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        智慧城市地下管廊及地鐵站臺(tái)抗裂防滲高性能混凝土設(shè)計(jì)研究

        2020-12-27 11:01:18湯國芳曹永王曉妍孟祥輝盧傳泰馬忠華付智
        江蘇建材 2020年5期
        關(guān)鍵詞:耐久性機(jī)制混凝土

        湯國芳,曹永,王曉妍,孟祥輝,盧傳泰,馬忠華,付智,2

        (1. 江蘇誠意工程技術(shù)研究院有限公司,江蘇 徐州 221000 2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京100088 )

        0 引言

        針對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)開裂滲漏普遍嚴(yán)重的現(xiàn)狀,結(jié)合徐州市地理位置特點(diǎn),開展高性能抗裂混凝土的研究與應(yīng)用工作, 重點(diǎn)解決地下工程混凝土裂縫控制的瓶頸問題, 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)混凝土耐久性與抗裂性協(xié)同設(shè)計(jì)。

        1 試驗(yàn)用原材料

        水泥:采用江蘇誠意水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,比表面積為350 m2/kg,表觀密度為3 100 kg/m3,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表1、2。

        表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

        礦粉:采用徐州中誠建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉, 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表3、4。礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?;郀t礦渣粉》的質(zhì)量要求。

        表2 水泥的化學(xué)組成 %

        表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

        表4 礦粉的化學(xué)組成 %

        粉煤灰:采用華潤(rùn)電力F 類Ⅰ級(jí)粉煤灰,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成分別見表5、6。粉煤灰各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的質(zhì)量要求。

        細(xì)集料:細(xì)集料分別采用機(jī)制砂和天然江砂,技術(shù)指標(biāo)見表7,砂顆粒級(jí)配屬于II 區(qū)。砂的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

        粗集料:采用徐州明陽石灰?guī)r碎石,篩分結(jié)果如表8 所示。

        表5 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

        表6 粉煤灰的化學(xué)組成 %

        表7 砂技術(shù)指標(biāo)

        表8 所用碎石的篩分結(jié)果

        碎石壓碎值指標(biāo)為8.0%,表觀密度為2 700 kg/m3,針片狀含量5%,含泥量0.1%。兩種碎石均符合《普通混凝土用砂、 石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52-2006)的要求。本次試驗(yàn)采用5~16 mm 和16~31.5 mm 兩種級(jí)配碎石搭配,配合比設(shè)計(jì)大小石混合比例均采用4∶6。

        外加劑:采用徐州鑄建科技有限公司HPWRS 聚羧酸系高性能減水劑,其性能指標(biāo)見表9。

        表9 外加劑性能指標(biāo)

        防腐劑:采用深圳道特公司產(chǎn)品,達(dá)到JC/T 1011—2006《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》要求。

        水:徐州地區(qū)生活用水。

        2 配合比設(shè)計(jì)

        2.1 配合比設(shè)計(jì)方案

        根據(jù)科研技術(shù)指標(biāo)、 規(guī)范要求及原材料性能,固定用水量, 通過外加劑用量調(diào)整混凝土的流動(dòng)性,控制坍落度為180~220 mm。以水灰比、砂率(礦粉、粉煤灰、防腐劑)摻量為因素,每一個(gè)因素取四個(gè)水平,以五因素四水平(表10)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。

        2.2 正交設(shè)計(jì)的因素水平(見表10)

        2.3 正交試驗(yàn)方案(見表11)

        2.4 正交試驗(yàn)配合比(見表12)

        表10 因素水平

        表11 正交試驗(yàn)方案L16(45)

        表12 正交試驗(yàn)配合比

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 機(jī)制砂、天然砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果分別見表13、14。

        表13 機(jī)制砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

        表14 天然砂混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

        3.2 混凝土檢測(cè)結(jié)果分析

        從表13、14 可以得出:

        (1)隨著混凝土齡期的增長(zhǎng),混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大;混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減?。簧暗募?xì)度模數(shù)為2.7,砂率在40%~49%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);礦粉加入一定的比例有利于中后期混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng),說明了由于礦粉顆粒比較細(xì)而產(chǎn)生的微集料效應(yīng)[1]及礦粉均勻地分散在水泥漿中,在水泥水化過程中的“晶核效應(yīng)”[2],三大效應(yīng)提高了混凝土的密實(shí)度和膠凝強(qiáng)度, 從而提高了混凝土的整體強(qiáng)度。加入一定量的粉煤灰,對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度有不利的影響, 但是有利于混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng),過摻時(shí),對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度非常不利。防腐劑摻入小于10%時(shí), 會(huì)隨著加入量的增加抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),當(dāng)加入量超過10%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度的下降明顯。

        (2)隨著水灰比的增大,混凝土的電通量數(shù)值隨之增加,耐久性下降;砂率在40%~49%時(shí),機(jī)制砂混凝土的電通量數(shù)值變化較小,但都出現(xiàn)先下降后增大的現(xiàn)象,說明有一個(gè)最佳砂率,是最密實(shí)的狀態(tài);隨著礦粉摻量的增加,混凝土的電通量值明顯降低;隨著粉煤灰摻量的增加,電通量數(shù)值出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì);隨著防腐劑的加入,電通量數(shù)值出現(xiàn)大幅度下降,說明防腐劑的加入,對(duì)混凝土抗Cl-滲透的效果明顯。礦物摻合料的加入,可以改善混凝土中的微小孔隙率,水泥的水化產(chǎn)物與礦粉、粉煤灰等礦物摻合料在堿性條件下起到了很好的火山灰效應(yīng)和微集料的填充效應(yīng),改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu),優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物的組成[3],提高了混凝土的抗Cl-滲透性。

        (3)混凝土的滲透度隨著水灰比的增大而明顯增加,說明混凝土的密實(shí)性隨著水灰比的增大而下降; 砂率在40%~49%時(shí)對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響不明顯;隨著礦粉摻量的增加,滲透出現(xiàn)下降趨勢(shì),說明礦粉可以增加混凝土的致密性;加入一定量的粉煤灰,混凝土的滲水下降,但是過量加入時(shí),抗?jié)B性能下降明顯;隨著防腐劑摻量的增加,混凝土的抗?jié)B透能力上升。

        (4)隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)干縮率隨之增大,水化反應(yīng)與收縮同時(shí)進(jìn)行。加入的粉煤灰,未參與二次水化反應(yīng)的粉煤灰可有效填充于混凝土的孔隙中,抑制混凝土的收縮。

        (5)水灰比在0.40~0.49 時(shí),隨著水灰比的增加,混凝土的干縮率相應(yīng)減??;隨著砂率的增加,混凝土的干縮率隨之變大; 隨著礦粉摻量的增加,混凝土的早期干縮率增大,后期摻加一定比例礦粉的混凝土的干縮率小于不摻礦粉的混凝土。礦粉的摻加會(huì)增大混凝土早期干縮率, 增加早期裂縫風(fēng)險(xiǎn),對(duì)混凝土后期的干縮有一定的抑制作用;粉煤灰的加入對(duì)混凝土的干縮影響不大。隨著防腐劑摻量的增加,對(duì)機(jī)制砂混凝土干縮率出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象,說明在一定比例范圍內(nèi)加入防腐劑可以抑制機(jī)制砂混凝土的干縮。

        (6)隨著水灰比的增大,碳化深度增加明顯,混凝土的抗碳化能力下降;砂率對(duì)混凝土的抗碳化性能關(guān)系不大,但是在混凝土強(qiáng)度最高時(shí)的砂率所對(duì)應(yīng)的碳化深度相應(yīng)最小。隨著礦粉、粉煤灰、防腐劑摻量的增加,混凝土的碳化深度隨之增加,抗碳化性能下降。

        3.3 機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土對(duì)比

        (1)對(duì)比表13、14 數(shù)據(jù),分析二類砂配制的混凝土抗壓強(qiáng)度的數(shù)值,機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度基本高于天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度,說明機(jī)制砂表面比天然砂粗糙,有較好的表面能與水泥漿結(jié)合,在相同水灰比的情況下與天然砂混凝土相比,可以獲得更高的混凝土抗壓強(qiáng)度。

        (2)機(jī)制砂混凝土總體電通量值小于天然砂混凝土,說明機(jī)制砂混凝土的密實(shí)性優(yōu)于天然砂混凝土,機(jī)制砂與水泥漿的粘結(jié)性能強(qiáng)于天然砂對(duì)水泥漿的粘結(jié)性,微觀孔隙更少。

        (3)機(jī)制砂混凝土的碳化深度與天然砂混凝土的碳化深度相差不大,說明二者抗碳化性能相當(dāng)。

        (4)機(jī)制砂混凝土的滲水高度基本低于天然砂混凝土的滲水高度,說明機(jī)制砂混凝土具有更好的抗水滲透性,具有更好的耐久性。

        4 結(jié)論

        在當(dāng)前天然砂資源日益枯竭的情況下,用機(jī)制砂代替天然砂配制混凝土,力學(xué)性能優(yōu)于天然砂混凝土,其耐久性并沒有明顯削弱,且大部分耐久性能優(yōu)于天然砂混凝土。通過配合比的調(diào)整,機(jī)制砂完全可以替代天然砂配制出符合要求的高性能抗?jié)B防裂混凝土。

        (1)膠凝材料用量、水膠比、膠凝材料體系對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度、變形性能與耐久性能均有較大影響;

        (2)膠凝材料體系應(yīng)選擇粉煤灰與礦粉的復(fù)合體系;

        (3)在保證混凝土工作性能良好的前提下,選擇適當(dāng)?shù)乃冶龋侠硎褂脺p水劑,優(yōu)選原材料,不僅可以保證混凝土強(qiáng)度,還可以減小混凝土收縮率,提高混凝土工程耐久性;

        (4)混凝土澆筑過程中常常出現(xiàn)的氣泡、麻面、蜂窩、混凝土水化紋等外觀質(zhì)量缺陷,可以通過優(yōu)化混凝土外加劑、使用合理的脫模劑和加強(qiáng)震搗來減少這些外觀質(zhì)量缺陷, 達(dá)到提升混凝土質(zhì)量品質(zhì)、提高混凝土耐久性的目的。

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