機制砂混凝土應(yīng)用于PCCP試驗研究

曲福來, 楊亞彬, 宋萬萬, 劉杰, 馬磊, 丁新新

(1.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046; 2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045; 3.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045; 4.河南省富臣管業(yè)有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453400)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的混凝土管芯作為PCCP的主體結(jié)構(gòu),承受覆土荷載和內(nèi)水壓力等的共同作用,因此管芯混凝土除了要滿足澆筑成型時的工作性能要求外,硬化后還要具有足夠的強度和較好的耐久性[1]。管芯混凝土的質(zhì)量受原材料的影響較大,天然砂源在我國環(huán)境保護力度不斷加強的形勢下面臨枯竭,亟待尋求性能穩(wěn)定的替代砂源。采用石料加工制作的機制砂,因制砂生產(chǎn)工藝相對穩(wěn)定,其成品砂可根據(jù)混凝土制備要求進(jìn)行顆粒級配和細(xì)度模數(shù)調(diào)整,近年來在混凝土結(jié)構(gòu)工程中得到了越來越多的應(yīng)用,因而可作為制備PCCP管芯混凝土的備選細(xì)骨料。但機制砂的顆粒形狀不規(guī)則、多棱角、表面粗糙且含有一定量的石粉,與天然砂的顆粒圓潤、不含石粉但有限定的含泥量具有明顯差別[2-3]。因此,與天然砂混凝土相比,機制砂混凝土配合比設(shè)計需調(diào)整砂率或減水劑用量才能得到同樣的拌合物工作性能,混凝土配制強度計算方法及力學(xué)性能換算關(guān)系也需調(diào)整[3-5]。由于PCCP管芯混凝土在澆筑成型及蒸汽養(yǎng)護等生產(chǎn)工藝方面具有特殊性,目前有關(guān)機制砂代替天然砂制備PCCP管芯混凝土的研究與工程實踐較少,故開展機制砂制備PCCP管芯混凝土的可行性研究是非常必要的。

本文結(jié)合工程實踐,采用對比試驗方法,根據(jù)PCCP混凝土管芯生產(chǎn)工藝要求,分別制備了強度等級為C55的機制砂混凝土和天然砂混凝土,測試了其工作性能、抗壓強度、抗?jié)B性和收縮性能。試驗結(jié)果證實了在顆粒級配和細(xì)度模數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下,機制砂混凝土的強度、抗?jié)B性和抗收縮性能均優(yōu)于相同強度等級的天然砂混凝土,這為PCCP工程采用機制砂混凝土提供了研究依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 混凝土原材料及配合比

水泥采用P·O 52.5；礦物摻合料選用F類Ⅰ級粉煤灰；細(xì)骨料為天然河砂與機制砂,細(xì)度模數(shù)分別為2.6和2.9,同屬于2區(qū)中砂,其級配曲線如圖1所示,各材料的性能分別見表1—3。

圖1 細(xì)骨料級配曲線

表1 實測P·O 52.5的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

表3 細(xì)骨料的性能指標(biāo)

粗骨料為粒徑5～20 mm連續(xù)級配石灰?guī)r質(zhì)碎石,表觀密度為2 770 kg/m3。減水劑為緩凝型聚羧酸高性能減水劑,減水率為27.2%。拌合水為城市自來水。

試驗中,PCCP管芯混凝土的設(shè)計強度等級為C55,依據(jù)假定質(zhì)量法進(jìn)行配合比設(shè)計,砂率以天然河砂為基準(zhǔn),采用機制砂完全取代。以坍落度作為PCCP混凝土工作性能判定的主要指標(biāo),坍落度目標(biāo)值為(150±30)mm。通過試拌調(diào)整,PCCP天然河砂混凝土(River Sand Concrete,RSC)和機制砂混凝土(Manufactured Sand Concrete,MSC)的配合比見表4。與天然河砂混凝土相比，機制砂混凝土除減水劑用量略有增加,其他原材料用量均相同。

表4 PCCP天然砂、機制砂混凝土的配合比 kg/m3

1.2 試件成型與養(yǎng)護

實際工程中,PCCP管芯混凝土澆筑后采用蒸汽養(yǎng)護。蒸汽養(yǎng)護時長共計12 h,可分為4個階段:自然狀態(tài)靜置2 h、以15 ℃/h升溫2 h左右、溫度達(dá)到(47±5) ℃后恒溫約6 h、自然降溫2 h。蒸汽養(yǎng)護各階段溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 PCCP管芯混凝土蒸汽養(yǎng)護各階段溫度變化

為模擬PCCP管芯混凝土的養(yǎng)護條件,更加真實地反映PCCP管芯混凝土的性能,所有試塊前期12 h均采用蒸汽養(yǎng)護方式,然后根據(jù)規(guī)范要求在特定條件下進(jìn)行養(yǎng)護[6-7]。養(yǎng)護條件見表5。

表5 混凝土試塊養(yǎng)護條件

1.3 試驗方法

PCCP管芯混凝土的拌合物工作性能包括流動性、密實性、抗離析性等。依據(jù)規(guī)范GB/T 50080—2016[8]開展混凝土拌合物性能試驗,流動性以測定的坍落度表征,密實性以含氣量判定,抗離析性以泌水率評價。

立方體抗壓強度試驗按照規(guī)范GB/T 50081—2019[6]進(jìn)行。試塊為邊長150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件,每組3個?？?jié)B試驗按照規(guī)范GB/T 50082—2009[7]進(jìn)行?？顾疂B透試件采用圓臺體,頂面和底面直徑分別為175 mm和185 mm,圓臺高150 mm,每組6個,水壓穩(wěn)定控制在(1.2±0.05)MPa,在恒壓過程中持續(xù)穩(wěn)壓24 h,得到各組試件的平均滲水高度?？孤入x子滲透試件采用直徑100 mm、高200 mm的圓柱體,每組3個。試驗前7 d,將圓柱體試塊切割成厚度為(50±2) mm的樣本,養(yǎng)護28 d后采用電通量法進(jìn)行抗氯離子滲透試驗,如圖3所示,以通過混凝土樣本的電通量判斷混凝土抗氯離子滲透性。

圖3 混凝土抗氯離子滲透試驗裝置

收縮性能試驗按照規(guī)范GB/T 50082—2009[7]進(jìn)行。試件采用100 mm×100 mm×515 mm棱柱體,每組3個。蒸汽養(yǎng)護12 h后拆模,以拆模時的試件長度作為管芯混凝土干燥收縮的初始長度值,如圖4所示。蒸汽養(yǎng)護結(jié)束后,隨著養(yǎng)護齡期的增長,分別測量混凝土試件不同齡期的干燥收縮變化,得到混凝土的干燥收縮值。

圖4 混凝土干燥收縮試驗裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

機制砂和天然砂混凝土拌合物的坍落度、含氣量和泌水率的試驗結(jié)果見表6。由表6可知：拌合物均未出現(xiàn)離析或泌水現(xiàn)象,表現(xiàn)出良好的工作性能；與天然砂混凝土拌合物相比，機制砂混凝土拌合物的坍落度、含氣量和泌水率均呈下降趨勢,主要原因是機制砂中存在一定含量的石粉,石粉顆粒的比表面積較大,提高了混凝土拌合物的黏稠度,改善了混凝土的和易性。因此,機制砂混凝土拌合物的流動性有所下降,但黏聚性相應(yīng)提高,且其密實程度與抗離析性能得到提升,滿足PCCP管芯混凝土澆筑的工作性能要求。

表6 PCCP管芯混凝土拌合物工作性能實測值

2.2 抗壓強度

天然砂和機制砂混凝土立方體的抗壓強度隨齡期的變化情況如圖5所示。由圖5可知：蒸汽養(yǎng)護12 h后,混凝土試件的抗壓強度均超過了45 MPa。在蒸汽養(yǎng)護條件下,水泥的水化反應(yīng)加快進(jìn)行,并促進(jìn)了礦物摻合料的二次水化反應(yīng),水化產(chǎn)物相互交錯連接,形成水泥石[9-10],使早期抗壓強度得以較快地增加。養(yǎng)護28 d后,混凝土立方體抗壓強度增長緩慢。天然砂混凝土試件在養(yǎng)護齡期達(dá)90 d后出現(xiàn)了強度降低的現(xiàn)象,原因在于蒸汽養(yǎng)護導(dǎo)致水泥熟料在早齡期反應(yīng)過快,生成的水泥石包裹了未水化的水泥顆粒,在一定程度上阻礙了水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致試件的后期強度增長減慢[11]。同時,受熱膨脹變形不一致的影響,水泥石與集料的界面過渡區(qū)會產(chǎn)生微裂縫,易出現(xiàn)鈣礬石富集現(xiàn)象,導(dǎo)致混凝土密實結(jié)構(gòu)變松散[12]。

圖5 混凝土立方體抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

配合比相同時,機制砂混凝土在不同齡期的抗壓強度均高于天然砂混凝土的。主要是相對于顆粒圓潤的天然砂,機制砂顆粒表面粗糙、多棱角,較大的比表面積和粗糙的表面使得其與漿體間具有更好的握裹咬合效應(yīng)[2-3],與漿體的黏結(jié)性能更強。同時,機制砂中的少量石粉,具有可填充水化反應(yīng)后產(chǎn)生的微小孔隙的微顆粒填充效應(yīng)和促進(jìn)水泥水化的晶核效應(yīng),可促使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實,改善水泥持續(xù)水化反應(yīng)的微環(huán)境,最終表現(xiàn)為混凝土抗壓強度的提升[2,5,13]。因此,機制砂取代天然砂用于制備PCCP管芯混凝土可以滿足強度要求。

2.3 抗水滲透性能

機制砂混凝土和天然砂混凝土的平均滲水高度分別為7 mm和9 mm。在配合比和養(yǎng)護條件相同時,兩種混凝土的滲水高度均低于10 mm,抗?jié)B性能均較好,且機制砂混凝土優(yōu)于天然砂混凝土,能夠滿足PCCP管芯混凝土的抗?jié)B性能要求。

2.4 抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透試件電通量的初始值基本一致,電通量隨時間的增長趨勢均勻穩(wěn)定。按照規(guī)范GB/T 50082—2009[7]要求,將通過試件的總電通量換算為直徑95 mm試件的電通量值,得到機制砂混凝土和天然砂混凝土的電通量分別為685 C和833 C,說明機制砂混凝土具有更好的抗氯離子滲透的能力。兩種混凝土的電通量值范圍為500～1 000 C,抗氯離子滲透性能符合Q-Ⅳ等級[14],均滿足PCCP管芯混凝土抗氯離子滲透性能的要求。

2.5 收縮性能

機制砂混凝土和天然砂混凝土的實測干燥收縮率隨時間的變化情況如圖6所示。由圖6可知：兩種混凝土的收縮率逐漸增大,且前期收縮率增長較快；機制砂混凝土的收縮率小于天然砂混凝土的,齡期120 d時前者的收縮率比后者減小5.9%。

圖6 混凝土干燥收縮率的實測值與計算值比較

采用CEB-FIP—1990規(guī)范中混凝土干燥收縮模型[2,15]來擬合本試驗數(shù)據(jù)，具體如下：

εcs(t,ts)=Faβs(t,ts)εcs,0,

(1)

(2)

εcs,0=[160+βsc(90-fcm)]×10-6。

(3)

式中:εcs(t,ts)為齡期t時混凝土的干燥收縮率;Fa為細(xì)骨料影響系數(shù),天然砂取1.0,機制砂根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)回歸分析后取0.95;εcs,0為混凝土干燥收縮率的最終值;t為混凝土齡期,d;ts為混凝土干縮開始時的齡期，取ts=0.5 d;h為截面有效厚度,mm;k1為試塊形狀影響系數(shù),k1=0.014;βsc為水泥類型系數(shù),普通硅酸鹽水泥取5;fcm為齡期28 d時混凝土圓柱體抗壓強度,MPa。本試驗中天然砂混凝土和機制砂混凝土的圓柱體抗壓強度分別取為56.6 MPa和57.1 MPa。

試驗數(shù)據(jù)的擬合曲線如圖6中的實線所示。由圖6可知:在28 d齡期之前,混凝土干燥收縮率的計算值小于實測值;28 d齡期之后,混凝土干燥收縮率的計算值略大于實測值?？傮w來說,公式(1)具有較高的預(yù)測精度。

在本次試驗條件下,機制砂混凝土的抗收縮性能優(yōu)于天然砂混凝土的。主要原因在于機制砂中少量的石粉可以填充混凝土內(nèi)的孔隙,使得毛細(xì)通道減少、自由水與結(jié)合水的散失量降低,這使混凝土的抗收縮性能更好,這與已有研究結(jié)果[15]一致。但是,如果機制砂的石粉含量較多,則會增加細(xì)集料的比表面積,使機制砂混凝土的收縮增加,高于相同配合比下天然砂混凝土的收縮值[2]。因此,合理控制機制砂的石粉含量對于控制機制砂混凝土的收縮率是必要的。

3 結(jié)論

1)機制砂與天然砂混凝土拌合物的坍落度、含氣量和泌水率等工作性能均滿足PCCP管芯混凝土澆筑成型要求。

2)蒸汽養(yǎng)護可快速提升混凝土的早期抗壓強度,但不利于混凝土后期強度增長,甚至使天然砂混凝土出現(xiàn)后期強度倒縮現(xiàn)象。機制砂混凝土的抗壓強度略高于天然砂混凝土的。

3)機制砂混凝土的抗水滲透和抗氯離子滲透能力均高于天然砂混凝土的,兩者的平均滲水高度均不超過10 mm,抗水滲透性能較好;抗氯離子滲透能力均達(dá)到Q-Ⅳ等級。

4)機制砂混凝土的抗收縮性能優(yōu)于天然砂混凝土的,并基于已有模型給出了考慮砂的種類影響的干燥收縮計算公式。

5)機制砂混凝土能夠滿足PCCP管芯混凝土的生產(chǎn)工藝、強度與耐久性要求?？紤]到機制砂的原料和穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝、成品性能,其用于制備PCCP管芯混凝土是可行的。