王德弘,周雁峰,呂雪源,鞠彥忠,曾 聰,左 石,李 浩

(1.東北電力大學建筑工程學院,吉林 吉林 132012;2.中建一局集團建設發(fā)展有限公司,北京 100102;3.國網吉林省電力有限公司經濟技術研究院,吉林 長春 130021)

0 引 言

鋼筋混凝土結構受地下水、土壤中腐蝕介質侵蝕作用的影響,耐久性問題突出[1-3]。腐蝕很早就引起人們的注意了。有關數(shù)據(jù)表明[4],發(fā)達國家在上世紀建成的大量鋼筋混凝土結構已經出現(xiàn)了結構提前損壞甚至結構過早達到使用壽命的問題。沿海地區(qū)海洋環(huán)境下,荷載及氯離子腐蝕的作用會造成建筑結構的使用壽命不可估量的縮短,造成巨大經濟的損失,這一問題已引起全世界業(yè)內的關注。為了解決這一問題,國內外學者提出了摻入礦物摻合料的方法,以提升沿海地區(qū)混凝土結構的耐久性[5,6]。于本田[7]對五組礦物摻合料混凝土和一組不含礦物摻合料的普通混凝土進行了耐久性試驗。結果表明,粉煤灰和礦渣粉的使用可以提高混凝土的抗氯離子滲透性。王德弘[8]進行了十三組礦物摻合料活性粉末混凝土的模擬海水腐蝕試驗,發(fā)現(xiàn)粉煤灰、礦渣的摻入能夠顯著改善RPC的抗海水侵蝕性能。呂艷[9,10]利用垃圾電廠飛灰、爐渣取代部分水泥進行了C30混凝土的制備研究,驗證了其較好的抗凍性。艾紅梅[11]把粉煤灰作為一種單獨組分摻入混凝土中,通過膠凝材料β數(shù)學模型,提出一種新型的大摻量粉煤灰配合比設計理論,通過試驗發(fā)現(xiàn)大摻量粉煤灰混凝土能顯著提高混凝土材料的抗氯離子能力。胡賀松等[12,13]針對南方沿海地區(qū)管樁的耐久性問題進行試驗研究。其提出帶裂紋的管樁混凝土耐久性指標,其中包括管樁混凝土性能的礦物摻合料品種和摻量,有機阻銹劑在管樁混凝土中短期阻銹上有較好的效果。于永齊[14]通過進行流動水干濕循環(huán),研究粉煤灰摻量,混凝土水化齡期因素下,混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響并進行機理分析。畢麗蘋[15]研究了以鋰渣作為摻合料的新型混凝土,提出礦渣混凝土抗壓強度的最佳預測模型,進一步通過試驗,驗證了其較好的抗酸雨性。李耀[16]研究不同干濕循環(huán)次數(shù)下,氯鹽對TPC加固柱抗震性能的影響,還進一步的研究了在氯鹽干濕-荷載擬合作用下,攜帶TPC加固的混凝土柱的抗震性能,發(fā)現(xiàn)氯鹽侵蝕會嚴重降低混凝土柱的抗震性能。

研究表明,提高耐久性的關鍵是增加混凝土的密實性,礦物摻合料的合理使用可以增加混凝土的密實性[17,18]。本文擬通過坍落度實驗、抗壓強度、抗折強度試驗研究了礦物摻合料和細骨料對混凝土的各種性能的影響規(guī)律,提出高性能混凝土配合比設計建議,為沿海、鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結構耐久性的提升設計依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料及其性能

水泥采用42.5標號的普通硅酸鹽水泥。減水劑采用高性能聚羧酸減水劑。碎石采用兩種粒徑的碎石,細碎石粒徑為5～10 mm,中碎石粒徑為10～15 mm。粉煤灰所采用的為一級粉煤灰,礦渣采用的是普通礦渣。河砂采用的是普通河砂,粒徑范圍0.25～0.65 mm。石英砂:由吉林市江密峰砂廠生產的細砂、中砂和粗砂,三種石英砂的粒徑分別為0.16～0.315 mm,0.315～0.63 mm和0.63～1.25 mm。

1.2 試驗配合比設計及混凝土制備

高性能混凝土設計采用的是全計算法[19]。在全計算法的基礎上,首先利用粉煤灰和礦渣共摻的方法進行設計,其中粉煤灰和礦渣(雙摻)代替水泥,各類摻量選取:10%、20%和30%?？倱搅孔畹蜑?0%,最高為40%,得到細骨料為河砂的A類高性能混凝土配合比,如表1所示。其次利用石英砂代替河砂的方法。最終得到細骨料為石英砂B類高性能混凝土配合比,如表2所示。利用兩個數(shù)字對高性能混凝土進行編號,編號第1個數(shù)字表示粉煤灰替代摻量,第2個數(shù)字代表礦渣替代摻量。如“A20-10”為粉煤灰替代摻量20%,礦渣替代摻量為10%。

表1 A組高性能混凝土配合比/(kg/m3)Tab.1 Class A high performance concrete mix/(kg/m3)

表2 B組高性能混凝土配合比/(kg/m3)Tab.2 Class B high performance concrete mix/(kg/m3)

混凝土制備時,首先將碎石及細骨料倒入攪拌機,干攪至材料混合均勻,時間為2 min;然后將膠凝材料水泥、礦渣以及粉煤灰加入,干攪至混合均勻為止(約2 min),之后將高效減水劑和1/2質量的水混合均勻倒入攪拌機,攪拌2 min后,再將剩余的水加入,攪拌至漿體[20]。

1.3 試件及試驗方法

本文混凝土拌合物坍落度試驗、抗壓強度試驗和抗折強度試驗均包含12組配合比?？箟簭姸炔捎贸叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,抗折試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件[20]?？箟簭姸仍囼灠? d、14 d和28 d三種齡期,每組9個試件,總計為108個立方體試件。抗折強度試驗試件齡期為28 d,每組3個試件,總計為36個棱柱體試件。

抗壓強度試驗采用勻速加荷載的方式,河砂混凝土試件的加載速度為0.7 MPa/s,石英砂混凝土試件的加載速度為0.9 MPa/s?？拐蹚姸仍囼灢捎脛蛩偌雍奢d的方式。河砂混凝土試件的加載速度為0.06 MPa/s,石英砂混凝土試件的加載速度為0.08 MPa/s。

2 試驗結果與分析

2.1 高性能混凝土拌合物的坍落度

表3為高性能混凝土拌合物的坍落度試驗結果。從表中結果可以看出,相同的礦物材料替代量下,河砂混凝土的拌合物坍落度均大于石英砂混凝土拌合物的坍落度。這是由于石英砂的表面粗糙度高于河沙的表面粗糙度,導致混凝土拌合物流動性降低。

表3 高性能混凝土的坍落度Tab.3 Slump of high performance concrete

細骨料無論為河砂或者是石英砂,當粉煤灰替代率30%,礦渣替代率10%時混凝土拌合物的坍落度最高;其次為粉煤灰替代率20%,礦渣替代率20%。當混凝土坍落度粉煤灰替代率10%,礦渣替代率10%時坍落度最低,可見粉煤灰的摻加有利于提高混凝土拌合物的流動性。

當粉煤灰和礦渣摻量均為10%時,兩種不同細骨料的混凝土的坍落度相差最大,為59 mm;當粉煤灰摻量為30%時,礦渣摻量為10%時,兩種不同細骨料的混凝土坍落度相差最小為26 mm,與之相差不大的為粉煤灰摻量為20%,礦渣摻量為20%的兩種混凝土,其混凝土坍落度相差28 mm。說明膠凝材料越多,細骨料即使不同,兩者混凝土的工作性能也會更加接近。

2.2 高性能混凝土抗壓強度

表4為不同礦物摻量下,高性能混凝土的抗壓強度試驗結果?？梢钥闯?礦物摻合料摻量的增大,混凝土的7 d抗壓強度呈降低趨勢,而28 d抗壓強度呈上升趨勢,這是由于礦物摻合料的增加導致水泥用量的減少,早期水化程度降低,因而,抗壓強度偏低;隨著時間的增加,二次水化作用對強度的貢獻逐漸增大,礦物摻量較大組混凝土抗壓強度增長明顯。石英砂混凝土與河砂混凝土7 d強度抗壓接近,石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強度高于河砂混凝土的抗壓強度。這是由于石英砂具有更高的粗糙度,與水泥及礦物摻合料的水化產物間的粘結強度。

當粉煤灰摻量為10%時,礦渣摻量10%的河砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d抗壓強度分別高79.9%和22.5%;礦渣摻量20%的河砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d抗壓強度分別高94.9%和28.7%;礦渣摻量30%的河砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d抗壓強度分別高115.1%和28.1%。當粉煤灰摻量為10%時,礦渣摻量10%的石英砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d提高83.5%和15.5%;礦渣摻量20%的石英砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d抗壓強度分別提高164.6%和9.73%;礦渣摻量30%的石英砂混凝土28 d抗壓強度較7 d和14 d抗壓強度分別提高187.0%和12.9%;可見前14 d是礦物摻合料混凝土抗壓強度增長的主要階段。

表4 高性能混凝土的抗壓強度Tab.4 Compressive strength of high performance concrete

粉煤灰摻量的增大,對混凝土強度的提高作用主要體現(xiàn)在14 d后的抗壓強度上;河砂混凝土和石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈增大趨勢。對比A10-10,A10-20和A10-30可知,礦渣的摻量變化對河砂混凝土達到抗壓強度影響不明顯。對比B10-10,B10-20和B10-30可知,石英砂混凝土的14 d和28 d抗壓強度隨著礦渣的摻量的增加而增大。

2.3 高性能混凝土抗折強度試驗

表5為不同礦物摻量下十二組高性能混凝土的抗折強度試驗結果。從試驗結果可知,石英砂混凝土的抗折強度均顯著大于河砂混凝土的抗折強度。細骨料為河砂時,A10-10組混凝土抗折強度最高,其次為A20-10組,抗折強度最低為A10-30組和A30-10組。各組混凝土的抗折強度接近,最大抗折強度與最小抗折強度相差僅為0.18 MPa。細骨料為石英砂時,整體抗折強度的變化相較細骨料為河砂有著明顯的不同,最大抗折強度與最小抗折強度相差0.88 MPa。其中,B30-10組混凝土的抗折強度最高,B10-30組抗折強度最低。

表5 高性能混凝土的抗折強度Tab.5 The flexural strength of high performance concrete

3 結 論

1)相同的配合比情況下,河砂混凝土拌合物的坍落度均大于石英砂混凝土拌合物的坍落度;礦渣和粉煤灰的摻加均能夠增加混凝土拌合物的坍落度,且粉煤灰對混凝土拌合物坍落度的增加效果更加顯著。

2)相同的配合比情況下,石英砂混凝土的早期抗壓強度低于河砂混凝土;隨著養(yǎng)護時間的增加,石英砂混凝土的抗壓強度超過河砂混凝土的抗壓強度;石英砂混凝土的抗折強度均顯著大于河砂混凝土的抗折強度。

3)粉煤灰和礦渣的摻入能夠顯著提高混凝土的后期抗壓強度,但對于抗折強度的影響不明顯。