硅灰和石灰石粉對(duì)碾壓混凝土抗裂性能的影響

徐世烺,葛 唯

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥混凝土,廣泛應(yīng)用于大壩、公路等基礎(chǔ)建設(shè)。經(jīng)過20多年的發(fā)展,富膠凝材料高摻粉煤灰碾壓混凝土已成為中國碾壓混凝土筑壩技術(shù)的特色。近年來粉煤灰日益短缺,工程上常用石灰石粉替代部分粉煤灰。但高摻量石灰石粉會(huì)導(dǎo)致粉煤灰二次水化效應(yīng)減弱、混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展受到限制,甚至?xí)?yán)重降低混凝土強(qiáng)度,對(duì)抗裂性能發(fā)展不利[1]。開裂是影響碾壓混凝土耐久性的重要因素,如何提高碾壓混凝土的抗裂性能已成為碾壓混凝土工程技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)重大課題。

碾壓混凝土的開裂主要是由混凝土中拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度或拉伸應(yīng)變超過極限拉伸值引起。影響混凝土抗裂性能的因素很多,主要包括混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、徐變、線膨脹系數(shù)、水化溫升和自身體積變形等[2]。文獻(xiàn)[3]提出,抗裂性能較好的混凝土應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度較高、極限拉伸值較大、彈性模量較低、干縮率較小、絕熱溫升較小等特點(diǎn)。

關(guān)于如何提高混凝土抗裂性能,已有一些研究成果。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維具有高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量,可通過摻入PVA纖維提高混凝土的抗裂性能和彎曲韌性[4]。HLC外加劑具有高效減水、緩凝、引氣、保塑、微膨脹及早強(qiáng)增強(qiáng)等功能,摻入HLC外加劑可在早期有效補(bǔ)償混凝土干縮以提高材料抗裂性能[5]。此外,硅灰具有高火山活性,廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土的配制,對(duì)提高混凝土抗裂性也有一定的優(yōu)越性,但硅灰在碾壓混凝土中的應(yīng)用研究甚少。本文從摻合料層面,提出將石灰石粉和高活性摻合料硅灰混合使用,替代粉煤灰應(yīng)用于碾壓混凝土,針對(duì)硅灰和石灰石粉對(duì)碾壓混凝土抗裂性能的影響作進(jìn)一步探討。

1 配合比設(shè)計(jì)

原材料:水泥采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料采用普通河砂,粗骨料采用一級(jí)配石子,粒徑在5～20 mm之間；摻合料采用Ⅱ級(jí)粉煤灰、粒徑小于0.016 mm的石灰石粉和?？瞎杌?；外加劑采用聚羧酸高效減水劑。

表2 立方體試件劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和拉壓比

配合比:據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示,目前石粉摻量大約控制在摻合料總量的50%,硅灰摻量控制在膠凝材料的5%左右[6-7]。本次試驗(yàn)配合比見表1,水膠比均為0.5,減水劑摻量為0.75%,摻合料總量為40%,分別是20%石灰石粉+20%粉煤灰(LF)、5%硅灰+35%粉煤灰(SF)、20%石灰石粉+5%硅灰+15%粉煤灰(LSF)。

表1 碾壓混凝土試驗(yàn)配合比

2 抗拉強(qiáng)度

碾壓混凝土的抗拉強(qiáng)度主要與水泥漿的抗拉能力及水泥漿與骨料的膠結(jié)能力有關(guān)。在其他條件相同的情況下,碾壓混凝土的抗拉強(qiáng)度越大,其抗裂能力越強(qiáng)。試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件測(cè)定劈拉強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表2。3組試件劈拉強(qiáng)度隨齡期的增長,抗裂性能逐漸提高,其中LF試件的劈拉強(qiáng)度在各個(gè)齡期都處于最低值,這表明其抗裂性能最弱。加入硅灰后,早期LSF試件的劈拉強(qiáng)度最高,后期SF試件的劈拉強(qiáng)度最高,充分體現(xiàn)了硅灰對(duì)提高抗裂性能的重要作用。在90 d齡期時(shí),LSF試件和LF試件的劈拉強(qiáng)度分別為2.66 MPa和2.10 MPa,LSF試件的混凝土劈拉強(qiáng)度提高了26.67%。

以上結(jié)果說明,石灰石粉對(duì)碾壓混凝土材料后期劈拉強(qiáng)度發(fā)展不利,硅灰在提高碾壓混凝土材料劈拉強(qiáng)度方面具有一定的優(yōu)越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰,既能解決粉煤灰匱乏的現(xiàn)實(shí)問題,又能有效提高抗裂性能,具有一定的經(jīng)濟(jì)性和重要的工程意義。

3 拉壓比

拉壓比為劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值,拉壓比越大,混凝土材料的韌性越好,抗裂性能越好[8]。通過測(cè)定3組150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度(表2),并根據(jù)抗壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算得出3組試件在7 d、28 d、90 d齡期時(shí)的拉壓比,結(jié)果見表2。由表2可知，拉壓比隨齡期的延長呈增長趨勢(shì),其中LF試件的增長幅度最大,90 d齡期時(shí)3組試件拉壓比接近。單從拉壓比的角度看,3組試件具有相近的較好的長期抗裂性能，但早期LSF試件的拉壓比為6.31%,比LF試件高30.4%。早期抗裂性能的提高是保證后期耐久性的重要基礎(chǔ),因此硅灰的加入能夠彌補(bǔ)石灰石粉早期抗裂性能不利的缺陷,提高碾壓混凝土材料整體耐久性能。

4 彈強(qiáng)比

彈性模量是指混凝土產(chǎn)生單位變形所需要的應(yīng)力,彈性模量取決于骨料本身的彈性模量及混凝土的灰漿率(即單位體積碾壓混凝土中水泥漿體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。靜彈性模量試驗(yàn)采用?150 mm×300 mm的圓柱體試件,試驗(yàn)結(jié)果見表3。彈強(qiáng)比是指混凝土的彈性模量與其抗壓強(qiáng)度之比,也是迄今為止混凝土抗裂性能評(píng)價(jià)時(shí)使用最廣泛的指標(biāo)。彈強(qiáng)比越小,混凝土的抗裂能力越強(qiáng)[9],3組試件各齡期的彈強(qiáng)比見表3。3組試件的彈強(qiáng)比隨齡期的增長總體呈下降趨勢(shì),SF試件下降速度最快,LSF試件次之,并且最終這兩組試件的彈強(qiáng)比都小于LF試件。這說明摻有硅灰的試件具有更好的抗裂性能,石灰石粉在一定程度上阻礙了試件抗裂性能的提高。90 d齡期時(shí),LSF試件彈強(qiáng)比為1 026,比LF試件低16.2%,充分體現(xiàn)了在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰能夠有效提高長期抗裂性能。

表3 彈性模量、彈強(qiáng)比試驗(yàn)結(jié)果

5 微觀分析

各組試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d后進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)后選取核心樣品用酒精浸泡停止水化,烘干后保存。采用高真空掃描電鏡(SEM)觀測(cè)碾壓混凝土材料水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。采用Micromeritics Autopore IV 9510壓汞儀測(cè)量分析試件的孔隙結(jié)構(gòu),采用TA-Q500熱重分析儀測(cè)量試件在不同齡期下的熱穩(wěn)定性能,并通過Ca(OH)2定量分析解釋材料宏觀性能。

圖1 LF試件各齡期水化產(chǎn)物形態(tài)

圖2 SF試件各齡期水化產(chǎn)物形態(tài)

圖3 LSF試件各齡期水化產(chǎn)物形態(tài)

5.1 SEM分析

3組配合比的試件在各齡期的水化產(chǎn)物微觀形態(tài)如圖1～3所示。隨著齡期的增長,水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)程度逐漸提高。相同齡期下,LF試件的密實(shí)度相對(duì)較小,這與摻合料的活性以及反應(yīng)機(jī)理有關(guān)。石灰石粉的晶核效應(yīng)對(duì)水泥水化有一定的促進(jìn)作用,但石灰石粉活性非常低,導(dǎo)致早期生成C-S-H凝膠較少,無法有效填充鈣釩石晶體間的孔隙。另外,石灰石粉的存在會(huì)阻礙鈣礬石(AFt)向單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)的轉(zhuǎn)化[10],導(dǎo)致LF試件中存在大量的鈣礬石。石灰石粉主要化學(xué)成分CaCO3不與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致LF試件中有較多的Ca(OH)2晶體。這些因素都不利于LF試件早期抗裂性能的發(fā)展。

加入5%的硅灰后,SF、LSF兩組試件的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)程度都高于LF試件,一定程度反映了其力學(xué)性能和抗裂性能也較好。這是由于硅灰具有高火山灰活性,不僅能在早期促進(jìn)硅酸三鈣(3CaO·SiO2)水化,還能吸收水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,同時(shí)生成較多的C-S-H凝膠,不斷填充鈣釩石晶體間的微觀孔隙,提高材料的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)程度,使界面過渡區(qū)的黏結(jié)力增強(qiáng),宏觀性能得到改善[11-12]。李建權(quán)等[13]研究發(fā)現(xiàn),硅灰與Ca(OH)2的反應(yīng)分布較均勻,除發(fā)生在界面區(qū)域還發(fā)生在漿體的毛細(xì)結(jié)構(gòu)中,優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)。由此可見,摻有石灰石粉的碾壓混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,硅灰的加入能夠優(yōu)化水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu),提高材料密實(shí)度,從而增強(qiáng)材料的抗裂性能。

5.2 孔隙結(jié)構(gòu)

壓汞試驗(yàn)進(jìn)行孔隙分析時(shí),根據(jù)半徑在(ri,ri+dri)占據(jù)的孔隙部分等于水銀在壓力(pi,pi+dpi)下浸入的體積增量ΔVi,可得到不同摻量粉煤灰混凝土的孔徑分布情況[14]。按照我國學(xué)者吳中偉的研究結(jié)論,根據(jù)孔級(jí)配和孔隙率2個(gè)因素,劃分出不同影響的孔級(jí):無害孔級(jí)(<20 nm)、少害孔級(jí)[20 nm，50 nm)、有害孔級(jí)[50 nm，200 nm)、多害孔級(jí)(≥200 nm)[15]。不同齡期時(shí)3組試件孔隙參數(shù)見表4。

表4 不同齡期時(shí)碾壓混凝土孔隙參數(shù)

隨著齡期的增長,3組配合比的碾壓混凝土材料水化產(chǎn)物增多,相同配合比下養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長,微觀結(jié)構(gòu)越密實(shí)。由表4可知,相同齡期時(shí),隨著硅灰的摻入,[50 nm，200 nm)區(qū)段內(nèi)的孔隙體積顯著降低,LSF試件最低,其中28 d及90 d齡期時(shí)更為顯著,LSF試件在該區(qū)段內(nèi)的孔隙體積僅為LF試件的39%及23%。3組試件在[20 nm，50 nm)和孔徑大于或等于200 nm區(qū)段內(nèi)的孔隙體積變化都不夠明顯。但90 d齡期時(shí),LSF試件的多害孔體積最小,體現(xiàn)出LSF試件具備更優(yōu)的孔結(jié)構(gòu)。由此可知,當(dāng)同時(shí)摻入石灰石粉和硅灰時(shí),材料孔隙直徑顯著降低,有害孔隙得到明顯改善,對(duì)于提升材料抗裂性能具有積極影響。硅灰的加入和養(yǎng)護(hù)齡期的延長,提高了水泥、粉煤灰等膠凝材料的水化程度,生成水化硅酸鈣凝膠填充微觀結(jié)構(gòu)中較大的毛細(xì)孔孔隙,優(yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)。

通過孔隙率對(duì)比分析可知,7 d齡期時(shí)LSF試件的孔隙率最大,90 d齡期時(shí)LSF試件的孔隙率最小。這是因?yàn)槭沂酆凸杌业膹?fù)合火山灰效應(yīng)[16]加快了水泥水化速度,早期生成大量含有孔徑小于20 nm的膠凝孔的水化硅酸鈣,提高了孔隙率,但該孔徑范圍的孔隙不會(huì)對(duì)材料宏觀力學(xué)性能和耐久性帶來負(fù)面影響[17-18]。后期水化反應(yīng)充分完成,孔隙率最小說明孔結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,微觀結(jié)構(gòu)更加致密,再次證明抗裂性能得到提高。

5.3 熱重分析

水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2會(huì)導(dǎo)致材料有害孔隙增多,削弱骨料與界面的黏結(jié)程度,降低材料整體力學(xué)性能和抗裂性能。圖4為LF、SF、LSF試件分別在7 d、28 d和90 d齡期時(shí)的微分熱重曲線,觀察可知各組試件微分熱重曲線形態(tài)相似,主要有3個(gè)失重峰,分別在80～120℃區(qū)間、400℃和700℃附近。400℃附近的失重峰主要由Ca(OH)2受熱分解失去結(jié)構(gòu)水引起,Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,質(zhì)量損失越多。高翔[19]在相關(guān)研究中提出可以根據(jù)失重波峰(380～430℃)對(duì)應(yīng)的面積計(jì)算得到各組樣品中的Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見表5。

圖4 3組試件不同齡期下的微分熱重曲線

編號(hào)Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%7d28d90dLF1.282.680.90SF1.121.240.72LSF1.372.550.93

由表5可知7 d、28 d及90 d齡期時(shí)各組試件中Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有相似的變化規(guī)律,LF試件與LSF試件接近,SF試件最低,其中90 d齡期時(shí)由于水化反應(yīng)充分,3組試件中Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他齡期時(shí)顯著降低。SF試件中的Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直最低,說明硅灰能夠消耗Ca(OH)2,提高微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,從水化產(chǎn)物層面對(duì)材料性能進(jìn)行優(yōu)化。早期石灰石粉的主要成分CaCO3不與Ca(OH)2反應(yīng),導(dǎo)致LF試件和LSF試件中的Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。LF試件和LSF試件Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近,但結(jié)合電鏡和壓汞分析結(jié)果得知兩者水化程度不同,LSF試件的水化程度明顯高于LF試件,因此LSF試件具有更高的抗裂性能。

6 結(jié) 論

本文主要以劈拉強(qiáng)度、拉壓比、彈強(qiáng)比等指標(biāo)評(píng)估了兩種摻合料(20%石灰石粉和5%硅灰)單獨(dú)或同時(shí)等量替代粉煤灰時(shí)對(duì)碾壓混凝土材料抗裂性能的影響,并通過微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)、孔隙分析、Ca(OH)2定量分析等方法從微觀角度為混凝土材料宏觀性能提供理論依據(jù)。具體結(jié)論如下:

a. 宏觀性能方面,摻合料總量為40%時(shí),在摻有石灰石粉和粉煤灰的碾壓混凝土中加入5%的硅灰,可有效提高抗裂性能。具體表現(xiàn)為與石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土相比,加入硅灰后的碾壓混凝土具有較高的劈拉強(qiáng)度、拉壓比和較低的彈強(qiáng)比。

b. 由微觀機(jī)理分析可知,石灰石粉和硅灰都能夠促進(jìn)水泥水化,但硅灰的活性大,促進(jìn)效果更加明顯,兩者微觀結(jié)構(gòu)也相差很大。雙摻石灰石粉和粉煤灰的碾壓混凝土材料在水化過程中含有大量CaCO3和Ca(OH)2,影響界面過渡區(qū)的黏結(jié)力和整體微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度。硅灰的加入能夠降低水化產(chǎn)物中Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù),優(yōu)化孔結(jié)構(gòu),提高材料密實(shí)度,增強(qiáng)材料的宏觀性能。

c. 從工程應(yīng)用的角度看,由于石灰石粉對(duì)碾壓混凝土材料后期劈拉強(qiáng)度發(fā)展不利,硅灰在提高碾壓混凝土材料劈拉強(qiáng)度方面具有一定的優(yōu)越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾壓混凝土中加入硅灰,既能充分利用石灰石粉解決粉煤灰匱乏的現(xiàn)實(shí)問題,又能有效彌補(bǔ)石灰石粉長期抗裂性能不足的缺陷,具有一定的經(jīng)濟(jì)性和重要的工程意義。

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