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        粉煤灰對(duì)水工混凝土抗沖磨性能影響研究

        2023-03-07 08:23:38姚琪欽
        新型建筑材料 2023年2期
        關(guān)鍵詞:抗沖水膠齡期

        姚琪欽

        (健研檢測集團(tuán)有限公司,福建 廈門 361000)

        0 前言

        水工建筑物的磨蝕破壞大多是由于在服役過程中水顆粒(粉砂、砂礫和其他固體顆粒)對(duì)混凝土表面的沖磨造成[1]。對(duì)于經(jīng)常受到?jīng)_磨作用的水工建筑物,維護(hù)成本成為最為突出的問題,并且隨著時(shí)間延長,構(gòu)筑物的服役壽命也大為縮短。為保護(hù)水工混凝土結(jié)構(gòu)免受磨損侵蝕,需要耐用和抗磨損的混凝土。

        混凝土的抗沖磨性能受集料性能及用量、混凝土強(qiáng)度、配合比、膠凝材料用量、纖維摻量、養(yǎng)護(hù)條件、表面光潔度等因素的影響[2-4]。諸多研究表明[5],混凝土的耐磨性主要取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此,通過增加膠凝材料用量、活性以及降低水膠比等手段被廣泛用于水工混凝土的配制,但過多的膠凝材料用量會(huì)增加水泥水化過程的放熱量,從而引起溫度裂縫問題。為解決這一問題,粉煤灰、礦粉、硅灰等礦物摻合料被用于水工混凝土的配制,以降低其開裂的風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文以粉煤灰等質(zhì)量取代水泥制備水工混凝土,研究了不同水膠比和粉煤灰取代率條件下混凝土的抗沖磨性能,并采用引入磨損因子的方法,加強(qiáng)了水膠比、抗壓強(qiáng)度與磨損深度之間的相關(guān)關(guān)系,其研究成果可為水工混凝土配制及應(yīng)用提供參考。

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        水泥:海螺P·O42.5水泥,符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求,比表面積339 m2/kg,主要化學(xué)成分見表1;粉煤灰:F類Ⅱ級(jí),細(xì)度(45μm篩篩余)29.52%,主要化學(xué)成分見表1;細(xì)骨料:天然河砂,細(xì)度模數(shù)2.9,密度2.65 g/cm3,其級(jí)配符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中規(guī)定的Ⅱ區(qū)范圍;粗骨料:級(jí)配碎石,最大粒徑19 mm,密度2.64 g/cm3;減水劑:江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑,減水率26.5%,固含量39%;水:自來水。

        表1 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

        1.2 試驗(yàn)配合比

        研究了不同水膠比(0.54、0.45、0.33、0.28)以及粉煤灰摻量(0、15%、20%、25%、30%)條件下混凝土的抗沖磨性能,其中粉煤灰等質(zhì)量取代水泥,通過調(diào)整砂率以及減水劑摻量使得混凝土拌合物的出機(jī)坍落度控制在(200±10)mm,并且具有良好的黏聚性和保水性,混凝土配合比見表2。

        表2 混凝土的配合比

        1.3 測試方法

        依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,相同配比成型3組100 mm×100 mm×100 mm試件,成型后靜置24 h,第2 d拆模后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度>95%]中,養(yǎng)護(hù)至28、60、90、180 d齡期后采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度。

        對(duì)養(yǎng)護(hù)至28 d和90 d齡期的試件,采用混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件的抗沖磨性能進(jìn)行測試,以磨損深度表示。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 水膠比對(duì)抗沖磨性能的影響

        未摻粉煤灰條件下,不同齡期時(shí)水膠比對(duì)磨損深度的影響如圖1所示。

        圖1 未摻粉煤灰時(shí)水膠比對(duì)磨損深度的影響

        由圖1可以看出,無論是28 d齡期還是90 d齡期,磨損深度均隨著水膠比的增加而增大,水膠比從0.28增加到0.53,混凝土的磨損深度增大了約67%,這表明水膠比的增加降低了混凝土的抗沖磨性能。相同水膠比時(shí),90 d齡期試件的磨損深度比28 d齡期的試件降低了20%以上,這表明隨著水泥水化的進(jìn)行,有利于混凝土構(gòu)件抗磨損性能的提高。

        當(dāng)在混凝土配合比中摻入15%~30%粉煤灰后,28 d和90 d齡期時(shí)水膠比對(duì)磨損深度影響如圖2所示。

        圖2 摻加粉煤灰時(shí)水膠比對(duì)磨損深度的影響

        由圖2可見,在摻入粉煤灰時(shí),水膠比與磨損深度存在一定的相關(guān)性,且磨損深度隨著水膠比的增加而增大。水膠比(W/B)與28 d、90 d齡期磨損深度(H28、H90)擬合關(guān)系分別見式(1)和式(2)。

        結(jié)合圖1和圖2可知,水膠比對(duì)混凝土抗磨損性能的影響在摻或未摻粉煤灰時(shí)均表現(xiàn)出類似結(jié)果。

        2.2 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

        以28 d、90 d抗壓強(qiáng)度為橫坐標(biāo),對(duì)應(yīng)齡期的磨損深度為縱坐標(biāo)繪圖并進(jìn)行擬合分析,其結(jié)果見圖3。

        圖3 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)關(guān)系

        由圖3可見,在混凝土中摻加0~30%粉煤灰時(shí),磨損深度均隨著抗壓強(qiáng)度的提高而減小??箟簭?qiáng)度fc-磨損深度H的擬合關(guān)系見式(3)。

        式(3)的相關(guān)系數(shù)為0.863,表明抗壓強(qiáng)度與磨損深度之間存在一定的相關(guān)性,即抗壓強(qiáng)度是磨損深度的影響因素之一,隨著抗壓強(qiáng)度的提高,磨損深度減小。

        2.3 粉煤灰摻量的影響

        28 d、90 d齡期時(shí),在不同水膠比條件下粉煤灰摻量與磨損深度的關(guān)系見圖4。

        圖4 在不同水膠比條件下粉煤灰摻量與磨損深度的關(guān)系

        由圖4可以看出,當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí),混凝土的抗沖磨性能與不摻粉煤灰的混凝土基本相當(dāng);當(dāng)粉煤灰摻量超過15%后,隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的磨損深度增加,抗沖磨性能降低。

        在不考慮齡期的條件下,對(duì)不同粉煤灰摻量時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的磨損深度進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果見圖5,抗壓強(qiáng)度與磨損深度的擬合公式圖見表3。

        圖5 不同粉煤灰摻量下抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

        表3 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的擬合公式圖

        由圖5和表3可見,抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)系數(shù)在0.910~0.996,表明在不同粉煤灰摻量時(shí),抗壓強(qiáng)度與混凝土磨損深度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系,即隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土的抗沖磨性能逐漸降低。

        結(jié)合本文以及其他研究者的研究結(jié)論可以發(fā)現(xiàn),抗壓強(qiáng)度是影響混凝土耐磨性能的最主要因素之一[6-7],這主要是由于混凝土抗壓強(qiáng)度是其密實(shí)度的反映,密實(shí)度越高,強(qiáng)度越高,混凝土在密實(shí)度增加的同時(shí),減少了骨料-漿體之間界面過渡區(qū)的缺陷數(shù)量,從而有利于混凝土耐磨性的提高。

        2.4 磨損深度預(yù)測優(yōu)化

        對(duì)比圖5和圖3的結(jié)果可知,不同粉煤灰摻量條件下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度-磨損深度的相關(guān)性顯著高于無粉煤灰摻量組,這表明在對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和磨損深度進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析時(shí),粉煤灰摻量是一個(gè)不可忽略的因素。根據(jù)前面的研究結(jié)果,當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時(shí),粉煤灰對(duì)混凝土的磨損性能無明顯影響,當(dāng)粉煤灰超摻量過15%后開始對(duì)混凝土抗磨損性能產(chǎn)生不利影響,因此,定義混凝土的有效抗壓強(qiáng)度fce是與粉煤灰摻量(ω,%)有關(guān)的參數(shù),其計(jì)算方法見式(4):

        式中:k——磨損因子,是與粉煤灰摻量有關(guān)的參數(shù),當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時(shí),k=1;當(dāng)超粉煤灰摻量過15%后,k=1+ω。

        將圖3根據(jù)式(4)進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果見圖6,抗壓強(qiáng)度與磨損深度經(jīng)過優(yōu)化的擬合關(guān)系見式(5)。

        圖6 優(yōu)化后抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

        優(yōu)化后式(5)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.942,明顯高于優(yōu)化前的0.863,經(jīng)過優(yōu)化后的抗壓強(qiáng)度與磨損深度呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

        同理,以磨損因子對(duì)水膠比進(jìn)行優(yōu)化,定義優(yōu)化后的水膠比為有效水膠比W/Be,其計(jì)算見式(6):

        經(jīng)過優(yōu)化后水膠比與磨損深度的相關(guān)關(guān)系見圖7,28 d、90 d的擬合關(guān)系分別見式(7)和式(8)。

        圖7 優(yōu)化后水膠比與磨損深度的相關(guān)關(guān)系

        經(jīng)過優(yōu)化后的28 d、90 d齡期的水膠比-磨損深度之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.910和0.904,遠(yuǎn)超過優(yōu)化前的0.775和0.626,這表明經(jīng)過優(yōu)化后的水膠比-磨損深度之間呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

        綜上分析,通過粉煤灰磨損因子對(duì)抗壓強(qiáng)度-磨損深度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化,其結(jié)果可以對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的磨損深度進(jìn)行預(yù)測。另外,由于水膠比與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,采用粉煤灰磨損因子對(duì)水膠比-磨損深度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化,也可以對(duì)不同水膠比的混凝土磨損深度進(jìn)行預(yù)測,其結(jié)果具有較高的可信度。

        3 結(jié)論

        (1)無論是否在混凝土配合比中摻加粉煤灰,不同齡期的磨損深度均隨著水膠比的增加而增大。

        (2)抗壓強(qiáng)度是影響磨損深度的重要因素,且無論是否摻加粉煤灰,磨損深度均隨著抗壓強(qiáng)度的提高而減小。

        (3)粉煤灰摻量在15%以內(nèi)對(duì)混凝土抗磨性能無明顯影響,當(dāng)其摻量超過15%后,隨著粉煤灰摻量增加,混凝土抗磨損性能降低。

        (4)通過引入與粉煤灰摻量有關(guān)的磨損因子可以增加水膠比和抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)性,增加預(yù)測的準(zhǔn)確性。

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