朱云升,肖鈺臻,刁錫剛,劉 洋,徐 林

(1. 武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430070; 2. 四川省交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610047; 3. 湖北省公路工程技術(shù)中心,湖北 武漢 430070)

0 引 言

傳統(tǒng)固定臺座梁場生產(chǎn)一片預(yù)制小箱梁需要7 d左右,其中大部分時間花費(fèi)在養(yǎng)護(hù)箱梁等待其具備張拉條件上,等待過程中占用臺座,梁場施工效率低。讓水泥混凝土較早達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度與彈性模量,再進(jìn)行早齡期張拉是縮短工期的重要途徑。傳統(tǒng)早強(qiáng)劑會對混凝土的耐久性造成不同程度的影響,近些年來,納米材料逐漸應(yīng)用于混凝土中,成為一種提高水泥混凝土性能的新方式。

納米SiO2(后稱NS)具有尺寸小,比表面積大的特點,擁有良好的火山灰效應(yīng)與填充效應(yīng),可促進(jìn)水泥混凝土的早期反應(yīng),提高早期強(qiáng)度。納米水化硅酸鈣(CSH)可作為理想的成核基質(zhì),加快水泥的早期反應(yīng),提高混凝土的早期力學(xué)性能。但由于NS比表面積較大,表面羥基覆蓋率高,顆粒間容易發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致混凝土拌合物的流動性降低。納米CSH的添加同樣也會隨著其鈣硅比的增大而降低水泥基材料的流動性[1],無法充分發(fā)揮改性作用。學(xué)者們采用高速研磨攪拌加超聲波的方式分散NS、在堿性條件下?lián)郊覰S、通過球磨處理制備NS分散液等方式[2-4],均提高了NS在水泥體系中的分散性;在水泥基體系中引入聚羧酸減水劑制備CSH/PCE納米復(fù)合材料也可以抑制納米顆粒間的團(tuán)聚[5]。解決了納米材料在水泥基材料中的分散性問題有利于材料的應(yīng)用,但有研究表明,單摻入NS不利于混凝土的收縮性能[6],單摻入納米CSH會導(dǎo)致混凝土的后期強(qiáng)度降低[7],可見單獨使用某種納米材料來提高混凝土的早期強(qiáng)度,均會不同程度影響其他性能。

為提高水泥混凝土早期強(qiáng)度,同時減小對其他性能的影響,筆者采用了一種主要成分為NS與納米CSH晶核材料復(fù)合制備的調(diào)節(jié)劑,來改善預(yù)制箱梁混凝土的性能;研究了其在改善水泥混凝土早期性能的同時,對工作性能、體積穩(wěn)定性、耐久性的影響;采用SEM試驗觀察水泥混凝土微觀形貌的變化,探究復(fù)合調(diào)節(jié)劑的作用機(jī)理,為NS-CSH復(fù)合調(diào)節(jié)劑的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5 水泥,其密度為3.08 g/cm3;粉煤灰選用F類Ⅰ級粉煤灰,其密度為2.10 g/cm3,細(xì)度9.4%;細(xì)集料選用機(jī)制砂,其表觀密度為2.75 g/cm3,細(xì)度模數(shù)2.96;粗集料采用5～10 mm和10～20 mm級配碎石,兩者質(zhì)量比為2∶8,表觀密度2.72 g/cm3;外加劑采用聚羧酸緩凝低引氣型高性能減水劑,減水率26%。

1.2 納米SiO2-CSH復(fù)合調(diào)節(jié)劑的制備

復(fù)合調(diào)節(jié)劑主要成分為NS與納米CSH。其中NS制作過程如圖1[8]。首先制備硅烷改性聚羧酸共聚物,該共聚物上的乙氧基硅烷基團(tuán)在水解后能夠形成Si—OH;再在堿性條件下進(jìn)行硅烷改性聚羧酸共聚物與NS的縮合反應(yīng),改性聚羧酸共聚物通過Si—O化學(xué)鍵合,錨定于NS表面,得到化學(xué)接枝改性的NS溶膠;再將制備好的NS溶膠1∶1加入到納米CSH晶核材料懸浮液中,制備復(fù)合調(diào)節(jié)劑。

圖1 NS溶膠的制備Fig. 1 Preparation of NS sol

1.3 水泥混凝土配合比

預(yù)制小箱梁采用C50水泥混凝土,其基準(zhǔn)配合比(0#組)中水膠比(mw∶m膠)為0.32,砂率(βs)為43%,膠凝材料用量(m膠)為450 kg/m3,粉煤灰、外加劑摻入質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的15.0%、1.1%。在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上,將復(fù)合調(diào)節(jié)劑以等量取代水的方式摻入到水泥混凝土體系中,摻入質(zhì)量分別占膠凝材料質(zhì)量的0.2%(1#組)、0.4%(2#組)、0.6%(3#組)、0.8%(4#組)、1.0%(5#組)。混凝土試驗中水泥、粉煤灰、機(jī)制砂、級配碎石、外加劑的單位材料用量為382.5、67.5、798、1 058、4.95 kg/m3,復(fù)合調(diào)節(jié)劑和水的單位材料用量配合比如表1。

表1 各試驗組復(fù)合調(diào)節(jié)劑與水的用量Table 1 The dosage of compound regulator and water in each test group kg/m3

1.4 試驗方法

參照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(后稱《規(guī)程》)中T 0532、T 0528方法對新拌混凝土進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度與自由泌水率測試,并參照GB/T 50080——2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測量其倒置坍落度筒排空時間。然后取樣制作標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試件與棱柱體抗壓彈性模量試件,分別養(yǎng)護(hù)至3、7、28 d進(jìn)行混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量試驗。水泥混凝土的干燥收縮按照《規(guī)程》中T 0574方法接觸法進(jìn)行測試:制作圓柱體試件從3 d開始進(jìn)行干縮測試,記錄每日的干燥收縮量,直至56 d為止;按T 0580方法采用電通量法測試硬化混凝土的抗氯離子滲透的能力,記錄56 d齡期各組試件的6 h電通量大小。取混凝土3、28 d碎樣,使用Zeiss Ultra Plus型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能影響

納米顆?？梢园l(fā)揮潤滑作用,其表面特性可改善水泥漿的流變行為[9]。傳統(tǒng)方法摻加NS至混凝土中,顆粒間會發(fā)生團(tuán)聚,形成絮凝狀沉淀,消耗大量自由水,降低混凝土的流動性[10]。為探究復(fù)合調(diào)節(jié)劑對水泥混凝土工作性能的影響,在進(jìn)行新拌混凝土坍落度與擴(kuò)展度及坍落擴(kuò)展度經(jīng)時損失測試的基礎(chǔ)上,按《規(guī)程》中T 0522方法對新拌混凝土的棍度、黏聚性進(jìn)行評價,并按式(1)計算其自由泌水率B:

(1)

式中:Ww為泌水總量,g;w為拌合物總質(zhì)量,g;m為拌合物所需總用水量,g;m1為泌水前試樣筒及試樣質(zhì)量,g;m0為試樣筒質(zhì)量,g。

各組新拌混凝土的坍落擴(kuò)展度及其經(jīng)時損失測試結(jié)果及工作性能如表2。

表2 各組新拌混凝土流動性經(jīng)時損失對比及工作性能Table 2 Comparison of fluidity loss and workability of fresh concrete of each group

隨著復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量的增大,新拌混凝土的流動性逐漸增強(qiáng),摻量達(dá)到1.0%時(5#組),較于0#組坍落度與擴(kuò)展度分別提高了11.9%和17.6%,倒置坍落度筒排空時間減少了26.5%。且摻入復(fù)合調(diào)節(jié)劑對混凝土拌合物坍落度與擴(kuò)展度的經(jīng)時損失影響不大,0#組2 h坍落度與擴(kuò)展度損失分別為4.8%與5.2%,5#組2 h坍落度與擴(kuò)展度損失分別為6.4%與5.0%。進(jìn)行坍落度試驗時,棍度隨著復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量的增加也逐漸變優(yōu),摻量為0.6%以上時混凝土插搗容易。對完成坍落度試驗的混凝土錐體側(cè)邊進(jìn)行敲打,發(fā)現(xiàn)0#～4#組逐漸下沉,無突然倒塌、崩裂現(xiàn)象,可塑性與黏聚性良好,5#組出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,黏聚性較差。

復(fù)合調(diào)節(jié)劑中基于化學(xué)接枝技術(shù)制作的NS溶膠水解后能夠形成Si—OH,使NS能與減水劑更好地相互作用,避免NS小范圍內(nèi)與水泥漿體團(tuán)聚,提升混凝土的流動性。同時利用聚羧酸系共聚物的空間位阻效應(yīng)與主鏈上羧基提供的靜電排斥力,可使納米材料在水泥體系中分散,避免產(chǎn)生過多的團(tuán)聚體。但當(dāng)復(fù)合調(diào)節(jié)劑的摻量過高時,隨著膠凝體系中的絮凝結(jié)構(gòu)被打開,過多的自由水被釋放出來,表現(xiàn)為混凝土的黏聚性變差,出現(xiàn)泌水。單從新拌混凝土的工作性能上來說,0.6%的復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量是較為合理的。

2.2 力學(xué)性能影響

JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定:采用后張法進(jìn)行張拉時,水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計強(qiáng)度的80%,抗壓彈性模量應(yīng)大于28 d齡期的80%。

為使預(yù)制箱梁較早進(jìn)行脫模與張拉工作,需要提高混凝土的早期力學(xué)性能。摻入NS與納米CSH均能不同程度提高混凝土的早期力學(xué)性能,由其組成的復(fù)合調(diào)節(jié)劑同樣能改善混凝土的早期強(qiáng)度,圖2為各組不同試驗齡期力學(xué)性能柱狀圖。

由圖2可知:復(fù)合調(diào)節(jié)劑對混凝土各齡期強(qiáng)度均有提升,且對早期強(qiáng)度提升效果明顯。隨著復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量的增加,強(qiáng)度提升效果愈好,摻量為1.0%的時,較0#組3、7、28 d強(qiáng)度提高了14.4%、11.1%、3.1%。各試驗組混凝土的彈性模量均在3 d達(dá)到了28 d齡期的80%以上,滿足張拉要求。

引入NS向膠凝體系中引入了巨大比表面積,產(chǎn)生巨大的成核結(jié)晶效應(yīng)。由于NS良好的火山灰效應(yīng),早期能與氫氧化鈣(CH)迅速反應(yīng)生成CSH晶核,CSH晶核依靠其體積優(yōu)勢在毛細(xì)孔中擴(kuò)散。直接向膠凝體系中加入納米CSH是對體系中CSH數(shù)量的補(bǔ)充,促進(jìn)了粉煤灰的水化反應(yīng),提高了混凝土的早期強(qiáng)度。

圖2 各試驗組混凝土的力學(xué)性能Fig. 2 Mechanical properties of concrete of each test group

納米材料也可通過自身特性對混凝土孔隙進(jìn)行填充,使水泥石更加密實。齡期達(dá)到28 d時,由于NS接枝了改性的聚羧酸共聚物,能夠在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步打開水泥的絮凝結(jié)構(gòu),能夠在保證新拌混凝土流動性的情況下為后期的水化反應(yīng)提供自由水,進(jìn)一步提高混凝土強(qiáng)度。但當(dāng)復(fù)合調(diào)節(jié)劑的摻量達(dá)到一定程度時,影響混凝土強(qiáng)度的主要因素為骨料,提高摻量無法再明顯提高混凝土強(qiáng)度。

2.3 抗氯離子滲透能力影響

氯離子滲透會導(dǎo)致水泥混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕,預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)具備較好的抗氯離子滲透能力,提高混凝土耐久性對于混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用具有重要意義[11]。采用電通量法研究不同摻量復(fù)合調(diào)節(jié)劑對水泥混凝土抗氯離子滲透能力的影響,結(jié)果如圖3。

由圖3可知:隨著復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量提升,混凝土56 d齡期的6 h電通量大小逐漸下降,當(dāng)摻量達(dá)到1.0%時,混凝土56 d電通量較0#組降低了32.7%。這是由于向水泥混凝土中加入納米材料,對水泥漿體間的微小孔隙進(jìn)行了填充,使水泥石更加致密,阻礙可溶液中氯離子的滲透,提高了混凝土耐久性。

圖3 各組混凝土56 d齡期6 h電通量Fig. 3 6 h electric flux of concrete of each group within 56 d

2.4 干燥收縮性能影響

對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,早期張拉會對后期預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生影響[12]。混凝土收縮徐變是造成預(yù)應(yīng)力損失的重要原因,JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中正常使用極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力由于混凝土收縮徐變的損失計算如式(2):

(2)

關(guān)鍵參數(shù)εCS(t,t0)指預(yù)應(yīng)力筋傳力錨固齡期為t0,計算考慮齡期為t時的混凝土收縮應(yīng)變。由此可知,同一齡期進(jìn)行張拉的預(yù)應(yīng)力混凝土成長到相同的齡期時,其干燥收縮率愈小,對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力損失值愈小。故減小混凝土的干燥收縮能夠有效減少預(yù)應(yīng)力損失。為探究復(fù)合調(diào)節(jié)劑對混凝土干燥收縮性能影響,采用接觸法測試了各組混凝土56 d內(nèi)干燥收縮率的變化情況,結(jié)果如圖4。

圖4 各組混凝土56 d內(nèi)干燥收縮率變化Fig. 4 Variation of drying shrinkage rate of concrete of each group within 56 d

由圖4可知:摻入復(fù)合調(diào)節(jié)劑能有效降低水泥混凝土干燥收縮率。水泥混凝土的干燥收縮率早期隨著齡期的增長迅速上升,齡期達(dá)到28 d時,混凝土的干燥收縮率已經(jīng)達(dá)到56 d的80%左右,之后混凝土的干燥收縮發(fā)展緩慢。5#組混凝土的干燥收縮率為2.05×10-4,較0#組的3.40×10-4降低了39.7%。干燥收縮率變化可由式(3)解釋:

(3)

式中:ΔP為孔壁上的附加壓力,Pa;σ為孔內(nèi)溶液表面張力,N/m;θ為孔壁與溶液接觸角,(°);γ為毛細(xì)孔曲率半徑,m。

由式3可知:水泥混凝土失水時,孔內(nèi)溶液表面張力影響著水泥混凝土毛細(xì)孔壁上的附加壓力,導(dǎo)致混凝土體積收縮。復(fù)合調(diào)節(jié)劑中NS接枝共聚物主鏈上密度高的硅烷基團(tuán)具有較高表面活性,能顯著降低膠凝材料體系液相表面張力,減少混凝土毛細(xì)孔壁上的附加壓力,減少混凝土的干燥收縮。此外,水泥混凝土內(nèi)部孔洞的連通性影響自由水移動,導(dǎo)致混凝土收縮變形[13],加入納米材料能夠使得水泥石更為致密,減少混凝土中孔洞的連通性,減緩自由水在混凝土孔洞之間的移動。

2.5 微觀改善作用機(jī)理

NS在物理與化學(xué)層面上能提高混凝土界面過渡區(qū)的致密度,其成核效應(yīng)可以通過與CH反應(yīng)生成更多的CSH,提高混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)能力[14]。引入納米CSH可直接作為水化產(chǎn)物的二次成核或生長點,消耗混凝土內(nèi)部孔隙中的Ca2+與OH-,產(chǎn)生濃度梯度,加速C3S的溶解[15]。同時納米材料能優(yōu)化混凝土的微觀孔隙分布,大幅降低多害孔比例,提高無害孔與少害孔比例,從微觀上改善混凝土性能[16]。

采用Zeiss Ultra Plus型號場發(fā)射掃描電子顯微鏡對0#組與3#組3 d與28 d齡期的混凝土碎樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5。

圖5 部分組混凝土碎樣微觀形貌Fig. 5 Micro morphology of some groups of concrete samples

由圖5(a)、圖5(b)可以觀察到:與不添加復(fù)合調(diào)節(jié)劑的0#組相比,3#組的水化程度較高;0#組中存在大量的片狀CH晶體,界面過渡區(qū)存在縫隙缺陷,水泥漿體對集料黏結(jié)力較差,宏觀表現(xiàn)為混凝土的強(qiáng)度較低; 3#組中部分對力學(xué)性能發(fā)展不利的CH轉(zhuǎn)化成了均勻密實的CSH,提高了結(jié)構(gòu)的致密度,優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),消減了過渡區(qū)的缺陷,提高了界面過渡區(qū)附近的強(qiáng)度和密實度。

由圖5(c)、圖5(d)中可以觀察到:齡期達(dá)到28 d時,0#組中存在較多的未水化的粉煤灰顆粒以及微小孔隙,3#組中未水化的粉煤灰顆粒較少,且界面較為密實,納米材料的物理填充作用更充分地體現(xiàn)出來,提高了結(jié)構(gòu)的整體密實度。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗對摻入不同摻量復(fù)合調(diào)節(jié)劑的混凝土進(jìn)行了工作性能、力學(xué)性能、抗氯離子滲透、干燥收縮與微觀形貌的觀察與測試,研究了復(fù)合調(diào)節(jié)劑對混凝土各方面性能的影響,得出以下結(jié)論:

1)適量摻入復(fù)合調(diào)節(jié)劑能提高水泥混凝土的工作性能。隨著復(fù)合調(diào)節(jié)劑摻量的增加,新拌混凝土的棍度逐漸改善,坍落度與擴(kuò)展度逐漸增加,摻量最高的5#組的坍落度與擴(kuò)展度較不摻復(fù)合調(diào)節(jié)劑的0#組提高了11.9%與17.6%,倒置坍落度筒排空時間減少了26.5%,且摻入復(fù)合調(diào)節(jié)劑對混凝土坍落擴(kuò)展度經(jīng)時損失無顯著影響。但當(dāng)復(fù)合調(diào)節(jié)劑的摻量過高時,混凝土?xí)霈F(xiàn)黏聚性變差、泌水現(xiàn)象,較為合適的摻量為0.6%。

2)采用復(fù)合調(diào)節(jié)劑的方式能夠提高混凝土早期強(qiáng)度,5#組較0#組的3 d強(qiáng)度提高了14.4%,且28 d強(qiáng)度無倒縮現(xiàn)象。同時使用復(fù)合調(diào)節(jié)劑改善混凝土的早期性能的同時對混凝土耐久性與體積穩(wěn)定性無不利影響,5#組的56 d電通量與干燥收縮率較0#組分別降低了32.7%與39.7%。

3)通過SEM試驗可以觀察到,復(fù)合調(diào)節(jié)劑能夠加快混凝土的早期水化反應(yīng),細(xì)化CH晶體,生成與補(bǔ)充大量的CSH,提高水泥漿體的密實程度,消減了界面過渡區(qū)的缺陷。復(fù)合調(diào)節(jié)劑能夠細(xì)化粉煤灰顆粒,利用納米材料的特性填充孔隙,提高水泥石的密實程度,進(jìn)而提高混凝土各齡期的強(qiáng)度。

4)采用復(fù)合調(diào)節(jié)劑不僅能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度,使預(yù)制箱梁具備提前進(jìn)行張拉的條件,還能提高構(gòu)件的抗氯離子滲透與抗干燥收縮能力,降低其在使用過程中內(nèi)部鋼筋銹蝕的風(fēng)險,減少因混凝土收縮導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失。