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        隧道石粉取代膠凝材料對機制砂混凝土性能的影響

        2021-03-21 07:04:18馬文榮
        中國建材科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        馬文榮

        (中鐵八局集團第三工程有限公司,貴州 貴陽 550001)

        0 引言

        隨著基礎(chǔ)建設(shè)及交通運輸發(fā)展,混凝土使用量逐年上升,水泥需求量持續(xù)增長。水泥生產(chǎn)是高能耗、高污染傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),原材料大量開采破壞了植被和生態(tài)。近年來,有學(xué)者研究用具有水硬活性的固體廢物替代水泥制備混凝土,但對通常認(rèn)為不具備水硬活性的石粉摻入混凝土研究較少。

        我國西南地區(qū)地勢復(fù)雜,多山多石,基礎(chǔ)建設(shè)伴隨大量的隧道施工,隧道掘進過程中產(chǎn)生了大量石粉,由于其粒度細(xì)小,運輸、儲存和應(yīng)用比較困難。貴州地處內(nèi)陸,基礎(chǔ)建設(shè)所需天然河砂需從外省運入,成本較高,因此,使用機制砂取代天然河砂制備混凝土具有資源優(yōu)勢和成本優(yōu)勢[1]。

        國內(nèi)外研究表明,石粉可促進混凝土中膠凝材料硅酸三鈣水化反應(yīng),其細(xì)小顆??商畛浠炷羶?nèi)部孔隙[2],但尚無學(xué)者系統(tǒng)研究石粉對混凝土各項性能的影響,尤其是西南地區(qū)喀斯特地質(zhì)條件下隧道掘進過程中產(chǎn)生的石粉在混凝土的應(yīng)用未見報道。本文以隧道石粉為研究對象,用隧道石粉部分取代膠凝材料制備機制砂混凝土,分析測試不同石粉取代量和石粉細(xì)度對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽滲透性能、收縮量、抗氯離子滲透系數(shù)和碳化深度等性能的影響,為隧道石粉的綜合利用開辟新途徑,并節(jié)約膠材用量。

        1 試驗

        1.1 試驗材料

        水泥:貴州某水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥;粉煤灰:貴州某發(fā)電廠的粉煤灰;石粉:中鐵八局集團某項目產(chǎn)生的隧道石粉、細(xì)度用45μm方孔篩篩余表示;減水劑:市場購買的聚羧酸減水劑;機制砂:來自貴州某機制砂廠。

        1.2 試驗方法

        依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計不同的混凝土用料配比。以不同比率的石粉取代混凝土中的膠凝材料,通過改變水膠比、石粉細(xì)度,研究摻入隧道石粉對機制砂混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、收縮量、碳化深度及抗氯離子滲透性能等的影響。試驗條件見表1。根據(jù)不同混凝土配合比稱取水泥、粉煤灰、石粉和機制砂,按照不同水膠比稱量水,滴入1%聚羧酸減水劑混合均勻,在攪拌機中攪拌一定時間后成型[7]。

        表1 試驗條件

        混凝土抗壓強度依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測,混凝土抗硫酸鹽侵蝕、收縮、碳化及抗氯離子滲透性能依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測。按照配合比制備出符合標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試塊,放入養(yǎng)護室養(yǎng)護,到規(guī)定時間取出,測試混凝土的各項性能。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同水膠比對混凝土抗壓強度影響

        圖1為石粉摻量15%、石粉45μm方孔篩篩余15%,不同水膠比對混凝土抗壓強度影響。由圖1可見,混凝土抗壓強度隨水膠比增大而降低,水膠比從0.3增加到0.6,混凝土7d和28d的強度下降約50%,并在水膠比為0.5時變化趨勢出現(xiàn)拐點,強度降低趨于平緩?;炷恋膹姸扔赡z凝材料中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵相固溶體的水化產(chǎn)物提供,水膠比是影響混凝土抗壓強度的重要因素。水膠比小時,膠凝材料水化后孔隙較少,強度較高,但混凝土的流動性、和易性較差,施工難度大;水膠比大時,膠凝材料的水化產(chǎn)物不能與其他物質(zhì)形成結(jié)實穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),也不能完全填補水分反應(yīng)或蒸發(fā)后留下的孔隙,使混凝土密實度和抗壓強度下降。根據(jù)圖1,水膠比為0.5,養(yǎng)護28d的抗壓強度滿足C30混凝土要求,因此后續(xù)試驗的水膠比選定為0.5。

        圖1 抗壓強度隨水膠比變化

        2.2 不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響

        圖2為水膠比0.5、石粉45μm方孔篩篩余分別為15%和30%,不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響。由圖2可見,對于細(xì)度為15%和30%的機制砂混凝土,隨石粉取代膠材量增加,混凝土7d和28d抗壓強度下降;石粉取代量0-15%時,抗壓強度下降速率大于取代量為15%-30%時。固定水膠比和石粉細(xì)度,隨石粉用量增加,由于石粉顆粒細(xì)小,比表面積大,擁有較高表面能,浸潤需水量增大,間接導(dǎo)致用水量不足,膠凝材料水化進程減慢,同時,膠凝材料的減少也導(dǎo)致混凝土強度下降[3]。取代量為15%時下降速率改變,這是因為石粉可加快C3S水化,石粉取代量增大,一定程度加快了水泥水化,減緩用水不足及膠凝材料減少對混凝土抗壓強度的影響[4]。石粉細(xì)度在石粉取代膠材量0-20%時對抗壓強度影響不大,摻量大于20%、細(xì)度為30%的抗壓強度大于細(xì)度為15%的抗壓強度,因為細(xì)度30%的石粉顆粒比細(xì)度15%的顆粒具有較寬的粒徑分布范圍,能更好填充混凝土內(nèi)部孔隙,從而提高抗壓強度。石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5,養(yǎng)護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa,滿足C30混凝土強度要求。

        圖2 抗壓強度隨石粉取代量的變化

        2.3 不同石粉取代膠材量對混凝土長期性與耐久性的影響

        圖3、圖4和圖5為不同石粉取代膠材量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、碳化試驗和抗氯離子滲透性能的影響。由圖3可見,抗硫酸鹽侵蝕試驗中,石粉取代膠材量與試件強度成反比,且30次循環(huán)侵蝕后的強度低于15次循環(huán)后的強度。由于石粉取代部分膠凝材料,使混凝土中提供強度的硅酸鹽水泥減少,同時使混凝土的密實度有所降低,低于對比試件。由圖4和圖5可見,石粉取代量0-10%時,碳化深度和抗氯離子滲透系數(shù)變化不大,石粉摻量大于10%時,這兩個指標(biāo)的變化趨勢明顯?;炷恋奶蓟疃群吐入x子擴散系數(shù)與石粉取代膠材量為正比關(guān)系[5],其碳化深度和氯離子腐蝕屬于點腐蝕[6]。少量石粉摻入可部分填充膠凝材料水化過程孔隙,使其性能變化不明顯,但石粉摻量越過10%后,膠凝材料被取代量較大,硅酸鹽水化產(chǎn)物不能有效粘結(jié)集料,使混凝土密實度有所下降,碳化深度和抗氯離子滲透系數(shù)急劇增大?;炷亮蛩猁}侵蝕后強度、碳化深度和氯離子擴散系數(shù)的變化速率在石粉取代膠材量為10%時發(fā)生突變。石粉取代膠材量小于10%時,石粉摻量較少,對膠凝材料水化影響小,混凝土孔隙率較小,對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度和氯離子擴散系數(shù)影響相對較弱;當(dāng)石粉取代量大于10%時,石粉對混凝土的不利影響較大,石粉用量的增多致使混凝土性能下降,水泥水化過程中石粉活性較弱,且易于積聚成團,增加混凝土內(nèi)部孔隙,影響混凝土的各項性能[7]。

        圖3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕

        圖4 混凝土碳化試驗

        圖5 混凝土抗氯離子滲透試驗

        2.4 不同石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響

        圖6為石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響。由圖6可見,在水膠比為0.5、石粉細(xì)度15%,增加石粉取代膠材量時,養(yǎng)護1d和7d后混凝土收縮量變化不明顯,28d后收縮量變化較大。養(yǎng)護1d和7d后,摻入石粉和未摻石粉混凝土的收縮量基本相同,這是因為短時間內(nèi)膠凝材料未完全水化,混凝土中還包含較多自由水。養(yǎng)護28d收縮變化較明顯,混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動,加入石粉后混凝土收縮量基本小于未摻入石粉的混凝土,這是因為石粉粒度細(xì)小,可以很好填充自由水反應(yīng)或蒸發(fā)后留下的孔隙,致使混凝土收縮量相對較小?;炷潦湛s量隨石粉摻量的增加而波動,合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量,當(dāng)石粉摻量為15%時,混凝土收縮量小于未摻入石粉的混凝土。

        圖6 混凝土收縮量

        3 結(jié)論

        本文以隧道石粉為研究對象,用隧道石粉部分代替膠凝材料制備機制砂混凝土,分析測試石粉細(xì)度、水膠比和石粉摻量對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數(shù)和收縮量的影響,結(jié)論如下:

        1)石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5時,養(yǎng)護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa,滿足C30混凝土強度要求。

        2)當(dāng)水膠比、石粉細(xì)度固定時,混凝土的抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數(shù)等隨石粉取代膠材量的增加而降低。

        3)混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動,合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量。

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