王浩 譚鹽賓 楊魯 鄭永杰 吳俊杰 付志勇 李林香
1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081
自密實(shí)混凝土是一種高流動(dòng)性且穩(wěn)定的混凝土,在沒有振搗的情況下可以穿越密集鋼筋,能在模板中填充成型且不離析[1]。學(xué)者們[2-3]系統(tǒng)研究了水膠比、膠凝材料種類、骨料、外加劑等因素對(duì)自密實(shí)混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影響。自密實(shí)混凝土冬季施工時(shí),由于拌和物溫度較低,水泥顆粒表面減水劑的吸附量減少從而影響其分散性能[4-5]。宏觀上表現(xiàn)為自密實(shí)混凝土較黏,不利于澆筑。在自密實(shí)混凝土中摻加1.5%的微珠T500能縮短64%,降低混凝土黏度[6]。將超細(xì)粉煤灰摻入超高性能混凝土中,不僅可以降低新拌砂漿屈服應(yīng)力和塑性黏度,還可改善硬化混凝土密實(shí)度[7]。降低親水親油平衡值(HLB值)的聚羧酸減水劑摻入混凝土中亦可有效降低混凝土黏度[8]。
微珠是將優(yōu)質(zhì)粉煤灰經(jīng)工藝精選、加工而成的超細(xì)且具有連續(xù)級(jí)配的一種亞微米級(jí)球狀粉體,能有效改善混凝土的和易性,減少單方混凝土用水量。此外,摻入微珠方便且成本低廉,適用于各種強(qiáng)度等級(jí)混凝土。本文以新拌混凝土溫度和養(yǎng)護(hù)溫度均為20℃時(shí)未摻加微珠的自密實(shí)混凝土作為基準(zhǔn)組,研究漿體溫度和養(yǎng)護(hù)溫度均為5℃時(shí),微珠摻量對(duì)混凝土工作性能、塑性黏度、力學(xué)性能和耐久性能的影響,對(duì)自密實(shí)混凝土冬季施工有一定指導(dǎo)作用。
水泥為北京金隅北水環(huán)保科技有限公司P·O 42.5級(jí)水泥,礦粉為靈壽縣寧博礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉,微珠由天津志成新材料科技有限公司生產(chǎn),砂為細(xì)度模數(shù)2.4的河砂,石子為5~16 mm的碎石,減水劑與增黏劑均為自制。不同膠凝材料的粒徑分布見圖1,微珠的化學(xué)組成見表1。
圖1 不同膠凝材料的粒徑分布
表1 微珠的化學(xué)組成 %
混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,控制混凝土坍落擴(kuò)展度在640~670 mm,含氣量為6%~7%。具體配合比見表2。其中:H0表示高溫(20℃)時(shí)不摻微珠混凝土,L2.5表示低溫(5℃)時(shí)摻入微珠混凝土,微珠摻量占膠凝材料總量的2.5%。
表2 混凝土配合比 kg·m-3
采用德國ZEISS公司生產(chǎn)的Merlin場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)測(cè)試微珠顆粒的微觀形貌。
新拌混凝土工作性能指標(biāo)包括坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間T500(自坍落度桶提起至自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度達(dá)到500 mm的時(shí)間)、含氣量和V形漏斗流出時(shí)間。其中:新拌混凝土坍落擴(kuò)展度和T500按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》中要求測(cè)試;含氣量和V形漏斗流出時(shí)間按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中要求測(cè)試。
將新拌混凝土裝入流變儀測(cè)試桶中,靜置60 s。以轉(zhuǎn)速為控制變量,首先以最高轉(zhuǎn)速0.5 r/s加載20 s;設(shè)置10個(gè)測(cè)試點(diǎn),每個(gè)測(cè)試點(diǎn)間隔5 s,轉(zhuǎn)速等量遞減;持續(xù)加載,最終轉(zhuǎn)速為0.05 r/s。對(duì)測(cè)得的流動(dòng)曲線進(jìn)行擬合,得到扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,即
式中:TO為扭矩,N·m;N為轉(zhuǎn)速,r/s;Y為與屈服應(yīng)力有關(guān)的常數(shù),N·m;V為與塑性黏度有關(guān)的常數(shù),N·m·s。
基于Reiner-Riwlin公式[式(2)][9],以扭矩為橫坐標(biāo),轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)繪制扭矩-轉(zhuǎn)速圖。斜率與塑性黏度、圓筒的高度和半徑相關(guān),而截距與屈服應(yīng)力、黏度和圓筒半徑相關(guān)。由此可計(jì)算新拌混凝土的流變參數(shù),即屈服應(yīng)力和塑性黏度。
式中:h為葉片高度,取0.127 m;μ為塑性黏度,Pa·s;R1、R2分別為葉片和圓筒的半徑,分別取0.064 m和0.286 m;τ0為屈服應(yīng)力,Pa。
硬化混凝土抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試,硬化混凝土電通量和抗凍性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試??箟簭?qiáng)度測(cè)試齡期為3、7、28、56 d,電通量測(cè)試齡期為28、56 d,抗凍性能測(cè)試齡期為56 d。
微珠的微觀形貌見圖2??梢姡何⒅楹写笮〔灰坏那蛐晤w粒,將微珠摻入膠凝材料體系中可以起到滾珠或軸承作用,有效減少顆粒間的摩擦阻力,降低漿體黏度,提高新拌混凝土的工作性能。
圖2 微珠的微觀形貌
混凝土工作性能指標(biāo)和塑性黏度測(cè)試結(jié)果見表3。
表3 混凝土工作性能指標(biāo)和塑性黏度測(cè)試結(jié)果
由表3可知:
1)隨著新拌混凝土溫度降低,減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時(shí)間和塑性黏度均增加,而混凝土含氣量有所降低。原因是:混凝土溫度的降低不僅減緩了水泥水化速率,還降低了聚羧酸減水劑對(duì)水泥顆粒的吸附能力。聚羧酸減水劑與水泥顆粒的吸附-分散機(jī)理主要為靜電斥力作用和空間位阻作用[10]。通常減水劑分子首先吸附于C3A和C4AF(圖3[11]),由于水化速率降低,生成的水化產(chǎn)物減少,水泥顆粒吸附減水劑分子的數(shù)量減少,分散能力下降;聚羧酸減水劑的長側(cè)鏈游離于液相體系中發(fā)揮空間位阻作用,增加了水泥顆粒的分散穩(wěn)定性[12-13]。溫度降低使長側(cè)鏈發(fā)生蜷曲的概率增加,造成空間位阻作用減弱,分散能力受限。
圖3 水化水泥顆粒橫截面
2)新拌混凝土溫度為5℃時(shí)隨著微珠摻量增加,減水劑摻量、T500、V形漏斗流出時(shí)間和塑性黏度逐漸降低,而混凝土含氣量略有增加。微珠摻量10%時(shí)低溫混凝土(5℃)的工作性能與常溫混凝土(20℃)相差不大。這是因?yàn)槲⒅榈膿饺肽懿糠痔鎿Q原空隙中的拌和水,使之轉(zhuǎn)化為自由水,增加了包裹骨料漿體膜厚度,加之微珠光滑球形結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用,有效降低新拌混凝土漿體黏度,使得其工作性能得到改善。
硬化混凝土抗壓強(qiáng)度和電通量測(cè)試結(jié)果見表4??芍孩兖B(yǎng)護(hù)溫度20℃時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于5℃時(shí),混凝土中未摻入微珠時(shí),前者56 d混凝土抗壓強(qiáng)度比后者高9.8%。②養(yǎng)護(hù)溫度5℃時(shí),隨著微珠摻量增加,混凝土3 d抗壓強(qiáng)度顯著降低,而56 d抗壓強(qiáng)度變化不大。③養(yǎng)護(hù)溫度從20℃降至5℃,未摻微珠混凝土28 d時(shí)電通量明顯增加,但56 d時(shí)相差不大。④養(yǎng)護(hù)溫度5℃時(shí),混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大,但56 d電通量增幅不大,表明微珠不同摻量下56 d時(shí)混凝土密實(shí)度相差不大。原因是:在水化初期微珠與拌和水不發(fā)生水化反應(yīng),影響了硬化水泥石早期強(qiáng)度;隨著水泥水化,微珠中無定型SiO2與水化產(chǎn)物CH發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠,可填充水泥石毛細(xì)孔隙,增加水泥石強(qiáng)度和密實(shí)度。
表4 硬化混凝土抗壓強(qiáng)度和電通量測(cè)試結(jié)果
1)隨著新拌混凝土溫度降低,減水劑用量、T500、V形漏斗流出時(shí)間以及塑性黏度均增加,即新拌混凝土工作性能顯著降低。
2)新拌混凝土溫度為5℃時(shí),隨著微珠摻量增加,減水劑用量逐漸減少,混凝土塑性黏度顯著降低。微珠摻量10%時(shí)低溫(5℃)混凝土工作性能與常溫(20℃)相差不大。
3)當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度降至5℃時(shí),未摻微珠混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低,而電通量增加。硬化混凝土早期(3 d)抗壓強(qiáng)度隨著微珠摻量增加而顯著降低,混凝土28、56 d電通量總體上隨著微珠摻量增加而增大,但56 d電通量增幅不大。