李書明 曾志 劉競(jìng) 鄭新國(guó) 謝永江
(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
自密實(shí)輕骨料混凝土是采用輕粗骨料配制而成的密度小于1 950 kg/m3的一類混凝土,兼具自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的特性[1]。與普通混凝土相比,自密實(shí)輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、抗震性好等特點(diǎn)[2],能夠減輕建筑結(jié)構(gòu)物的重量,優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì),已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)大跨橋梁、高聳建筑中[3-4]。
自密實(shí)輕骨料混凝土于1991 年由日本學(xué)者提出[5],隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)其進(jìn)行了研究。張?jiān)茋?guó)等[6]研究了自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能,發(fā)現(xiàn)輕骨料混凝土隨著拌和時(shí)間的延長(zhǎng)流動(dòng)擴(kuò)展度逐漸減小,隨著剪切流動(dòng)速度的增大抗離析性逐漸降低。郭瑞等[7]研究發(fā)現(xiàn),隨著陶粒摻量的增加,不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量有所降低,抗氯離子滲透性明顯提高,抗早期開裂性能提高。張玉等[8]研究了不同強(qiáng)度等級(jí)高強(qiáng)輕骨料混凝土配制技術(shù),發(fā)現(xiàn)碎石型陶粒是最優(yōu)骨料,水膠比為0.26可使混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa。陳萌等[9]研究了頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土梁的受剪承載力,并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。
粗骨料作為自密實(shí)混凝土的主要組成材料之一,顯著影響自密實(shí)混凝土的性能。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在輕骨料混凝土配制技術(shù)、工作性能、力學(xué)性能、耐久性能等方面,對(duì)于配制不同強(qiáng)度等級(jí)輕骨料混凝土需要選擇什么類型的粗骨料研究較少。本文選用堆積密度分別為500,800 kg/m3的頁(yè)巖陶粒以及堆積密度為1 600 kg/m3的碎石,在相同配合比時(shí),研究粗骨料對(duì)自密實(shí)混凝土和自密實(shí)輕骨料混凝土性能的影響,并采用光學(xué)顯微鏡觀察混凝土的微觀結(jié)構(gòu),揭示粗骨料影響混凝土耐久性能的原因。
水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其他膠凝材料有Ⅰ級(jí)粉煤灰和比表面積為23 000 m2/kg 的硅灰。粗骨料采用粒徑為5~20 mm 連續(xù)級(jí)配的頁(yè)巖陶粒和碎石,主要技術(shù)參數(shù)見表1。砂為天然中砂,細(xì)度模數(shù)為2.5。減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為29%。高分子增稠劑為多糖類。水為自來水。
表1 粗骨料主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中松散體積法設(shè)計(jì)輕骨料混凝土,通過調(diào)整減水劑控制混凝土的坍落擴(kuò)展度為600~630 mm,含氣量為3.0%~4.0%?;炷恋呐浜媳纫姳?,3 組混凝土分別采用堆積密度為500,800,1 600 kg/m3的粗骨料配制而成,配合比編碼分別為500LC,800LC和1600C。
表2 混凝土的配合比 (kg·m-3)
抗壓強(qiáng)度、彈性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試,測(cè)試抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,測(cè)試彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。
塑性收縮、干燥收縮、抗凍性能、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》測(cè)試,其中抗凍性能采用快凍法測(cè)得。
微觀形貌采用上海研潤(rùn)科技公司生產(chǎn)的HMASD1000 維氏顯微硬度儀觀察。試件尺寸為60 mm×60 mm×30 mm,由100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件切割而成。
采用不同堆積密度粗骨料配制的混凝土,其密度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量見圖1。
圖1 粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響
由圖1(a)可知:隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,在28 d 以前混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)比較顯著,28 d之后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩;相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下,隨著粗骨料堆積密度的增大,混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3,7,28,56,90 d時(shí),500LC 輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為32.7,40.8,52.6,54.7,58.1 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC40級(jí);800LC 輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為45.4,49.6,71.7,72.3,75.6 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d 混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC60 級(jí);1600C 普通碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為49.0,61.7,78.3,80.2,82.8 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C70。
由圖1(b)可知,隨著粗骨料堆積密度的增大,混凝土的密度和彈性模量均逐漸增大。當(dāng)粗骨料堆積密度分別為500,800,1 600 kg/m3時(shí),混凝土的密度分別為1 824,1 940,2 436 kg/m3,彈性模量分別為27.5,30.4,40.0 GPa。這是因?yàn)?,隨著粗骨料堆積密度的增大,粗骨料的強(qiáng)度增大,造成混凝土的密度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增大。因此,配制不同強(qiáng)度等級(jí)的輕骨料混凝土應(yīng)選用不同堆積密度的粗骨料,選用800 kg/m3的粗骨料配制的LC60 級(jí)輕骨料混凝土,與同配比的普通混凝土相比,密度降低20.4%,彈性模量降低24%;選用500 kg/m3的粗骨料配制的LC40 級(jí)輕骨料混凝土,與同配比的普通混凝土相比,密度降低25.1%,彈性模量降低31.3%。這表明,在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用輕骨料混凝土?xí)r,除了利用輕骨料混凝土帶來的重量降低之外,還需要關(guān)注彈性模量降低引起的結(jié)構(gòu)剛度變化。
按照養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以將混凝土收縮分為早期塑性收縮和后期干燥收縮,收縮大小直接影響混凝土的抗開裂性能。采用不同堆積密度粗骨料配制的混凝土,其塑性收縮和干燥收縮見圖2。
由圖2(a)可知,粗骨料對(duì)混凝土塑性收縮的影響較大,采用普通碎石混凝土的塑性收縮顯著大于輕骨料混凝土的,而采用堆積密度分別為500,800 kg/m3的頁(yè)巖陶粒配制的輕骨料混凝土的塑性收縮基本相當(dāng)。普通混凝土和輕骨料混凝土塑性收縮隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律顯著不同,普通混凝土塑性收縮曲線呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化規(guī)律:在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為0~6 h 時(shí),塑性收縮隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大,之后增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。輕骨料混凝土的塑性收縮曲線呈現(xiàn)出三個(gè)階段的變化規(guī)律:第一階段對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間0~6 h,塑性收縮逐漸增大,并且500LC 輕骨料混凝土此階段的塑性收縮略小于800LC 輕骨料混凝土;第二階段對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間6~12 h,塑性收縮進(jìn)入緩沖區(qū),在此階段,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),塑性收縮略有降低;第三階段為12 h以后,塑性收縮又隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。
圖2 粗骨料對(duì)混凝土收縮性能的影響
輕骨料是一種多孔材料,拌和時(shí)一部分水儲(chǔ)存其中,這部分水在水泥水化早期逐步釋放出來,供水泥水化使用,起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用,造成輕骨料混凝土塑性收縮較小。但是輕骨料所儲(chǔ)存的水不會(huì)完全釋放出來,相當(dāng)于降低了混凝土的單方用水量,這也是輕骨料混凝土塑性收縮小的原因。普通碎石沒有蓄水功能,塑性收縮相對(duì)較大。因此輕骨料混凝土在凝結(jié)硬化的早期塑性階段具有較好的抗開裂性能,不易出現(xiàn)塑性裂縫。
由圖2(b)可知,粗骨料對(duì)混凝土干燥收縮的影響較大,普通混凝土的干燥收縮小于輕骨料混凝土的,800LC 輕骨料混凝土的干燥收縮略大于500LC 輕骨料混凝土的。500LC,800LC和1600C混凝土養(yǎng)護(hù)28 d的干燥收縮分別為247.5×10-6,264.2×10-6,302.8×10-6,養(yǎng)護(hù) 90 d 的干燥收縮分別為 305.8×10-6,319.2×10-6,362.2×10-6。干燥收縮主要發(fā)生在 28 d 以前,28 d 之后干燥收縮趨緩。
在干燥收縮階段,水泥漿體強(qiáng)度逐漸升高,粗骨料約束漿體變形的作用占主導(dǎo)地位。頁(yè)巖陶粒彈性模量較低,對(duì)水泥漿體的收縮變形約束較小,而碎石彈性模量較高,可以較好地抑制水泥漿體的收縮變形。收縮變形大小是否引起開裂取決于產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大小,而收縮應(yīng)力除了與收縮大小有關(guān)之外,還與混凝土的彈性模量有關(guān),為二者的乘積[10]。粗骨料對(duì)混凝土干燥收縮應(yīng)力的影響見圖3。普通混凝土的干燥收縮較小但是彈性模量很大,所以干燥收縮應(yīng)力更大,開裂風(fēng)險(xiǎn)也更大。
圖3 粗骨料對(duì)混凝土收縮應(yīng)力的影響
抗凍性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。粗骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響見圖4。
圖4 粗骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響
由圖4 可知,粗骨料對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量影響顯著,輕骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失顯著低于普通混凝土的;在輕骨料混凝土中,500LC輕骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失低于800LC 輕骨料混凝土的。普通混凝土在凍融循環(huán)125次以后相對(duì)動(dòng)彈性模量顯著降低,凍融循環(huán)175 次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)175 次之后相對(duì)動(dòng)彈性模量才顯著降低,凍融循環(huán)250 次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為59.5%。500LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)250 次之后相對(duì)動(dòng)彈性模量才逐漸降低,凍融循環(huán)300次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為61.8%。這說明輕骨料混凝土具有較好的抗凍性能,適用于寒冷地區(qū)應(yīng)用環(huán)境。
氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量主要反映混凝土的密實(shí)性,粗骨料對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量的影響見圖5??芍胀ɑ炷恋穆入x子擴(kuò)散系數(shù)與輕骨料混凝土的相當(dāng),800LC 輕骨料混凝土的電通量略低于普通混凝土的及500LC 輕骨料混凝土的。這表明輕骨料混凝土與普通混凝土一樣,具有較高的密實(shí)性,能夠阻止氯離子等腐蝕性離子滲透,適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
圖5 粗骨料對(duì)混凝土擴(kuò)散系數(shù)和電通量的影響
普通混凝土的微觀形貌與輕骨料混凝土的微觀形貌如圖6所示。
圖6 混凝土的微觀形貌
由圖6 可知:在普通混凝土中,碎石結(jié)構(gòu)比較致密,孔洞較少;在輕骨料混凝土中,輕骨料含有大量類似圓形的孔洞,并且這些孔洞多為封閉結(jié)構(gòu),造成輕骨料混凝土強(qiáng)度低且抗凍性好。普通混凝土中骨料與漿體的界面處呈細(xì)小的裂縫狀,界面過渡區(qū)較寬,且比較疏松;輕骨料混凝土中輕骨料與漿體界面處結(jié)合緊密,未見界面裂縫,界面過渡區(qū)比較致密。界面過渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)[11],由此可知,輕骨料混凝土中界面過渡區(qū)引起的薄弱環(huán)節(jié)較少,因此輕骨料混凝土的耐久性優(yōu)于普通混凝土的。
在相同配合比時(shí),改變粗骨料對(duì)混凝土性能的影響如下:
1)隨著粗骨料堆積密度的增大,混凝土的密度逐漸增大,抗壓強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增大;配制LC60級(jí)輕骨料混凝土宜選用堆積密度為800 kg/m3的粗骨料,配制LC40 級(jí)輕骨料混凝土宜選用堆積密度為500 kg/m3的粗骨料。
2)輕骨料混凝土的塑性收縮顯著小于普通混凝土的。普通混凝土的塑性收縮在6 h 以前增長(zhǎng)較快,6 h之后增長(zhǎng)緩慢。輕骨料混凝土的塑性收縮在6 h以前逐漸增大,6~12 h 時(shí)略有減小,之后又緩慢增大。輕骨料混凝土的干燥收縮略大于普通混凝土的。輕骨料混凝土的抗開裂性能優(yōu)于普通混凝土的。
3)輕骨料混凝土的抗凍性能顯著優(yōu)于普通混凝土的;普通混凝土在凍融循環(huán)175次后,相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)250 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量為59.5%;500LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)300次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量為61.8%。輕骨料混凝土的密實(shí)性與普通混凝土的相當(dāng)。
4)輕骨料混凝土中輕骨料與漿體界面處結(jié)合緊密,未見界面裂縫,界面過渡區(qū)比較致密,因此輕骨料混凝土的耐久性能優(yōu)于普通混凝土的。