超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能的影響分析

駱俊暉,黃 河,郝天之,劉豪斌,明 陽

(1.廣西北投交通養(yǎng)護科技集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.長沙市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,湖南 長沙 410016;3.桂林理工大學(xué),廣西 桂林 541004;4.廣西建筑新能源與節(jié)能重點試驗室,廣西 桂林 541004)

0 引言

我國幅員遼闊,氣候復(fù)雜多樣,如青藏高原地區(qū)較大的晝夜溫差,使得大量的混凝土工程需要在一定的負(fù)溫條件下使用,甚至某些混凝土工程需要在負(fù)溫下進(jìn)行施工[1]。混凝土是一種典型的多孔非均勻材料,受凍時拌和水結(jié)冰后體積膨脹約9%,通常情況硬化初期強度較低,冰凍膨脹會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷,從而降低混凝土強度和抗?jié)B等性能[2-3]。

隨著我國全面小康社會的建成,目前全國已經(jīng)基本實現(xiàn)“村村通公路”的總體目標(biāo),道路養(yǎng)護維修面臨重大挑戰(zhàn)和機遇,道路養(yǎng)護維修的主要的特點是安全、高效、綠色、可持續(xù)。相關(guān)研究表明,硅灰和粉煤灰復(fù)合摻入混凝土,通過密實填充,可以改善漿體的孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而增強混凝土的抗凍性能[4]。目前各國學(xué)者逐漸認(rèn)識到低溫條件下混凝土幼齡期性能對后期性能的影響至關(guān)重要,并對混凝土幼齡抗凍性能進(jìn)行了一系列研究[5-7]。為保證混凝土早期受凍后強度不受損失,混凝土在凍前的強度必須超過抗凍臨界強度。鑒于此,本文主要針對青藏高原晝夜較大溫差的氣候環(huán)境,采用一次凍結(jié)法,研究自制三元固廢超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能的影響,并對其幼齡抗凍機理進(jìn)行分析,為高原地區(qū)道路養(yǎng)護快速施工方案提供參考和試驗依據(jù),具有重要的實際意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:廣西云燕特種水泥建材有限公司生產(chǎn)的快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC 425,以下簡稱R·SAC),主要性能指標(biāo)見表1。

表1 R·SAC的基本物理力學(xué)性能表

超細(xì)礦物摻合料(Ultrafine mineral admixture,UMA):由鋼渣、礦渣、粉煤灰經(jīng)過粉磨后按3∶5∶2混合而成,粒徑分布為2～10μm,平均粒徑為3.64μm,28 d活性指數(shù)為103%,流動度比為100%[8]。主要化學(xué)成分見表2。

促凝劑:碳酸鋰,羅恩牌,AR,99.5%,分析純試劑。

細(xì)集料:廣西桂林某混凝土廠生產(chǎn)石灰?guī)r機制砂,密度為2 693 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為3.32,石粉含量為11.2%,MB值為0.75。

減水劑:聚羧酸高效減水劑,固含量為30%,減水率>40%。

水:日常飲用水。

表2 超礦物摻合料主要化學(xué)組成表

1.2 方法與配合比

在普通混凝土中,混凝土破壞的本質(zhì)是裂縫的生成與發(fā)展,內(nèi)部損傷始于裂縫尖端附近的奇異應(yīng)力場,混凝土的破壞與裂縫密切相關(guān)。一般認(rèn)為普通混凝土存在三級裂縫,即凈漿裂縫、凈漿與細(xì)集料之間的界面裂縫、砂漿與粗集料之間的界面裂縫,三級裂縫量級遞增。因此,為了獲得相對較高的力學(xué)性能,考慮到經(jīng)濟效應(yīng),本試驗采用剔除出骨料的方法將裂縫控制在第二級。早強型細(xì)集料混凝土配合比如表3所示。

根據(jù)研究目的,本試驗采用兩種養(yǎng)護制度。養(yǎng)護制度一:一次凍結(jié)。試件成型后,在室溫20 ℃條件預(yù)養(yǎng)6 h,立即轉(zhuǎn)入負(fù)溫恒-18 ℃條件下凍養(yǎng)3 d,然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至-3 d+4 d、-3 d+11 d、-3 d+25 d。養(yǎng)護制度二:正常養(yǎng)護。試件成型后,在室溫20 ℃條件預(yù)養(yǎng)6 h,然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至7 d、14 d、28 d。

試件制備工藝:(1)將水泥、超細(xì)礦物摻合料、機制砂、碳酸鋰在膠砂攪拌鍋內(nèi)低速干拌2 min;(2)加入水和減水劑混合液體繼續(xù)低速攪拌30 s,停拌10 s,高速攪拌30 s;(3)注模成型,塑料薄膜覆蓋試件,在試驗室20 ℃下放置養(yǎng)護6 h后拆模,根據(jù)養(yǎng)護制度養(yǎng)護至規(guī)定齡期進(jìn)行強度測試。

力學(xué)性能測試參照《水機膠砂強度試驗方法(ISO法)》(JTG 3420-2020 T—2005)進(jìn)行,試件成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室:溫度為20±2 ℃,濕度>95%。

表3 早強型細(xì)集料混凝土配合比表

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護制度對早強型細(xì)集料混凝土力學(xué)性能的影響

測試既定配合比早強型細(xì)集料混凝土在不同養(yǎng)護制度下,不同超細(xì)礦物摻合料摻量早強型細(xì)集料混凝土力學(xué)性能,試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知,預(yù)養(yǎng)6 h,所有試件強度均已超過混凝土幼齡抗凍臨界強度。

圖1 超細(xì)礦物摻合料對抗折強度的影響曲線圖

圖1為不同養(yǎng)護制度下,超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土抗折強度的影響曲線圖。由圖1可以看出,養(yǎng)護齡期為7 d時,兩種養(yǎng)護制度下抗折強度變化規(guī)律保持一致,均隨著超細(xì)礦物摻合料的增加,抗折強度先增加后減小,超細(xì)礦物摻合料摻量為5%是該齡期對應(yīng)的最佳摻量,“養(yǎng)護制度一”明顯優(yōu)于“養(yǎng)護制度二”;養(yǎng)護齡期為14 d時,在“養(yǎng)護制度一”中,抗折強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加表現(xiàn)為先增加后減小,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%是該齡期對應(yīng)的最佳摻量。在“養(yǎng)護制度二”中,抗折強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加而減小,超細(xì)礦物摻合料摻量由0增加至20%時,抗折強度減小9.1%;養(yǎng)護齡期為28 d時,兩種養(yǎng)護制度下抗折強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加表現(xiàn)為先增加后減小,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%是“養(yǎng)護制度一”對應(yīng)的最佳摻量,超細(xì)礦物摻合料摻量為5%是“養(yǎng)護制度二”對應(yīng)的最佳摻量,說明超細(xì)礦物摻合料摻量對后期抗折強度影響的飽和點因養(yǎng)護制度而異,在早期受凍條件下應(yīng)該適量增加超細(xì)礦物摻合料的摻量。

下頁圖2為不同養(yǎng)護制度下,超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土抗壓強度的影響曲線圖。由圖2可以看出,養(yǎng)護齡期為7 d時,在“養(yǎng)護制度一”中,超細(xì)礦物摻合料對抗壓強度影響保持平穩(wěn)狀態(tài)。而在“養(yǎng)護制度二”中,抗壓強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加表現(xiàn)為先增加后較小,超細(xì)礦物摻合料摻量為5%是其對應(yīng)的最佳摻量;養(yǎng)護齡期為14 d時,在“養(yǎng)護制度一”中,抗壓強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加而逐漸減小,超細(xì)礦物摻合料摻量由0增加至20%時,抗壓強度減小2.67%。在“養(yǎng)護制度二”中,抗壓強度隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%是“養(yǎng)護制度二”對應(yīng)的最佳摻量;養(yǎng)護齡期為28 d時,兩種養(yǎng)護制度下,隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加,抗壓強度的變化趨勢保持一致,其中超細(xì)礦物摻合料摻量為15%是“養(yǎng)護制度一”對應(yīng)的最佳摻量,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%是“養(yǎng)護制度二”對應(yīng)的最佳摻量,說明超細(xì)礦物摻合料對后期抗壓強度影響的飽和點因養(yǎng)護制度而異,在早期受凍條件下應(yīng)適當(dāng)增加超細(xì)礦物摻合料摻量。

圖2 超細(xì)礦物摻合料對抗壓強度的影響曲線圖

2.2 超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能的影響

在混凝土中通常以抗壓強度和抗折強度來評價其力學(xué)性能?；炷恋目箟簭姸刃纬蓹C理較為復(fù)雜,是水泥石應(yīng)力場、水泥與骨料界面應(yīng)力場、骨料之間嵌擠應(yīng)力場等多場模態(tài)的耦合作用,而抗折強度一般取決于水泥與骨料的界面相性能,強度形成機理相對單一。因此,本文以抗折強度為指標(biāo)來評價早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能,定義一個幼齡抗凍系數(shù)Kd,具體表達(dá)式如下:

(1)

式中:Kd——表示養(yǎng)護齡期為d時對應(yīng)的幼齡抗凍系數(shù);

R1——表示“養(yǎng)護制度一”下的抗折強度值;

R2——表示“養(yǎng)護制度二”下的抗折強度值。

Kd的值越大,說明其幼齡抗凍性能越好。

圖3為超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能的影響曲線圖。由圖3可以看出:養(yǎng)護齡期為7 d時,早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍系數(shù)區(qū)間為1.02～1.04,均>1,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數(shù)為最大值1.04;養(yǎng)護齡期為14 d時,早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍系數(shù)區(qū)間為0.88～1.02,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數(shù)為最大值1.02;養(yǎng)護齡期為28 d時,早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍系數(shù)區(qū)間為0.95～1.01,超細(xì)礦物摻合料摻量為10%時幼齡抗凍系數(shù)為最大值1.01。由此,可以得出超細(xì)礦物摻合料摻量為10%是早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能最佳摻量,適量的超細(xì)礦物摻合料可以改善和提高早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能。

圖3 超細(xì)礦物摻合料對幼齡抗凍系數(shù)的影響曲線圖

3 幼齡抗凍機理分析

3.1 超細(xì)礦物摻合料對早強型細(xì)集料混凝土宏觀內(nèi)部構(gòu)造的影響

圖4為不同超細(xì)礦物摻合料摻量下早強型細(xì)集料混凝土斷截面圖。由圖4可以看出:隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加,早強型細(xì)集料混凝土斷截面的顏色由淺變深,主要是超細(xì)礦物摻合料原材料在細(xì)集料混凝土內(nèi)部均勻分布和填充所致。斷截面內(nèi)可以明顯用肉眼看到氣孔的存在,且氣孔數(shù)量隨著超細(xì)礦物摻合料摻量的增加而逐漸增加,說明超細(xì)礦物摻合料可以調(diào)節(jié)早強型細(xì)集料混凝土內(nèi)部氣孔含量和分布,提高和改善其工作性能。通過對截面的觀察,可以明顯看到超細(xì)礦物摻合料摻量為10%的試件斷截面內(nèi)氣孔和細(xì)集料分布較為均勻,而由圖3可知超細(xì)礦物在該摻量下各齡期幼齡抗凍系數(shù)最大,這進(jìn)一步說明適量的超細(xì)礦物摻合料可以提高早強型細(xì)集料混凝土幼齡抗凍性能。

圖4 超細(xì)礦物摻合料對宏觀內(nèi)部構(gòu)造的影響示意圖

3.2 溫度對早強型細(xì)集料混凝土的損傷

快硬硫鋁酸鹽水泥在凝結(jié)硬化過程中釋放大量的水化熱,混凝土在變溫過程中會產(chǎn)生不均勻的溫度場。因為水泥漿體與骨料的熱膨脹系數(shù)存在差異,所以無論是升溫還是降溫,水泥漿體與骨料之間的界面過渡區(qū)首先出現(xiàn)損傷;當(dāng)溫度梯度增大到一定數(shù)值后,混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力微裂紋乃至宏觀裂縫,宏觀上表現(xiàn)為混凝土強度降低。相關(guān)研究表明,本試驗所用的超細(xì)礦物摻合料[8]可以等效替代水泥,抑制水化熱效應(yīng)強,能夠有效降低膠凝材料水化熱,減小溫度應(yīng)力,降低混凝土內(nèi)部的初始損傷度。

3.3 毛細(xì)孔與氣孔對早強型細(xì)集料混凝土的協(xié)同作用效應(yīng)

孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分,對混凝土宏觀性能具有重要影響,適量的超細(xì)礦物摻合料改善了早強型細(xì)集料混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)[9]。楊人和等[10]根據(jù)孔徑大小,將孔分為無害孔、少害孔、有害孔、多害孔,前兩者稱為凝膠孔,后兩者稱為毛細(xì)管孔。在毛細(xì)管孔中,不飽和電荷會使孔表面產(chǎn)生表面能,水滲入這些毛細(xì)孔,由于毛細(xì)管孔表面引力克服水的表面張力使水分子形成密度較小的定向有序結(jié)構(gòu),產(chǎn)生毛細(xì)管孔效應(yīng)(如圖5所示),這會對抗凍性能產(chǎn)生不利影響[11-12]。

圖6為毛細(xì)管孔與氣孔冰凍機理分析示意圖。水束縛得越牢,冰點就越低,因此結(jié)冰對水泥漿體產(chǎn)生損傷的水一般為毛細(xì)管孔中的水,水在結(jié)冰時會產(chǎn)生9%左右的體積膨脹,從而會對孔壁產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使水泥漿體產(chǎn)生損傷,結(jié)冰位置的不同會對孔壁產(chǎn)生不一樣的效應(yīng)。如圖7(a)所示,當(dāng)結(jié)冰的位置發(fā)生在毛細(xì)孔內(nèi),冰晶會擠壓毛細(xì)管壁或產(chǎn)生水壓使水泥漿體產(chǎn)生損傷,造成水泥漿體剛度損失,氣孔可以提供有效的逃逸邊界,有效減小冰壓或水壓[13];如圖7(b)所示,當(dāng)結(jié)冰的位置發(fā)生在氣孔位置,冰晶不會對氣孔孔壁產(chǎn)生壓力,毛細(xì)孔中的高能水和氣孔處的低能水會產(chǎn)生熱力學(xué)不平衡,形成冰凍抽吸效應(yīng),驅(qū)使毛細(xì)孔水流向低能的氣孔處,促進(jìn)冰晶生長,有效減輕毛細(xì)孔水壓,進(jìn)而有效防止水泥漿體產(chǎn)生損傷[14]。

圖5 毛細(xì)管孔效應(yīng)示意圖

圖6 毛細(xì)管孔與氣孔冰凍機理分析示意圖

(a)結(jié)冰在毛細(xì)孔內(nèi)

(b)結(jié)冰在氣孔

4 結(jié)語

(1)經(jīng)一次凍結(jié)試驗可知,既定配合比早強型細(xì)集料混凝土預(yù)養(yǎng)6 h后強度均已超過幼齡抗凍臨界強度,滿足青藏高原地區(qū)晝夜溫差施工要求。

(2)超細(xì)礦物摻合料可以提高和改善早強型細(xì)集料混凝土的力學(xué)性能,當(dāng)摻量為10%時,其幼齡抗凍性能最佳。一次凍結(jié)7 d、14 d、28 d試件抗壓強度為分別為正常養(yǎng)護條件下的97.4%、98.7%、98.9%,抗折強度為正常養(yǎng)護條件下的103.8%、101.8%、100.8%。超細(xì)礦物摻合料更有利于提高幼齡抗折強度。

(3)適量的超細(xì)礦物摻合料不僅可以降低水泥水化熱,而且還可以改善早強型細(xì)集料混凝土內(nèi)部構(gòu)造,從而增強其幼齡抗凍性能,大大降低青藏高原地區(qū)施工成本。