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        不同級(jí)配機(jī)制砂超高性能水工混凝土性能影響研究

        2023-03-08 15:21:16李德豐
        黑龍江水利科技 2023年1期
        關(guān)鍵詞:鋼纖維水工高性能

        李德豐

        (遼寧省黑山縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 錦州 121400)

        隨著科學(xué)技術(shù)及水利事業(yè)的快速發(fā)展,工程建設(shè)對(duì)原材料的要求不斷提高,多功能性、高韌性、強(qiáng)耐腐蝕性和高耐久性建筑材料必將成為未來(lái)的發(fā)展方向。超高性能混凝土(UHPC)憑借其高抗拉性能和優(yōu)異的耐久性能被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁及水利等工程領(lǐng)域[1,2]。這種新型高性能水泥基復(fù)合材料對(duì)養(yǎng)護(hù)條件和原材料品質(zhì)要求較高,加之利用高鋼纖維摻量、高膠材摻量、低水膠比的設(shè)計(jì)配合比,使得混凝土生產(chǎn)成本高、黏度大、工藝較復(fù)雜,大規(guī)模應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)澆筑受到一定限制[3-7]。為降低工程成本,有學(xué)者利用粗骨料及河砂開(kāi)展了試驗(yàn)研究,但對(duì)超高性能水工混凝土性能受機(jī)制砂級(jí)配的影響研究還鮮有報(bào)道。鑒于此,本文利用常規(guī)養(yǎng)護(hù)方法,采用機(jī)制砂替代石英砂配制超高性能水工混凝土,深入探討了機(jī)制砂細(xì)度和級(jí)配對(duì)試樣工作性能、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及微觀形貌的影響,并進(jìn)一步揭示其高耐久高強(qiáng)的作用機(jī)理。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 原材料準(zhǔn)備

        本試驗(yàn)所用水泥為中國(guó)葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5 級(jí)水泥,所用粉煤灰漂珠200 目,硅灰的活性二氧化硅含量不低于90%,比表面積19150m2/kg;將普通工程用機(jī)制砂剔除2.36mm以上的顆粒,緊密、松散堆積密度1650kg/m3和1482kg/m3,各級(jí)篩余見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用長(zhǎng)徑比70 的端鉤鋼纖維,長(zhǎng)度12mm,抗拉強(qiáng)度不低于2880MPa;外加劑用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑,減水率30%,拌合水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

        表1 試驗(yàn)用機(jī)制砂各級(jí)篩余

        1.2 試驗(yàn)方案

        鑒于現(xiàn)有研究較少利用機(jī)制砂制備超高性能水工混凝土的實(shí)際情況,本研究結(jié)合前期的探索性試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)幾組配合比,如表2 所示。

        表2 超高性能水工混凝土配合比設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)過(guò)程中,先按設(shè)計(jì)配合比預(yù)先精準(zhǔn)稱(chēng)量粉料,把粉料加入攪拌機(jī)預(yù)拌60s 均勻混合,然后倒入減水劑和水的混合液攪拌120s,再加入稱(chēng)量好的機(jī)制砂攪拌120s,最后向攪拌機(jī)內(nèi)加入端鉤鋼纖維攪拌180s。本試驗(yàn)選用160mm×40mm×40mm 試模裝入拌和好的混合料,為了保證試樣密實(shí)性振動(dòng)30 次成型,室內(nèi)靜置24h 后脫模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。儀器采用天辰Y(jié)AW-300C 全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)和賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測(cè)試混凝土的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)特征。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同機(jī)制砂細(xì)度

        一般機(jī)制砂主要存在中間粒徑顆粒少、粗顆粒多、級(jí)配差和粒型粗的問(wèn)題,結(jié)合表1 中各級(jí)篩余,將粒徑大于2.36mm 的顆粒剔除后,0.3~0.15mm(50~100 目) 顆粒占比較小,而0.3~0.6mm(30~50 目)、0.6~1.18mm(16~30 目)顆粒占比較大,所以需要較多次篩分才能獲取50~100目顆粒機(jī)制砂。為了保證混凝土施工效率,本試驗(yàn)選用粒徑0.3~0.6mm(30~50 目)和0.6~1.18mm(16~30目)機(jī)制砂進(jìn)行研究,單一粒徑機(jī)制砂試樣的工作性能如圖1 所示,力學(xué)性能如圖2 所示。

        圖1 單一粒徑水工混凝土工作性能

        圖2 單一粒徑水工混凝土力學(xué)性能

        從圖1 可以看出,超高性能水工混凝土中摻單一粒徑范圍機(jī)制砂的工作性能良好,各組試樣的工作性能均不低于215mm,除了3#16~30 目機(jī)制砂超高性能水工混凝土外均可實(shí)現(xiàn)自流平,膠材相同情況下?lián)?0~50 目機(jī)制砂試樣的工作性能優(yōu)于16~30 目機(jī)制砂試樣;摻粒徑范圍相同的機(jī)制砂,超高性能水工混凝土工作性能隨粉煤灰漂珠摻量的提高而增大,隨硅灰摻量的提高而降低,并且降幅較為明顯。

        從圖2(a)可以看出,各組水工混凝土28d 抗折強(qiáng)度整體較高,3#試樣28d 抗折強(qiáng)度最低也達(dá)到28.5MPa。從圖2(b)可以看出,各組試樣的抗壓性能比較優(yōu)異,除3#16~30 目機(jī)制砂超高性能水工混凝土28d 抗壓強(qiáng)度較低為132.5MPa,其它各組試樣均達(dá)到150MPa 以上。總體而言,超高性能水工混凝土力學(xué)性能最優(yōu)的是2#摻16~30 目機(jī)制砂組,其28d 抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到了36.0MPa 和160.6MPa,故選用單一粒徑范圍機(jī)制砂能夠滿足超高性能水工混凝土應(yīng)用要求。超高性能水工混凝土力學(xué)性能較差的為3#摻16~30 目機(jī)制砂組,這是由于所拌混凝土工作性能較差,水泥基體中的鋼纖維難以均勻分布,在一定程度上削弱了鋼纖維的緊箍搭接作用。

        2.2 不同機(jī)制砂級(jí)配

        對(duì)50~10 目、30~50 目和16~30 目粒徑范圍機(jī)制砂按照最緊密堆積原理進(jìn)行試驗(yàn),從而探討剔除2.36mm 以上顆粒和緊密狀態(tài)下機(jī)制砂對(duì)超高性能水工混凝土性能的影響。首先,通過(guò)二級(jí)配處理30~50 目和16~30 目機(jī)制砂,合理確定最緊密狀態(tài)下兩者的質(zhì)量比例,然后在最緊密狀態(tài)的混合砂中摻入50~100 目機(jī)制砂,計(jì)算確定三者的質(zhì)量比,如表3 所示。

        表3 二級(jí)配和三級(jí)配機(jī)制砂堆積密度 kg/m3

        結(jié)果表明,16~30 目、30~50 目機(jī)制砂按照3:7 混合時(shí)緊密堆積密度達(dá)到最大1550kg/m3,其次是按5∶5 混合時(shí)的1545kg/m3,故二級(jí)配混合比例取3∶7 達(dá)到最佳。然后將50~100 目機(jī)制砂與二級(jí)配最佳混合比例機(jī)制砂按5∶5 混合,測(cè)定16~30 目、30~50 目、50~100 目三級(jí)配機(jī)制砂緊密堆積密度,結(jié)果顯示2∶5∶3 時(shí)三級(jí)配機(jī)制砂緊密堆積密度達(dá)到最大1660kg/m3。

        結(jié)果顯示,當(dāng)摻入較多的50~100 目機(jī)制砂時(shí),16~30 目、30~50 目機(jī)制砂按1∶1 或者3∶7 混合時(shí)三級(jí)配混合砂緊密堆積密度均較高,但配置超高性能水工混凝土的工作性能較低(見(jiàn)圖3),與單一粒徑范圍機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂所制備的水工混凝土工作性能稍差。這是因?yàn)樵趶?fù)配機(jī)制砂時(shí),較細(xì)顆粒受外力作用易出現(xiàn)微裂紋,并且顆粒越細(xì)表面出現(xiàn)的微裂紋越多,從而導(dǎo)致細(xì)顆粒存在一定的水分吸附作用,所以摻入50~100 目機(jī)制砂特別是在低水膠比情況下,細(xì)顆粒對(duì)水分的吸附作用大于緊密堆積的“密實(shí)填充效應(yīng)”,致使新拌混凝土工作性能有所下降[9-10]。

        圖3 復(fù)配機(jī)制砂水工混凝土工作性能

        通過(guò)對(duì)比圖2、圖4 可知,與摻單一粒徑范圍機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂配制的水工混凝土力學(xué)性能增長(zhǎng)并不明顯,究其原因是微細(xì)顆粒具有一定的水分吸附作用,在一定程度上降低了水泥水化生成的C-S-H 凝膠含量,但這部分負(fù)面作用被“緊密堆積密實(shí)填充效應(yīng)”所抵消。因此,在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當(dāng)摻入50~100 目機(jī)制砂,不宜引入更小粒徑機(jī)制砂。

        圖4 復(fù)配機(jī)制砂水工混凝土力學(xué)性能

        從圖3、4 可以看出,與直接摻剔除2.36mm以上顆粒機(jī)制砂試樣相比復(fù)配機(jī)制砂制備的水工混凝土工作性能及力學(xué)性能更優(yōu),究其原因是剔除2.36mm 以上顆粒的機(jī)制砂含有較多的微細(xì)顆粒,并且其級(jí)配較差。復(fù)配機(jī)制砂配制的水工混凝土28d 抗折強(qiáng)度均不低于35MPa,28d 抗壓強(qiáng)度不低于150MPa。總體而言,按4∶4∶2 混合16~30目、30~50 目、50~100 目機(jī)制砂配制的混凝土工作性能及力學(xué)性能最優(yōu),28d 抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.0MPa 和168.6MPa。

        2.3 SEM 掃描電鏡

        為進(jìn)一步探討不同齡期水化產(chǎn)物微觀形貌以及水泥石與集料、基體與纖維的結(jié)合情況,采用賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測(cè)試4∶4∶2三級(jí)配機(jī)制砂試樣的微觀結(jié)構(gòu),可以看出在水泥基體中鋼纖維能夠連續(xù)錯(cuò)向搭接分布,對(duì)于微裂紋的形成及擴(kuò)展產(chǎn)生有效的抑制作用,并且纖維的環(huán)箍搭接效應(yīng)有利于降低混凝土干縮。齡期3d 時(shí)水泥石與端鉤鋼纖維就可以緊密結(jié)合,在鋼纖維表面黏附的C-S-H 凝膠可以減少水泥石基體中的微裂縫及原始孔,早期水化生成的基體結(jié)構(gòu)比較致密;隨著齡期的延長(zhǎng)大量的C-S-H 凝膠附著于鋼纖維表面,水泥石基體與鋼纖維之間未發(fā)現(xiàn)明顯的微細(xì)裂縫,足夠的水化產(chǎn)物可以非常緊密地包裹兩者,所以鋼纖維的錯(cuò)向搭接分布可以有效提升混凝土的力學(xué)性能[11-12]。

        水泥石—集料的界面過(guò)渡區(qū)是混凝土結(jié)構(gòu)的最薄弱區(qū)域,兩者的結(jié)合程度在很大程度上決定了混凝土的整體耐久性及力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下漿體的早期水化產(chǎn)物以CH 晶體和C-S-H 凝膠為主,齡期3d 時(shí)水泥石—集料界面過(guò)渡區(qū)存在微裂縫,水化產(chǎn)物還無(wú)法緊密包裹住集料;齡期達(dá)到28d 時(shí)水泥石—集料界面過(guò)渡區(qū)未出現(xiàn)明顯微裂縫,水化產(chǎn)物能夠非常緊密地包裹集料,這種致密結(jié)構(gòu)明顯提高了混凝土的力學(xué)性能,漿體內(nèi)的水化產(chǎn)物以AFT 與CH 晶體、C-S-H 凝膠為主。

        通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及對(duì)比分析可知,采用機(jī)制砂替代石英砂可降低超高性能水工混凝土成本約500元/m3,并且試樣的工作性能及力學(xué)性能良好,能夠達(dá)到工程使用要求,所以其應(yīng)用前景非常廣闊。

        3 結(jié)論

        1)一般養(yǎng)護(hù)條件下,采用機(jī)制砂配制的超高性能水工混凝土工作性能及力學(xué)性能能夠達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求,并且用機(jī)制砂替代石英砂有利于降低工程成本。

        2)復(fù)配機(jī)制砂較單摻剔除2.36mm 以上粒徑機(jī)制砂配制的混凝土工作性能及力學(xué)性能有所提升,結(jié)合力學(xué)性能及工作性能,按4 ∶4∶2 混合16~30 目、30~50 目、50~100 目機(jī)制砂配制的混凝土綜合性能最優(yōu),與單一粒徑機(jī)制砂相比復(fù)配機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度提高作用并不明顯,并且工作性能出現(xiàn)變差的情況,在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當(dāng)摻入50~100 目機(jī)制砂,不宜引入更小粒徑機(jī)制砂。

        3)經(jīng)微觀分析,基體中的鋼纖維連續(xù)錯(cuò)向搭接分布,水化產(chǎn)緊密物附著于鋼纖維表面;水泥石—集料的界面過(guò)渡區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂縫,水化產(chǎn)物可以緊密地包裹集料,這種致密結(jié)構(gòu)明顯提高了混凝土的力學(xué)性能。

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