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        不同凝灰?guī)r粉摻量的水工混凝土性能研究

        2022-03-01 07:36:36
        黑龍江水利科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        周 爽

        (遼寧省北票市下府水利服務(wù)站,遼寧 北票 122113)

        近年來,水利事業(yè)的快速發(fā)展,使得水利工程建設(shè)對礦物摻合料的需求量急劇增大,特別是東北地區(qū)面臨著嚴(yán)重的礦粉、粉煤灰短缺問題,市場上礦物摻合料供不應(yīng)求,價格居高不下。為加快轉(zhuǎn)變原材料短缺的局面,結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)尋找性能穩(wěn)定、價格低廉的礦物摻合料已勢在必行[1-3]。

        我國東北部的凝灰?guī)r(火山碎屑巖)儲量豐富,將其破碎、球磨后替代部分水泥,既能夠有效解決混凝土成本增加和當(dāng)?shù)氐V物摻合料短缺的問題,還可以在一定程度上減輕環(huán)境污染壓力[4]。一般地,凝灰?guī)r內(nèi)部含有較多的無定型玻璃體和鋁、硅等元素,其火山灰活性明顯。關(guān)于凝灰?guī)r國內(nèi)諸多學(xué)者開展了廣泛研究,有學(xué)者利用沸石化凝灰?guī)r、鈣質(zhì)凝灰?guī)r探討了制備環(huán)境友好型凝膠材料和水工混凝土的可能性;UZAL等在水泥中摻入火山灰質(zhì)材料,發(fā)現(xiàn)特定細(xì)度和水膠比下?lián)?5%火山灰質(zhì)復(fù)合水泥與純水泥具有相當(dāng)?shù)?20d抗壓強(qiáng)度,并提出與火山灰效應(yīng)的關(guān)系[5-7]。

        本研究將凝灰?guī)r破碎、球磨至合適的比表面積,試驗(yàn)分析了水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍抗?jié)B性受凝灰?guī)r粉摻量的影響,從微觀上利用壓汞法探討了混凝土摻凝灰?guī)r粉后的孔隙結(jié)構(gòu),旨在為水工混凝土中凝灰?guī)r的資源化利用提供一定借鑒。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 原材料

        水泥:大連天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級通用硅酸鹽水泥,比表面積320m2/kg,標(biāo)稠用水量24%,化學(xué)成分如表1所示。

        凝灰?guī)r粉:來源于遼寧丹東地區(qū),將凝灰?guī)r破碎、球磨至比表面積350m2/kg,450m2/kg的粉末,化學(xué)成分如表1所示。

        表1 凝灰?guī)r粉和水泥的化學(xué)成分 %

        粗、細(xì)骨料:粗骨料用天然花崗巖碎石,粒徑5~20mm,密度2.6g/cm3,含泥量0.5%,細(xì)骨料用渾河河砂,細(xì)度模數(shù)2.8,最大粒徑4.75mm,密度2.4g/cm3,含泥量2.0%。

        外加劑:試驗(yàn)用XK-540P型聚羧酸高效減水劑,摻量取膠凝材料用量的2.0%,含固量15.1%,減水率25%。

        拌合水:當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

        1.2 配合比設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)采用等質(zhì)量的方式,用凝灰?guī)r粉取代10%、20%、30%的水泥,配合比設(shè)計(jì)如表2所示。其中J0代表基準(zhǔn)組,M1、M2代表比表面積350m2/kg,450m2/kg的凝灰?guī)r粉。

        表2 配合比設(shè)計(jì)

        1.3 試驗(yàn)方法

        依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》推薦的快速硫酸鹽侵蝕法、快速凍融試驗(yàn)法和相對滲透性試驗(yàn)法測定水工混凝土性能,其中抗硫酸鹽侵蝕試樣為100mm×100mm×100m,每組試樣3個;快速凍融試件為400mm×100mm×100m,每組試樣3個,相對滲透性試件尺寸為高150mm×下口徑185mm×上口徑175mm截頭圓錐體,每組6個試樣。采用設(shè)計(jì)配合比拌制混凝土,拆模成型后標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期依次開展相應(yīng)試驗(yàn)。

        采用MIP全自動壓汞儀進(jìn)行水工混凝土壓汞試驗(yàn),將標(biāo)養(yǎng)28d的試樣劈裂取中心區(qū)樣,控制水泥漿顆粒直徑不超過5mm,將試樣完全浸入無水乙醇,促使水泥水化終止,然后用真空干燥箱(溫度40~50℃)干燥24h,冷卻至室溫后按操作流程開展壓汞試驗(yàn)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 抗?jié)B抗凍性

        水工混凝土抗?jié)B性受不同凝灰?guī)r粉摻量的影響,如圖1所示。

        圖1 摻凝灰?guī)r粉的相對滲透系數(shù)

        由圖1可知,水工混凝土中摻凝灰?guī)r粉可以有效改善其抗?jié)B性。對于比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉,水工混凝土的相對滲透系數(shù)隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加而增大,但都低于J0基準(zhǔn)組。究其原因,雖然凝灰?guī)r粉取代水泥后減少了C-S-H凝膠數(shù)量,但C-S-H凝膠空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及基體材料內(nèi)部的曲折性、孔隙長度明顯增加,外界水分的滲透路徑得到一定程度的延伸,外界水的滲透阻力隨之增大[8-9]。因此,水工混凝土中摻30%以下的凝灰?guī)r粉,有利于減小相對滲透系數(shù),從而增強(qiáng)其抗?jié)B性能。此外,摻量相同情況下,M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)的相對滲透系數(shù),說明細(xì)度越高則凝灰?guī)r粉改善抗?jié)B性能的效應(yīng)越優(yōu)。

        水工混凝相對動彈模量、質(zhì)量損失率受不同凝灰?guī)r粉摻量的影響,如圖2所示。

        圖2 摻凝灰?guī)r粉的質(zhì)量損失率與相對動彈模量

        由圖2可知,對于比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉,水工混凝土的質(zhì)量損失率隨著凝灰?guī)r粉摻量的增加整體呈上升趨勢,而相對動彈模量呈波動下降趨勢;摻10%、20%凝灰?guī)r粉時,水工混凝土的相對動彈模量都在65%以上,質(zhì)量損失率均不超過5%,該摻量下的水工混凝土抗凍等級(F300)與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng),究其原因是摻入適量的凝灰?guī)r粉可以填充內(nèi)部的孔隙,使得水分遷移和滲透受阻,水結(jié)冰膨脹的凍脹力以及試樣的動彈模量損失、質(zhì)量損失減小[10];摻30%凝灰?guī)r粉時,水工混凝土的相對動彈模量顯著減小,而質(zhì)量損失率明顯增大,其抗凍等級(F200)低于基準(zhǔn)對照組(F300),究其原因是摻過多的凝灰?guī)r粉致使水泥用量明顯減少,水化生成的C-S-H凝膠量過多減少,不利于增強(qiáng)基體與骨料間的黏結(jié)強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的整體性,水工混凝土相對動彈模量隨著凍融循環(huán)的持續(xù)明顯降低,質(zhì)量損失率明顯增大,抗凍等級也隨之下降。此外,摻量相同情況下,M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)優(yōu)于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)的抗凍性能,說明細(xì)度越高則凝灰?guī)r粉改善抗凍性能的效應(yīng)越優(yōu)。

        2.2 抗硫酸鹽侵蝕性

        定義基準(zhǔn)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)同齡期受硫酸鹽腐蝕試件的抗壓強(qiáng)度,腐蝕后強(qiáng)度為受硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)150次的試件抗壓強(qiáng)度,水工混凝土摻凝灰?guī)r粉的抗壓強(qiáng)度和耐腐蝕系數(shù),如圖3所示。

        圖3 水工混凝土抗壓強(qiáng)度與耐腐蝕系數(shù)

        由圖3可知,受腐蝕后J0基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度下降較多,其抗硫酸鹽侵蝕性較差。水工混凝土摻比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉后的抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)明顯高于J0組,這表明凝灰?guī)r粉的加入有效增強(qiáng)了抗硫酸鹽侵蝕性;控制摻量20%以內(nèi)時,受腐蝕后水工混凝土抗壓強(qiáng)度降幅隨凝灰?guī)r粉摻量的增加而減小,耐腐蝕系數(shù)不斷上升;摻量超過20%時,其抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)隨凝灰?guī)r粉摻量的增大明顯下降。此外,摻量相同情況下,M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)高于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg),說明細(xì)度越高則凝灰?guī)r粉改善抗硫酸鹽侵蝕性能的效應(yīng)越優(yōu)。

        2.3 微觀孔結(jié)構(gòu)

        水工混凝土摻凝灰?guī)r粉后的微觀孔徑分布參數(shù)如表3所示,孔結(jié)構(gòu)受凝灰?guī)r粉的影響特征如圖4所示。

        表3 微觀孔徑分布參數(shù)

        由表3可知,摻20%比表面積350m2/kg的凝灰?guī)r粉時,M1-20組的孔隙率較J0基準(zhǔn)組減小了10.2%,該組的孔隙率也最低。此外,摻量相同情況下,M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的孔隙率低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg)。

        宏觀上,水工混凝土耐久性受孔結(jié)構(gòu)的影響較大,結(jié)合相關(guān)研究成果將混凝土孔劃分成多害孔、有害孔、少害孔、無害孔,所對應(yīng)的孔徑為≥200nm、50~200nm、20~50nm、<20nm。由圖4可知,摻20%及以下比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉的水工混凝土組,其少害孔和無害孔體積占比之和明顯高于J0基準(zhǔn)組,究其原因是水工混凝土中摻凝灰?guī)r粉有效增強(qiáng)了其抗硫酸鹽侵蝕、抗凍抗?jié)B性能;摻量提高到30%時,水泥減少帶來的負(fù)效應(yīng)高于凝灰?guī)r的微集料正效應(yīng),致使多害孔和有害孔數(shù)量增加,抗凍等級也隨之下降,但其抗硫酸鹽侵蝕性、抗?jié)B性仍高于J0基準(zhǔn)組[11-12]。此外,摻量相同情況下,M2-20組(凝灰?guī)r粉比表面積450m2/kg)的少害孔和無害孔體積占比之和低于M1-20組(凝灰?guī)r粉比表面積350m2/kg),說明細(xì)度越高則凝灰?guī)r粉改善孔結(jié)構(gòu)的效應(yīng)越優(yōu),混凝土耐久性也就越好。

        圖4 孔結(jié)構(gòu)受影響特征

        3 結(jié) 論

        1)控制比表面積350m2/kg凝灰?guī)r粉摻量不超過30%,可以增強(qiáng)水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性和抗?jié)B性;水工混凝土中摻20%以內(nèi)凝灰?guī)r粉時,其抗凍等級與基準(zhǔn)組相當(dāng),摻量達(dá)到30%時其抗凍等級有所下降。

        2)比表面積越大則凝灰?guī)r粉填充水工混凝土小孔的效應(yīng)越好,但填充大孔的效應(yīng)較差,控制凝灰?guī)r粉摻量20%以內(nèi)時有利于優(yōu)化混凝土孔級分配。

        3)摻凝灰?guī)r粉提高水工混凝土內(nèi)少害孔和無害孔體積占比之和是其增強(qiáng)抗硫酸侵蝕性、抗?jié)B性、抗凍性的內(nèi)在原因。

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