吳 憲

(盤錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

超高性能水工混凝土具備超低抗?jié)B性、超高韌性和超高強(qiáng)度等特性,其氯離子擴(kuò)散系數(shù)不超過(guò)20×10-14m2/s,抗拉與抗壓強(qiáng)度不低于5MPa和120MPa,0.15%變形的抗壓能力達(dá)到3MPa及以上[1-3]。因此,在水利工程領(lǐng)域超高性能水工混凝土的應(yīng)用前景非常廣闊,越來(lái)越引起材料研究者的重點(diǎn)關(guān)注。

通過(guò)選擇合適的原材料實(shí)現(xiàn)孔隙率下降、密實(shí)度增大以及顆粒最緊密堆積,在提高漿體強(qiáng)度的情況下增大纖維與漿體、集料與漿體間的黏結(jié)力,從而達(dá)到超高性能混凝土高韌性和高強(qiáng)度的目的。其中,礦物摻合料與水泥組成的膠凝材料是決定超低滲透性、超高韌性及超高強(qiáng)度的重要因素。礦物摻合料發(fā)生火山灰反應(yīng)和水泥發(fā)生水化反應(yīng)形成的各種產(chǎn)物有效填充了結(jié)構(gòu)體系中的孔隙,為各組分提供了連接膠結(jié)物質(zhì),這也是實(shí)現(xiàn)超高耐久、超高韌性以及超高強(qiáng)度的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外,超高性能水工混凝土膠砂比約為1.0,且大多數(shù)情況下僅使用細(xì)集料,故膠凝材料的成本及用量占比較高。然而,對(duì)常用摻合料類型、作用機(jī)理已成為超高性能水工混凝土研究應(yīng)用的重點(diǎn)。鑒于此,文章重點(diǎn)梳理與分析了玻璃微粉、偏高嶺土、稻殼灰、礦渣粉、粉煤灰、硅灰等常用礦物摻合料理化性質(zhì)及其影響,旨在為科學(xué)優(yōu)化與選擇礦物摻合料提供一定參考。

1 超高性能水工混凝土性能

1.1 硬化強(qiáng)度

較高的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的力學(xué)性能是超高性能水工混凝土的顯著特征,一般其抗折、抗拉、抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15～40MPa、5～15MPa和120～200MPa,隨著研究的深入和減水劑性能的提升其力學(xué)性能還具有較大的提升空間。

超高性能水工混凝土強(qiáng)度受礦物摻合料的有利影響主要體現(xiàn)在以下方面:礦物摻合料的自身填充作用能夠填充堆積體系中的孔隙與空隙,增大整體密實(shí)度和強(qiáng)度;同時(shí),其火山灰效應(yīng)有利于增加漿體密實(shí)度,生成產(chǎn)物的膠結(jié)作用還可進(jìn)一步增加漿體強(qiáng)度;另外,發(fā)生的火山灰反應(yīng)會(huì)消耗水泥水化產(chǎn)生的大量Ca(OH)2,其中的C-S-H凝膠對(duì)漿體強(qiáng)度貢獻(xiàn)優(yōu)于水泥水化產(chǎn)物[4]。

尺寸細(xì)小呈圓球狀的硅灰顆粒具有極高的SiO2含量,因此其火山灰反應(yīng)活性高且填充作用較強(qiáng),在兩者共同作用下硅灰具有及其顯著的強(qiáng)度增強(qiáng)作用。研究發(fā)現(xiàn),隨硅灰摻量的增加其強(qiáng)度提升效果表現(xiàn)出先增大后下降的變化趨勢(shì)。硅灰摻量不超過(guò)10%時(shí)所發(fā)揮的作用有限,對(duì)強(qiáng)度提升效應(yīng)不明顯;摻量處于10%～20%之間時(shí),硅灰摻量與混凝土強(qiáng)度開(kāi)始表現(xiàn)出正線性相關(guān)性;摻量超過(guò)20%時(shí),隨硅灰摻量增大混凝土強(qiáng)度反而減小。這是因?yàn)閾?0%～20%硅灰時(shí)能夠大大提高結(jié)構(gòu)體系的整體密實(shí)度和強(qiáng)度,摻量超過(guò)20%以后過(guò)多的微細(xì)硅灰顆粒使得拌合物更黏稠,流動(dòng)性下降并形成有害孔隙,對(duì)孔結(jié)構(gòu)細(xì)化造成不利影響,并使得混凝土強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度明顯降低。因此,考慮強(qiáng)度時(shí)硅灰的最佳摻量為10%～20%。

粉煤灰與水泥顆粒尺寸接近,在混凝土中發(fā)揮著活性效應(yīng),其火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物能夠起到一定的孔隙填充作用和膠結(jié)效應(yīng),對(duì)提高強(qiáng)度具有積極作用。然而,粉煤灰相比于硅灰的早期火山灰反應(yīng)活性較低,隨粉煤灰摻量的增加超高性能水工混凝土早期強(qiáng)度(前7d)降低,但隨著火山灰反應(yīng)的開(kāi)始混凝土中期強(qiáng)度逐漸提高。另外,粉煤灰需要在孔溶液中才能發(fā)生火山灰反應(yīng),而超高性能水工混凝土水膠比較低,一般≤0.22,孔隙內(nèi)的溶液量有限,粉煤灰火山灰反應(yīng)與水泥水化反應(yīng)可能會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)用水的情況,降低粉煤灰增強(qiáng)中后期強(qiáng)度的作用[5-6]。

礦渣粉與水泥顆粒的尺寸分布也比較相近,其表面持水能力和減水劑吸附量相較于水泥較弱。雖然礦渣粉的潤(rùn)滑作用有限、顆粒表面多棱角且不規(guī)則,但其替代部分水泥后不需要增加減水劑用量和用水量。礦渣粉相比于水泥的反應(yīng)活性較低,早期火山灰反應(yīng)幾乎不會(huì)發(fā)生,故摻入一定礦渣粉能夠改善漿體流動(dòng)性,后期逐漸發(fā)揮孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增強(qiáng)作用。

偏高嶺土火山灰活性強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著,相比于礦渣粉和粉煤灰其顆粒尺寸也較小,因成本價(jià)格較低常被用作硅灰的替代材料。同時(shí),偏高嶺土的活性受煅燒工藝及高嶺土性質(zhì)的影響較大,偏高嶺土等量替代硅灰能夠在一定程度上提升抗折強(qiáng)度,對(duì)強(qiáng)度不利影響較低。

玻璃微粉水泥的顆粒尺寸相近,這樣既可以防止堿集料反應(yīng)的發(fā)生又能夠充分發(fā)揮其較強(qiáng)的火山灰效應(yīng),有利于提高混凝土強(qiáng)度。摻量不超過(guò)40%時(shí),隨玻璃微粉摻量的增加超高性能水工混凝土強(qiáng)度逐漸增大,摻量達(dá)到50%時(shí)強(qiáng)度不再增大反而表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

稻殼灰顆粒內(nèi)部吸收儲(chǔ)存的水分后期發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用、火山灰反應(yīng)和填充作用共同影響著超高性能水工混凝土強(qiáng)度。另外,在發(fā)揮儲(chǔ)水作用的同時(shí)稻殼灰顆粒內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)還會(huì)降低顆粒自身強(qiáng)度,當(dāng)?shù)練せ覔搅枯^高超高20%時(shí)混凝土強(qiáng)度顯著降低,相比于其它礦物摻合料的摻量上限稻殼灰明顯較低。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)

玻璃微粉、稻殼灰、硅灰都含有活性SiO2,具有較高的反應(yīng)活性和水化促進(jìn)效應(yīng),從微觀上對(duì)漿體的影響存在較大差異。硅灰具有更顯著的孔隙優(yōu)化效應(yīng),漿體孔隙率隨一定硅灰摻量的增加而減小,隨摻量的增大孔隙結(jié)構(gòu)逐漸改善;稻殼灰的早期優(yōu)化作用較弱,這種多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)對(duì)中后期微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有明顯作用;受致密的結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸限制,玻璃微粉相較于硅灰的微觀結(jié)構(gòu)填充作用較低,其相較于稻殼灰優(yōu)化中后期微觀結(jié)構(gòu)的作用也較弱。

研究超高性能水工混凝土微觀結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮漿體“缺水”和遷移變化等因素,在自然養(yǎng)護(hù)條件下并不利于礦渣粉和粉煤灰快速發(fā)生反應(yīng)。所以,為加速礦渣粉和粉煤灰的反應(yīng)通常利用蒸壓養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式。

偏高嶺土相比于硅灰具有更加明顯的細(xì)化后期微觀結(jié)構(gòu)的作用,由于增加偏高嶺土摻量會(huì)顯著增大混凝土用水量,隨偏高嶺土摻量的增大硬化后漿體的孔隙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);摻量較低不超過(guò)20%時(shí),隨偏高嶺土摻量的增大混凝土孔隙率逐漸減小,摻量進(jìn)一步增≤30%時(shí)孔隙率將明顯增大。

1.3 收縮性能

根據(jù)發(fā)生時(shí)間可以將收縮劃分成塑性和硬性收縮,考慮不同成因又可以劃分成碳化、干燥、溫降、化學(xué)和干收縮等。超高性能水工混凝土因具有無(wú)粗骨料、高凝膠材料用量和低水膠比等特點(diǎn),其收縮一般表現(xiàn)為自收縮。其極低的水膠比使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)自干燥的時(shí)間較早,濕度下降較快使得混凝土自收縮占比較高;同時(shí),參與蒸發(fā)的水分很少,決定了自收縮總體變形有限。所以,在超高性能水工混凝土收縮中自收縮具有主導(dǎo)作用,故主要探討自收縮受幾種礦物摻合料的影響。

超高性能水工混凝土自收縮受內(nèi)部水分和孔結(jié)構(gòu)影響,水量相同的情況下水泥水化對(duì)水分的消耗程度決定了體系中的含水量,水化產(chǎn)物的填充效應(yīng)直接關(guān)系著孔隙結(jié)構(gòu)。

從孔結(jié)構(gòu)上,隨著水化的進(jìn)行毛細(xì)孔中的水分逐漸減少,孔內(nèi)凹液面的曲率增大致使溶液對(duì)孔壁的表面張力也逐漸提高,這也是混凝土自收縮的源動(dòng)力。研究認(rèn)為,混凝土內(nèi)產(chǎn)生自干燥效應(yīng)和引起毛細(xì)張力明顯增加的孔直徑為5～50nm范圍,這與自收縮變形存在著密切聯(lián)系。

硅灰的早期活性較高,這使得內(nèi)部水分消耗較快。因此,硅灰的摻入會(huì)明顯加劇自收縮及其程度。硅灰及其反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)起到細(xì)化與分割、對(duì)較大或大孔發(fā)揮較強(qiáng)的填充作用,對(duì)與自收縮密切相關(guān)的孔隙消除效果非常有限。研究認(rèn)為,硅灰的摻入會(huì)顯著提高5～50nm孔徑的孔隙含量,使得混凝土自收縮明顯加劇。

礦渣粉和粉煤灰具有延緩水泥水化的作用,并且兩者的早期火山灰活性可以忽略不計(jì)。所以,礦渣粉和粉煤灰具有降低水泥水化消耗水分的作用,可以減少自收縮,其作用機(jī)理與一般混凝土類似。兩者對(duì)孔結(jié)構(gòu)的填充效應(yīng)小于硅灰,毛細(xì)孔張力及數(shù)量相對(duì)減少,有利于減小混凝土收縮。另外,粉煤灰的活性稍低于礦渣粉,將其粉磨至更小的顆粒后會(huì)顯著增強(qiáng)填充效應(yīng),加快火山灰反應(yīng)效率以及加劇混凝土自收縮。

玻璃微粉具有較高的火山灰活性,有利于促進(jìn)水泥水化,所以摻玻璃微粉會(huì)加速水分的消耗和混凝土自收縮。玻璃微粉及其火山灰反應(yīng)產(chǎn)物具有細(xì)化孔結(jié)構(gòu)的作用,通過(guò)填充體系內(nèi)的孔隙增加毛細(xì)孔的數(shù)量,導(dǎo)致自收縮的增加以及毛細(xì)孔內(nèi)自干燥效應(yīng)的加劇。

稻殼灰有利于促進(jìn)水泥水化反應(yīng),加速體系中水分消耗,但稻殼灰特殊的孔隙結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)存水分,在一定程度上起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,有利于減少自收縮、減緩自干燥效應(yīng)及緩解混凝土內(nèi)部的“缺水”問(wèn)題。

偏高嶺土具有較高的火山灰效應(yīng)和較強(qiáng)的水泥水化促進(jìn)作用,偏高嶺土的摻入可以促進(jìn)自收縮的形成與發(fā)展,加速內(nèi)部水分的消耗。另外,偏高嶺土及其火山灰反應(yīng)產(chǎn)物能夠細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙分布,通過(guò)填充內(nèi)部孔隙,在一定程度上促進(jìn)自收縮的形成與發(fā)展。

2 結(jié) 論

1)拌合物中呈球形的粉煤灰和硅粉顆粒具有滾珠作用,有利于增大流動(dòng)性,但硅灰極高的需水量和減水劑吸附量使得拌合物流動(dòng)性大大降低;而多棱角的玻璃微粉和礦渣粉顆粒對(duì)拌合物流動(dòng)性的改善作用低于粉煤灰;稻殼灰與偏高嶺土顆粒的減水劑吸附效果和溪水作用較強(qiáng),隨著其摻量的增加拌合物流動(dòng)性明顯降低。

2)礦物摻合料通過(guò)填充和火山灰效應(yīng)可以生成對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大、可發(fā)揮膠結(jié)作用的產(chǎn)物增強(qiáng)超高性能水工混凝土強(qiáng)度。硅灰提升混凝土強(qiáng)度作用最顯著,活性較高的偏高嶺土對(duì)強(qiáng)度提升作用比較明顯,受自身活性限制粉煤灰、礦渣粉在一定程度上會(huì)降低早期強(qiáng)度,對(duì)中后期有增強(qiáng)作用,玻璃微粉具有一定的提高混凝土強(qiáng)度作用,稻殼灰利用其內(nèi)部?jī)?chǔ)存內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,可以增強(qiáng)混凝土中后期強(qiáng)度,但稻殼灰摻量過(guò)高會(huì)明顯降低其強(qiáng)度。

3)礦物摻合料通過(guò)改變內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和含水量影響超高性能水工混凝土的自收縮,硅灰會(huì)顯著增加自收縮,礦渣粉于粉煤灰能夠降低自收縮,而摻入玻璃微粉和偏高嶺土?xí)》黾映咦允湛s,稻殼灰可利用其內(nèi)部?jī)?chǔ)存水分的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用減緩自收縮。