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        外摻劑對(duì)超高性能接縫修復(fù)混凝土性能的影響研究

        2023-12-10 20:05:00陳禮婧
        西部交通科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:膨脹劑強(qiáng)度

        作者簡(jiǎn)介:陳禮婧(1987—),碩士,副教授,主要從事建筑材料、施工技術(shù)研究工作。

        摘要:為提升橋梁加固用接縫混凝土的性能,文章研究配制一種超高性能接縫修復(fù)混凝土,并探討減縮劑和膨脹劑對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明:減縮劑為1%時(shí),混凝土漿體流動(dòng)性最差,隨著減縮劑摻量增加,混凝土強(qiáng)度和自收縮變形減小,當(dāng)減縮劑摻量為0.5%時(shí),能夠有效降低混凝土的干燥收縮;隨著膨脹劑摻量增加,混凝土的流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度、自收縮變形、干燥收縮變形逐漸減小,當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度最大;復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時(shí),能夠進(jìn)一步降低混凝土的收縮變形,同時(shí)維持流動(dòng)度和強(qiáng)度。綜合比較認(rèn)為,采用2%減縮劑+10%膨脹劑的復(fù)摻方式時(shí),混凝土的綜合性能最佳。

        關(guān)鍵詞:超高性能接縫修復(fù)混凝土;減縮劑;膨脹劑;流動(dòng)度;強(qiáng)度;收縮變形

        中圖分類(lèi)號(hào):U445.7+2

        0 引言

        公路橋梁中出現(xiàn)空心板鉸縫病害、預(yù)制 T 梁及小箱梁橫向接縫開(kāi)裂病害等現(xiàn)象十分普遍,每年都需要花費(fèi)很大的代價(jià)對(duì)這類(lèi)公路橋梁進(jìn)行維修與加固。但是現(xiàn)有橋梁接縫加固維修方法仍然存在著效率低下、性能較差、施工難度大和耐久性能差等問(wèn)題,因此有必要尋找一種強(qiáng)度高、耐久性好、韌性強(qiáng)和收縮變形小的超高性能接縫修復(fù)混凝土來(lái)替代原有的維修加固方法[1-2。

        通常,橋梁接縫修復(fù)材料可劃分為無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)、纖維改性類(lèi)和聚合物改性類(lèi)等多種類(lèi)型。其中有機(jī)類(lèi)修復(fù)材料操作簡(jiǎn)單,材料容易獲取,修復(fù)成本低,因而在橋梁維修加固中廣泛采用[3。我國(guó)對(duì)于橋梁接縫維修加固,一般是采用比基體強(qiáng)度稍高的混凝土進(jìn)行維修加固,但是逐漸暴露出一些問(wèn)題:易產(chǎn)生收縮開(kāi)裂、新舊面粘結(jié)力不夠、養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)等。針對(duì)現(xiàn)有橋梁接縫維修加固施工要求,一是要求混凝土具備良好的流動(dòng)性;二是要求混凝土的收縮變形?。蝗且缶邆淞己玫膹?qiáng)度和耐久性,四是要求總體的經(jīng)濟(jì)性,有必要設(shè)計(jì)一種各方面性能均較優(yōu)的高性能接縫修復(fù)混凝土4-5。

        本文使用水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料配制了一種超高性能接縫修復(fù)混凝土[6-7,重點(diǎn)探討了減縮劑和膨脹劑對(duì)該類(lèi)混凝土性能的影響,以期能為橋梁接縫維修加固設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 原材料

        在本次試驗(yàn)中,超高性能接縫修復(fù)混凝土的主要原材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、硅灰(粒徑<1 μm)、I 級(jí)粉煤灰、石英粉(325目,密度2.645 g/cm3,平均粒徑為50.5 μm)、石英砂(20~40目,粒徑為0.55~0.9 mm,含水率為1.5%)、減水劑(聚羧酸系高效減水劑,堆積密度為580 g/L,減水率>30%,含固量為40%)、BHY-2A減縮劑(減縮率為50%~80%)、HCSA 膨脹劑[主要成分為CaO(占比50.6%)和SO3(占比27.5%)]。

        1.2 配合比方案設(shè)計(jì)

        本次試驗(yàn)中,超高性能接縫混凝土的水膠比定為0.2,基礎(chǔ)材料的用量比值為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶石英粉=1∶0.10∶0.25∶1.1∶0.25,減水劑摻量均為2%。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)單摻減縮劑、單摻膨脹劑和復(fù)摻減縮劑+膨脹劑三組,減縮劑和膨脹劑均采用外摻方式,單摻減縮劑摻量分別為0、0.5%、1%和2%,單摻膨脹劑的摻量分別為0、8%、10%、12%,復(fù)摻減縮劑+膨脹劑的摻量分別為1%+8%、1%+10%、2%+8%和2%+10%。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表1。

        1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

        (1)按照試驗(yàn)配合比稱(chēng)取相應(yīng)重量的用料;(2)將攪拌鍋預(yù)先潤(rùn)濕后擦干表面,依次加入水泥、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、減水劑、減縮劑和膨脹劑等原材料,干拌120 s;(3)向攪拌機(jī)中摻入對(duì)應(yīng)重量的水,先慢攪240 s,再快攪240 s;(4)將攪拌好的拌和料倒入鋼膜中,蓋上塑料薄膜后自然養(yǎng)護(hù)1 d拆模;(5)將試件進(jìn)行編號(hào),然后在溫度為 20±2 ℃,濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d;(6)對(duì)于進(jìn)行干縮試驗(yàn)的試件,先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d,然后移入干縮養(yǎng)護(hù)箱[溫度為(20±2 ℃),相對(duì)濕度為(60±5)%]中養(yǎng)護(hù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間;(7)取出試件進(jìn)行對(duì)應(yīng)性能測(cè)試。

        1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

        本次試驗(yàn)主要對(duì)混凝土的流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、自收縮和干燥收縮性能進(jìn)行測(cè)試。

        外摻劑對(duì)超高性能接縫修復(fù)混凝土性能的影響研究/陳禮婧

        2 對(duì)工作性能的影響

        不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可知:?jiǎn)螕綔p縮劑情況下,混凝土的初始流動(dòng)度(0 min)和經(jīng)過(guò)30 min后的流動(dòng)度均隨減縮劑摻量的增加呈先減小后增大的變化特征。當(dāng)減縮劑摻量為1%時(shí),流動(dòng)度最低,分別僅為249 mm和237 mm。這可能是由于減縮劑中的某些化學(xué)成分對(duì)減水劑的效果有一定的抑制作用,因此一開(kāi)始會(huì)降低混凝土流動(dòng)度。但是由于減縮劑為液體,混凝土中自由水增加,因此當(dāng)摻量超過(guò)一定量后,流動(dòng)度又會(huì)逐漸增加。摻入0.5%、1%和2%的減縮劑后,混凝土在30 min內(nèi)的流動(dòng)度損失分別為13 mm、12 mm和10 mm,而不摻入外加劑時(shí)損失為23 mm,表明摻入減縮劑可大幅降低流動(dòng)度的短期損失,且減縮劑摻量越高,損失越小。這是因?yàn)閾饺霚p縮劑降低了混凝土中孔溶液的蒸發(fā)速度,同時(shí)也會(huì)抑制一部分水泥發(fā)生水化反應(yīng),從而減小流動(dòng)度的損失。

        單摻膨脹劑情況下,混凝土的初始流動(dòng)度(0 min)和經(jīng)過(guò)30 min后的流動(dòng)度均隨膨脹劑摻量的增加而逐漸減小。這是因?yàn)镠CSA膨脹劑有兩種膨脹源,在水化反應(yīng)初期可參與水化反應(yīng),消耗掉大量水分,產(chǎn)生水化產(chǎn)物,從而導(dǎo)致流動(dòng)度減小。摻入8%、10%和12%膨脹劑后,混凝土在30 min內(nèi)的流動(dòng)度損失分別為25 mm、28 mm和29 mm,流動(dòng)度損失量隨著膨脹劑摻量增加而逐漸增大。膨脹劑摻量越高,消耗的水分越多,流動(dòng)度損失也越大。

        復(fù)摻減縮劑+膨脹劑情況下,摻入1%或者2%的減縮劑時(shí),膨脹劑摻量越高,流動(dòng)度相較而言更大;當(dāng)摻入8%或者10%的膨脹劑時(shí),減縮劑摻量越高,流動(dòng)度相較而言也越高,但相差不大,這說(shuō)明減縮劑和膨脹劑兩者具有很好的協(xié)同作用。4組復(fù)摻試驗(yàn)組混凝土在30 min內(nèi)的流動(dòng)度損失分別為18 mm、17 mm、16 mm和16 mm,由此可見(jiàn),復(fù)摻外摻劑時(shí),流動(dòng)度損失介于單摻減縮劑和單摻膨脹劑之間,且相比不摻入外摻劑時(shí),均有不同程度降低。

        3 對(duì)力學(xué)性能的影響

        不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可知:?jiǎn)螕綔p縮劑或者膨脹劑時(shí),混凝土抗折強(qiáng)度均呈逐漸降低的變化特征。單摻減縮劑時(shí),抗壓強(qiáng)度逐漸減?。粏螕脚蛎泟r(shí),抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征,且當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時(shí),減縮劑摻量一定,膨脹劑摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響較小,當(dāng)膨脹劑摻量一定,增加減縮劑時(shí),強(qiáng)度降低,這表明減縮劑是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。這主要是因?yàn)闇p縮劑對(duì)水泥水化反應(yīng)具有延緩作用和引氣作用,不僅減少了水化產(chǎn)物的產(chǎn)生量,而且還帶來(lái)了較多的孔隙結(jié)構(gòu),因而會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低,摻入適量的膨脹劑有助于混凝土強(qiáng)度發(fā)展,彌補(bǔ)減縮劑帶來(lái)的影響。由于混凝土水膠比本身較低,很難在早期獲得充足的水分進(jìn)行膨脹,而減縮劑可以降低混凝土的孔隙溶液的蒸發(fā)速度,從而保留一部分水分充當(dāng)膨脹源,因此復(fù)摻減縮劑和膨脹劑能夠起到相互輔助的作用,從而確?;炷辆哂凶銐虻牧W(xué)強(qiáng)度。

        4 對(duì)自收縮性能的影響

        不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的自收縮性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖3。從圖3中可知:混凝土的自收縮變形隨著減縮劑和膨脹劑摻量的增加而逐漸減低。摻入0.5%、1%和2%減縮劑試驗(yàn)組的自收縮變形相比對(duì)照試驗(yàn)組分別降低47.1%、55.6%和67.6%,摻入8%、10%和12%膨脹劑試驗(yàn)組的自收縮變形相比對(duì)照試驗(yàn)組分別降低43.1%、50.2%和64.4%,說(shuō)明減縮劑和膨脹劑均能降低混凝土的自收縮變形。這是因?yàn)闇p縮劑一方面可以減小混凝土毛細(xì)孔溶液的表面張力,毛細(xì)管中因水化反應(yīng)的附加應(yīng)力也逐漸減小,進(jìn)而減小自收縮變形;另一方面減縮劑具有一定的微膨脹作用,可以補(bǔ)償一部分自收縮變形。膨脹劑參與水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石晶體具有膨脹作用,可以填充和堵塞毛細(xì)孔隙,降低混凝土中有害孔的數(shù)量,因而可以降低自收縮變形。當(dāng)復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時(shí),由于兩者的協(xié)同作用,混凝土的自收縮變形進(jìn)一步降低,當(dāng)減縮劑2%+膨脹劑10%時(shí),自收縮變形僅為470×10-6,相比對(duì)照試驗(yàn)組降低79.1%。

        5 對(duì)干燥收縮性能的影響

        不同外摻劑摻入下高性能接縫修復(fù)混凝土的干燥收縮性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可知:隨著時(shí)間的增加,混凝土的減縮率在短期內(nèi)(0~28 d)呈快速增長(zhǎng),當(dāng)超過(guò)28 d后,減縮率逐漸達(dá)到穩(wěn)定,某些試件甚至略有減小。對(duì)于單摻減縮劑的試驗(yàn)組,摻入0.5%減縮劑的收縮率最小,其次為1%摻量試驗(yàn)組,摻入2%的減縮劑時(shí),收縮率甚至超過(guò)了對(duì)照試驗(yàn)組。摻入減縮劑雖然可以減小孔隙溶液的表面張力,從而降低自干燥引起的收縮應(yīng)力,但當(dāng)摻量過(guò)高時(shí),會(huì)延緩水化反應(yīng)進(jìn)程,導(dǎo)致沒(méi)有充足的水化產(chǎn)物填充混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),從而不利于抵抗自收縮應(yīng)力。這表現(xiàn)出對(duì)干燥收縮的促進(jìn)作用大于抑制作用,因此收縮率反而更高。對(duì)于單摻膨脹劑的試驗(yàn)組,相比對(duì)照試驗(yàn)組,收縮率有較大幅度的降低,且膨脹劑摻量越高,收縮率越小。然而,10%摻量和12%摻量下的收縮率相差不大,因此,單摻膨脹劑的最佳摻量為10%。對(duì)于復(fù)摻減縮劑和膨脹劑的試驗(yàn)組,56 d后的收縮率相差不大,與單摻10%或者12%膨脹劑試驗(yàn)組的收縮率相當(dāng)。

        6 結(jié)語(yǔ)

        (1)單獨(dú)摻入減縮劑對(duì)混凝土的流動(dòng)性和強(qiáng)度不利,但能明顯降低混凝土的自收縮變形。摻入適量減縮劑,有助于降低混凝土的干燥收縮,但是摻量過(guò)多時(shí),對(duì)干燥收縮的促進(jìn)作用大于抑制作用,干燥收縮變形反而增大。

        (2)單獨(dú)摻入膨脹劑也不利于混凝土的流動(dòng)性,但摻量為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度最高,隨著膨脹劑摻量的增加,混凝土的收縮變形逐漸降低。

        (3)復(fù)摻減縮劑和膨脹劑時(shí),能夠進(jìn)一步降低混凝土的收縮變形,同時(shí)維持較好的流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)各指標(biāo)的對(duì)比,得出復(fù)摻2%減縮劑+10%膨脹劑的組合為最佳方案。

        參考文獻(xiàn)

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        收稿日期:2023-04-16

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