合比下微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物堆積密實(shí)度最高,其膠凝組分兼具粉煤灰的流動(dòng)性和礦粉的活性,增大膠凝組分相互接觸的同時(shí),生產(chǎn)的水化產(chǎn)物有效填充于早期水泥水化的空穴中,達(dá)到較高的微結(jié)構(gòu)密實(shí)度。

    4 結(jié)束語

    綜合4種高性能混凝土工作性、力學(xué)性、耐久性發(fā)展規(guī)律,結(jié)論如下:1)C1配合比工作性評(píng)價(jià)劣于C2、C3、C4,2 h后坍落度、含氣量損失率均高于其他三種配合比,即在水泥膠凝組分中適當(dāng)摻加礦物摻合料有利于混凝土坍落度、含氣量的保持;2)28 d 抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C4>C3>C2>C1,28 d礦物摻合料-水泥膠凝組分硬化強(qiáng)度均高于水泥膠凝組分強(qiáng)度;3)4種配合比28 d電通量、200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率損失量發(fā)展趨勢(shì)為C1>C2>C3>C4。硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展規(guī)律證實(shí),水泥膠凝組分中摻加礦物摻合料均降低孔溶液pH值,綜合微觀結(jié)果表明:礦物摻合料在后期水泥水化的過程中參與了水化反應(yīng),礦粉-粉煤灰-水泥三元復(fù)合膠凝組分的C4配合比硬化漿體的水化結(jié)晶相數(shù)量高于C1、C2、C3,且尺寸較小、排列緊密,結(jié)構(gòu)整體更加致密。該結(jié)論為礦物摻合料在高性能混凝土中的作用機(jī)理研究提供參考依據(jù)。

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