張銀鵬

(錦州新澤工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,遼寧 錦州 121000)

為了降低超高性能水工混凝土的收縮變形和材料成本,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者從摻高吸水性樹(shù)脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑、飽水輕集料、膨脹劑、碎石等角度提出改性措施,并以摻膨脹劑和碎石改性為主。例如,明陽(yáng)等將5%鈣礬石型復(fù)合膨脹劑與15%鋼渣粉摻入超高性能混凝土中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)180d干縮率可減小到208×10-6;付澤東等探討了超高性能混凝土受CSA膨脹劑的影響,結(jié)果表明摻CSA膨脹劑會(huì)降低抗折、抗壓強(qiáng)度和工作性能;李信等研究認(rèn)為摻碎石與河砂超高性能混凝土相比,其抗彎拉、抗壓強(qiáng)度和拌合物流動(dòng)性均有所下降;黃征宇等認(rèn)為熱養(yǎng)護(hù)工藝是控制超高性能混凝土的最佳技術(shù)手段,熱養(yǎng)護(hù)溫度不超過(guò)50℃幾乎不產(chǎn)生收縮,溫度達(dá)到70℃時(shí)收縮量提高到450×10-6,為有效抑制收縮可以提高配筋率[1-4]。

綜上分析,以往研究主要集中于超高性能混凝土力學(xué)性能受鋼纖維或不同粗骨料摻量的影響,減少考慮收縮變形性能的影響。鑒于此,文章探討了超高性能水工混凝土收縮性能、微變形和水化溫度受粗骨料的影響規(guī)律,旨在為超高性能水工混凝土在水利工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供一定技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

水泥:中國(guó)葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥,山東博肯硅材料廠生產(chǎn)的硅灰,市場(chǎng)上購(gòu)買的S95級(jí)礦粉和磨細(xì)石英粉,鞍山成達(dá)電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。采用大連建材廠生產(chǎn)的河砂(細(xì)度模數(shù)2.9)和1～5mm、5～10mm、10～15mm三個(gè)粒徑范圍的花崗巖碎石,徐水正達(dá)鋼纖維廠生產(chǎn)的端鉤型鋼纖維,斷裂強(qiáng)度1200MPa,彈性模量210GPa,科之杰聚羧酸高效減水劑(粉體),拌合水用自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

在不改變砂漿各組分的情況下,通過(guò)單摻5～10mm、1～5mm、10～15mm三種粒徑,0、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3五種摻量的粗骨料設(shè)計(jì)7組不同配合比,如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比及性能

1.3 試驗(yàn)方法

1)拌合過(guò)程。超高性能水工混凝土與普通混凝土的養(yǎng)護(hù)條件、拌合工藝及原材料存在較大差異,配制目標(biāo)不同所選用的拌合工藝也存在一定差異。拌合過(guò)程中,本試驗(yàn)參考有關(guān)研究成果及《活性粉磨混凝土》中的攪拌工藝,通過(guò)試驗(yàn)試驗(yàn)確定最合適的攪拌方式,具體如下:①參照試驗(yàn)配合比精準(zhǔn)稱量所用原材料,先在震蕩式攪拌機(jī)中投入粉體外加劑、骨料和膠凝材料,啟動(dòng)設(shè)備干拌120s后開(kāi)始震蕩,再干拌60s;②向持續(xù)攪拌的攪拌機(jī)內(nèi)用篩網(wǎng)篩入纖維,并震蕩到360s停止;③向攪拌機(jī)內(nèi)倒入稱好的水?dāng)嚢?20s,然后開(kāi)啟震蕩再攪拌120s;④拌合完成后從出料口用容器接料,若拌合物過(guò)多可分兩次接料;④出料后,采用專用設(shè)備立即測(cè)定混合料的流動(dòng)度,然后分組裝入對(duì)應(yīng)的模具。

2)試驗(yàn)方法。為探討超高性能水工混凝土蒸養(yǎng)階段和凝結(jié)硬化階段內(nèi)部微變形、水化溫度、干燥收縮受粗骨料粒徑及其摻量的影響,試驗(yàn)選用綜合測(cè)試儀測(cè)量微變形和水化溫度,主要操作步驟為:①在混凝土試件成型時(shí)預(yù)先埋入測(cè)頭,綜合測(cè)試儀與試件間可以利用連接線連接;②試件成型后連線接通,啟動(dòng)測(cè)試儀并調(diào)整、清零,考慮到該測(cè)試儀可以分組記錄數(shù)據(jù)以及每組測(cè)頭編號(hào)不同的情況,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中只需清零一次,其它參數(shù)保持不變;③依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的接觸法測(cè)定混凝土收縮量,試驗(yàn)中以脫模后3d的收縮值為0(即初始值)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化溫度變化特征

1) 水化溫度受粗骨料摻量的影響。不同摻量條件下,超高性能水工混凝土的早期水化溫度變化特征如圖1所示。結(jié)果顯示,隨時(shí)間的增加各組混凝土水化放熱均表現(xiàn)出先下降后上升再下降的變化趨勢(shì),水泥基體水化放熱峰值隨粗骨料的摻入明顯減小,未摻粗骨料組的水化放熱較大,水化溫度最高達(dá)到35.5℃,且摻180kg/m3、340kg/m3和480kg/m3粗骨料的水化溫度峰值相差不大。

圖1 不同摻量早期水化溫度變化曲線

2)從微觀上分析以上變化趨勢(shì),這是由于在拌合過(guò)程中水接觸到水泥后立即產(chǎn)生水化放熱反應(yīng),該階段屬初始水解期,硬化成型時(shí)達(dá)到一定的溫度,隨后水化放熱反應(yīng)速率明顯下降,并進(jìn)入水化誘導(dǎo)期;另外,粒徑較小的粉煤灰、硅灰等被大量吸附于水泥顆粒表面,這些超細(xì)顆粒的絮凝作用較強(qiáng),水與膠凝材料拌合后絮凝結(jié)構(gòu)及超細(xì)顆粒會(huì)吸附大量的水分,從而減少與水泥接觸的水,延緩水化反應(yīng)并延長(zhǎng)誘導(dǎo)期;誘導(dǎo)期之后水化反應(yīng)加速使得溫度快速上升,宏觀上表現(xiàn)出“上升”趨勢(shì),該階段屬加速期;加速期之后水化速度下降,放熱減少表現(xiàn)出“下降趨勢(shì)”,該階段屬衰退期。在水化放熱后期溫度趨于穩(wěn)定,這主要是因?yàn)樗饾u趨于穩(wěn)定。水化放熱峰值明顯下降是因?yàn)楣橇系膿饺虢档土藛挝惑w積水泥含量,水化進(jìn)程和速度下降,放熱下降,并且基體流動(dòng)性隨粗骨料摻量的增加而減少,膠凝材料沒(méi)有完全水化,使得水化放熱下降[5]。

3)水化溫度受粗骨料粒徑的影響。不同粒徑條件下,超高性能水工混凝土的早期水化溫度變化特征如圖2所示。結(jié)果顯示,隨時(shí)間的增加各組混凝土水化放熱也表現(xiàn)出先下降后上升再下降的變化趨勢(shì),這主要與礦物摻合料及其自身水化反應(yīng)特性有關(guān);在水化加速期前骨料粒徑與水化反應(yīng)放熱不存在明顯相關(guān)性,究其原因是誰(shuí)與水泥接觸后放熱受膠凝材料的浸潤(rùn)線及鈣礬石的生成影響,放熱未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性;當(dāng)進(jìn)入加速期時(shí),隨骨料粒徑的增大水化反應(yīng)放熱表現(xiàn)出上升趨勢(shì),10～15mm粒徑的水化溫度最高值(32.6℃)相較于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,這是因?yàn)楣橇狭皆酱髣t單位體積填充量就越少,相應(yīng)的膠凝材料用量也就越多,并且比表面積越小漿體需要裹附的面積就越小,基體內(nèi)的自由漿體含量越多引起的水化反應(yīng)越激烈,放熱越多;另外,水化放熱峰值隨骨料粒徑的增大有所提前,這是因?yàn)楣橇狭皆叫t漿體流動(dòng)性越差,比表面積越大其水化進(jìn)程變慢,水化加速期和放熱峰值被延后。

圖2 不同粒徑早期水化溫度變化曲線

2.2 微變形性能

1) 微變形受粗骨料摻量的影響。不同摻量條件下,隨齡期增長(zhǎng)超高性能水工混凝土的應(yīng)變變化特征如圖3所示。結(jié)果顯示,各組微變形測(cè)量值均隨著水化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增長(zhǎng),直至蒸養(yǎng)完成溫度下降到室溫時(shí)應(yīng)變趨于穩(wěn)定。不同摻量條件下,各組混凝土最大應(yīng)變?nèi)鐖D4所示,結(jié)果顯示未摻和摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大變形測(cè)量值為464με、452με、450με、421με,未摻組相較于摻粗骨料組依次增大5.59%、3.02%、9.27%;基體微變形測(cè)量值隨著粗骨料摻量的增加而減小,這是因?yàn)楣橇系膿饺胗欣谠鰪?qiáng)水泥基體剛度,其鋼芯骨架作用對(duì)增強(qiáng)混凝土抗變形性能具有積極作用,并且摻量越高則增強(qiáng)作用越明顯。

圖3 不同摻量應(yīng)變曲線

圖4 不同摻量微應(yīng)變峰值變化特征

2)微變形受粗骨料粒徑的影響。不同粒徑條件下,隨齡期增長(zhǎng)超高性能水工混凝土的微變形變化特征如圖5、圖6所示。結(jié)果顯示,隨水化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)各組微變形測(cè)量值均持續(xù)增大,其中微應(yīng)變峰值最小的是骨料粒徑10～15mm組的416με,相較于1～5mm和5～100m組有所減少,5～10mm粒徑組的應(yīng)變最高達(dá)到452με,究其原因是骨料粒徑較小時(shí)單位體積的摻量增多,骨料自身強(qiáng)度較高不易被壓縮能夠抑制混凝土收縮變形;雖然10～15mm粒徑組的單位體積骨料摻量少,但較大粒徑粗骨料可以提供良好骨架作用,具有更好的整體性能,從而使得較大粒徑的變形量下降,在5～10mm粒徑時(shí)試件變形較大。

圖5 不同粒徑應(yīng)變曲線

圖6 不同粒徑微應(yīng)變峰值變化特征

2.3 收縮性能

1)不同摻量條件下,隨齡期增長(zhǎng)超高性能水工混凝土的收縮特征如圖7所示。結(jié)果顯示,水泥基體的收縮值隨著粗骨料摻量的增加呈減小趨勢(shì),摻量越高則收縮值越大,180d齡期時(shí)摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料組相較于未摻組依次減少9.71%、25.24%、27.18%和30.82%。這是由于提高粗骨料摻量會(huì)增大基體彈性模量和混凝土受壓剛度,更好地發(fā)揮其骨架作用,加之骨料自身就具有較高的強(qiáng)度很難發(fā)生壓縮變形,試件在纖維的錨固與橋接作用下具有更好的整體性,使其更加均勻地受力,這也在一定程度上限制了收縮。另外,早齡期(7d)試件的收縮量很大,7d齡期摻0%、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料組的收縮值與180d齡期相比為72.82%、75.26%、81.27%、78.66%和77.19%,摻0～340kg/m3粗骨料時(shí),7d齡期混凝土收縮完成度隨著摻量的增加而提高,說(shuō)明水化早期收縮較大。這是因?yàn)樘岣叽止橇蠐搅肯喈?dāng)于減少了單位體積的膠凝材料含量,即水泥顆粒未參與水化的含量減少,也就降低了后期收縮變形,對(duì)抑制收縮具有積極作用;摻340kg/m3及以上粗骨料時(shí),早齡期(7d)基本完成收縮變形,這是由于繼續(xù)提高骨料摻量會(huì)最先降低拌合物流動(dòng)性,纖維的團(tuán)結(jié)風(fēng)險(xiǎn)使得漿體均勻性變差,對(duì)水化反應(yīng)具有延緩作用,在一定程度上抵消增加摻量所引起的收縮。

圖7 不同齡期收縮值變化曲線

圖7 不同齡期收縮值變化曲線

2)不同粒徑條件下,隨齡期變化超高性能水工混凝土收縮變化如圖8所示。結(jié)果顯示,5～10mm粒徑時(shí)混凝土收縮測(cè)量值最高,10～15mm粒徑組混凝土收縮測(cè)量值最小,該變化規(guī)律與微變形相似。這是因?yàn)檩^小粒徑條件下單位體積內(nèi)的摻量就越多,基體剛性增大難以發(fā)生壓縮變形,從而限制了混凝土收縮哦;10～15mm粒徑組的收縮值最小,這是由于基體中粗骨料發(fā)揮更加明顯的剛性骨架作用,加之其不易被壓縮變形、自身強(qiáng)度高的特性更加明顯地限制混凝土收縮。

3 結(jié) 論

1)隨骨料摻量的增加超高性能水工混凝土早期水化溫度不斷下降,摻600kg/m3粗骨料組與未摻組相比,其最高水化反應(yīng)溫度明顯下降;10～15mm粒徑組水化溫度最高值(32.6℃)相較于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,增幅達(dá)到2.45%和1.84%,總體相差不大,說(shuō)明水化溫度受粒徑變化影響較低。

2)隨骨料摻量增加集體應(yīng)變測(cè)量值不斷下降,未摻和摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大變形測(cè)量值為464με、452με、450με、421με,未摻組相較于摻粗骨料組依次增大5.59%、3.02%、9.27%;

3)水泥基體的應(yīng)變與收縮測(cè)量值變化規(guī)律相似,混凝土收縮隨骨料陳亮的增加而減少,摻600kg/m3粗骨料組為未未摻組的68.2%;10～15mm粒徑組的收縮較小,5～10mm組的收縮最大,并且7d齡期摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料組的收縮值與180d齡期相比為71.22%、76.48%、80.25%、78.25%。