曲福來(lái), 楊亞彬, 宋萬(wàn)萬(wàn), 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(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(mǎn)足澆筑成型時(shí)的工作性能要求外,硬化后還要具有足夠的強(qiáng)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(guó)環(huán)境保護(hù)力度不斷加強(qiáng)的形勢(shì)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(jī)制砂,因制砂生產(chǎn)工藝相對(duì)穩(wěn)定,其成品砂可根據(jù)混凝土制備要求進(jìn)行顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)調(diào)整,近年來(lái)在混凝土結(jié)構(gòu)工程中得到了越來(lái)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(jī)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(rùn)、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(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(hù)等生產(chǎn)工藝方面具有特殊性,目前有關(guān)機(jī)制砂代替天然砂制備PCCP管芯混凝土的研究與工程實(shí)踐較少,故開(kāi)展機(jī)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(shí)踐,采用對(duì)比試驗(yàn)方法,根據(jù)PCCP混凝土管芯生產(chǎn)工藝要求,分別制備了強(qiáng)度等級(jí)為C55的機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土,測(cè)試了其工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性和收縮性能。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下,機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗收縮性能均優(yōu)于相同強(qiáng)度等級(jí)的天然砂混凝土,這為PCCP工程采用機(jī)制砂混凝土提供了研究依據(jù)。

1 試驗(yàn)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(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為天然河砂與機(jī)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(jí)配曲線如圖1所示,各材料的性能分別見(jiàn)表1—3。

圖1 細(xì)骨料級(jí)配曲線

表1 實(shí)測(cè)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(jí)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(lái)水。

試驗(yàn)中,PCCP管芯混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55,依據(jù)假定質(zhì)量法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),砂率以天然河砂為基準(zhǔn),采用機(jī)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(guò)試拌調(diào)整,PCCP天然河砂混凝土(River Sand Concrete,RSC)和機(jī)制砂混凝土(Manufactured Sand Concrete,MSC)的配合比見(jiàn)表4。與天然河砂混凝土相比，機(jī)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(jī)制砂混凝土的配合比 kg/m3

1.2 試件成型與養(yǎng)護(hù)

實(shí)際工程中,PCCP管芯混凝土澆筑后采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)共計(jì)12 h,可分為4個(gè)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(hù)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(hù)各階段溫度變化

為模擬PCCP管芯混凝土的養(yǎng)護(hù)條件,更加真實(shí)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(hù)方式,然后根據(jù)規(guī)范要求在特定條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[6-7]。養(yǎng)護(hù)條件見(jiàn)表5。

表5 混凝土試塊養(yǎng)護(hù)條件

1.3 試驗(yàn)方法

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

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

收縮性能試驗(yàn)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(gè)。蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后拆模,以拆模時(shí)的試件長(zhǎng)度作為管芯混凝土干燥收縮的初始長(zhǎng)度值,如圖4所示。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),分別測(cè)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(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

機(jī)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jī)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(shì),主要原因是機(jī)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(jī)制砂混凝土拌合物的流動(dòng)性有所下降,但黏聚性相應(yīng)提高,且其密實(shí)程度與抗離析性能得到提升,滿(mǎn)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(shí)測(cè)值

2.2 抗壓強(qiáng)度

天然砂和機(jī)制砂混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化情況如圖5所示。由圖5可知：蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后,混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)了45 MPa。在蒸汽養(yǎng)護(hù)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(cuò)連接,形成水泥石[9-10],使早期抗壓強(qiáng)度得以較快地增加。養(yǎng)護(hù)28 d后,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。天然砂混凝土試件在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)90 d后出現(xiàn)了強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,原因在于蒸汽養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致水泥熟料在早齡期反應(yīng)過(guò)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(qiáng)度增長(zhǎng)減慢[11]。同時(shí),受熱膨脹變形不一致的影響,水泥石與集料的界面過(guò)渡區(qū)會(huì)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(shí)結(jié)構(gòu)變松散[12]。

圖5 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律

配合比相同時(shí),機(jī)制砂混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度均高于天然砂混凝土的。主要是相對(duì)于顆粒圓潤(rùn)的天然砂,機(jī)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(qiáng)。同時(shí),機(jī)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(shí),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(qiáng)度的提升[2,5,13]。因此,機(jī)制砂取代天然砂用于制備PCCP管芯混凝土可以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.3 抗水滲透性能

機(jī)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(hù)條件相同時(shí),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(jī)制砂混凝土優(yōu)于天然砂混凝土,能夠滿(mǎn)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(shí)間的增長(zhǎng)趨勢(shì)均勻穩(wěn)定。按照規(guī)范GB/T 50082—2009[7]要求,將通過(guò)試件的總電通量換算為直徑95 mm試件的電通量值,得到機(jī)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(shuō)明機(jī)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(jí)[14],均滿(mǎn)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(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土的實(shí)測(cè)干燥收縮率隨時(shí)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(zhǎng)較快；機(jī)制砂混凝土的收縮率小于天然砂混凝土的,齡期120 d時(shí)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(shí)測(cè)值與計(jì)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(lái)擬合本試驗(yàn)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(shí)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(jī)制砂根據(jù)本次試驗(yàn)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(kāi)始時(shí)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(lèi)型系數(shù),普通硅酸鹽水泥取5;fcm為齡期28 d時(shí)混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度,MPa。本試驗(yàn)中天然砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度分別取為56.6 MPa和57.1 MPa。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線如圖6中的實(shí)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(jì)算值小于實(shí)測(cè)值;28 d齡期之后,混凝土干燥收縮率的計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值。總體來(lái)說(shuō),公式(1)具有較高的預(yù)測(cè)精度。

在本次試驗(yàn)條件下,機(jī)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(jī)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(jī)制砂的石粉含量較多,則會(huì)增加細(xì)集料的比表面積,使機(jī)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(jī)制砂的石粉含量對(duì)于控制機(jī)制砂混凝土的收縮率是必要的。

3 結(jié)論

1)機(jī)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(mǎn)足PCCP管芯混凝土澆筑成型要求。

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

3)機(jī)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(guò)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(jí)。

4)機(jī)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(lèi)影響的干燥收縮計(jì)算公式。

5)機(jī)制砂混凝土能夠滿(mǎn)足PCCP管芯混凝土的生產(chǎn)工藝、強(qiáng)度與耐久性要求?？紤]到機(jī)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。