偏高嶺土和稻殼灰對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能影響

黃 薇

(宜春交通投資集團(tuán)有限公司，江西 宜春 336000)

自密實(shí)混凝土是一種高流動性混凝土，澆筑過程中無需振搗，在自重作用下能夠自由填充模板[1].與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土需要添加大量的水泥作為填料，以改善混凝土的流動性，而水泥在制造過程中會產(chǎn)生大量廢氣，這會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2].

偏高嶺土由高嶺土高溫煅燒脫水形成，具有較高的火山灰活性，其主要成分為Al2O3和SiO2，在常溫常壓下即可與水泥水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H等水化產(chǎn)物.Erhan等發(fā)現(xiàn)偏高嶺土替代一定比例水泥可以顯著提高混凝土強(qiáng)度[3].稻殼作為稻谷的副產(chǎn)品，燃燒后稻殼灰可以作為水泥基材料的礦物摻合料[4].武肖雨等的研究表明，將稻殼灰摻入混凝土中可以有效改善混凝土性能，降低混凝土成本[5].王收等認(rèn)為稻殼灰提高混凝土強(qiáng)度的原因在于微集料效應(yīng)和二次水化反應(yīng)，當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?0%時，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值[6].

綜上所述，偏高嶺土和稻殼灰在普通混凝土中的應(yīng)用已有大量研究，但是目前關(guān)于偏高嶺土和稻殼灰同時作為水泥替代物在自密實(shí)混凝土中協(xié)同使用的研究較少.因此，本文以5%、10%、15%的偏高嶺土和10%、15%、20%的稻殼灰替代部分水泥，分別研究偏高嶺土和稻殼灰對新拌自密實(shí)混凝土工作性和不同齡期自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響，以期為偏高嶺土和稻殼灰在自密實(shí)混凝土中的工程化應(yīng)用提供參考.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5 級水泥，其性能參數(shù)如表1所示.偏高嶺土選用山西忻州某公司生產(chǎn)的偏高嶺土.稻殼灰選取廊坊市某生物質(zhì)能發(fā)電廠在600～800 ℃內(nèi)焚燒的稻殼灰.水泥、偏高嶺土和稻殼灰的化學(xué)組成如表2所示.細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.65的天然河砂，表觀密度2 860 kg/m3.粗骨料為卵石，表觀密度2 620 kg/m3，最大粒徑為9.5 mm.外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，密度為0.62 g/cm3，pH值為10.水為自來水.

1.2 試驗(yàn)方案

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的偏高嶺土和10%、15%、20%的稻殼灰替代部分水泥，分別研究偏高嶺土和稻殼灰對新拌自密實(shí)混凝土工作性和不同齡期自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)水膠比為0.55，具體的配合比如表3所示.

表3 自密實(shí)混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

按照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和EFNARC UK—2002 Specification and Guidelines for Self-compacting Concrete，通過坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、J環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)、V型漏斗試驗(yàn)和和L型儀試驗(yàn)對新拌自密實(shí)混凝土的工作性進(jìn)行測試，并對養(yǎng)護(hù)28 d自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 新拌自密實(shí)混凝土的工作性

新拌自密實(shí)混凝土的工作性能參數(shù)見表4，可以看出：隨著偏高嶺土和稻殼灰替代水泥比例的增加，J環(huán)擴(kuò)展度和L型儀試驗(yàn)值均逐漸減小，新拌混凝土通過V型漏斗的時間逐漸增加，表明隨著偏高嶺土和稻殼灰的摻入，自密實(shí)混凝土的和易性逐漸降低.這是由于偏高嶺土和稻殼灰均具有較高的比表面積和反應(yīng)活性，其會吸附更多的自由水，進(jìn)而減小了新拌混凝土的流動性.此外，隨著偏高嶺土和稻殼灰替代水泥比例的增加，新拌混凝土的含氣量基本保持不變.

表4 新拌自密實(shí)混凝土工作性測試結(jié)果

2.2 硬化自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖1為單摻偏高嶺土和稻殼灰自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，可以看出：偏高嶺土替代水泥時，自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著偏高嶺土替代比例的增加而增加，與對照組C0的抗壓強(qiáng)度(41.6 MPa)相比，C3組的抗壓強(qiáng)度(51.2MPa)提高了23.1%，分析其原因是因?yàn)槠邘X土在膠凝體系中發(fā)揮了較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，形成了較為穩(wěn)定的水化產(chǎn)物，改善了自密實(shí)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了其強(qiáng)度；當(dāng)?shù)練せ姨娲鄷r，隨著稻殼灰替代率的增加，自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，與對照組C0相比，C4組的抗壓強(qiáng)度(43.4 MPa)提高了4.3%，C5組和C6組的抗壓強(qiáng)度均低于對照組，表明當(dāng)?shù)練せ姨娲悦軐?shí)混凝土中的水泥的比例超過10%時，會對其強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.

圖1 偏高嶺土和稻殼灰單摻對自密實(shí)混凝土 抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻后自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，可以看出：復(fù)摻后的自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均大于對照組C0，說明通過偏高嶺土和稻殼灰同時替代水泥，可以顯著提高自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，且當(dāng)偏高嶺土和稻殼灰替代水泥的比例分別為10%時，28d抗壓強(qiáng)度最大，與C0組相比，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了26.6%；但是當(dāng)偏高嶺土替代水泥的比例一定時，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著稻殼灰替代水泥比例的增加而減小，究其原因是因?yàn)榈練せ抑泻写罅康腟iO2，具有較好的火山灰活性；當(dāng)摻量適當(dāng)時，水泥熟料水化后生成的氫氧化鈣能促進(jìn)火山灰反應(yīng)；當(dāng)摻量過多時，未反應(yīng)或殘留的稻殼灰在硅酸鹽沉淀中分層，導(dǎo)致水泥砂漿整體性降低，從而降低其抗壓強(qiáng)度[7-9].

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為單摻偏高嶺土和稻殼灰自密實(shí)混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，可以看出：摻加偏高嶺土的自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均大于未摻偏高嶺土的自密實(shí)混凝土，且隨著偏高嶺土摻量的增加，自密實(shí)混凝土的劈裂抗壓強(qiáng)度逐漸增加；相比于對照組C0，偏高嶺土替代水泥的比例為5%、10%、15%時，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了7.7%、15.5%、26.9%；自密實(shí)混凝土的劈裂抗壓強(qiáng)度隨著稻殼灰的摻入逐漸減小，但是C4組和C5組的劈裂抗壓強(qiáng)度仍大于對照組，說明適量摻入稻殼灰有利于提高自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度.

圖2 偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻對自密實(shí)混凝土 抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 偏高嶺土和稻殼灰單摻對自密實(shí)混凝土 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4為偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻后自密實(shí)混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，由圖4可知，偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻后自密實(shí)混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和復(fù)摻后混凝土的抗壓強(qiáng)度具有相同的變化趨勢.復(fù)摻后的自密實(shí)混凝土的28d劈裂抗拉強(qiáng)度均大于對照組C0，說明通過偏高嶺土和稻殼灰同時替代水泥，可以顯著提高自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度.當(dāng)偏高嶺土的摻量為5%時，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著稻殼灰摻量的增加先增加后減??；當(dāng)偏高嶺土的摻量為10%和15%時，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著稻殼灰替代水泥比例的增加而減小，其中偏高嶺土和稻殼灰的替代水泥的比例均為10%時，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最大.這是因?yàn)楫?dāng)偏高嶺土和稻殼灰的摻量較小時，二者均具有較好的火山灰活性和填充效應(yīng)，可以有效提高漿體和界面過渡區(qū)的密實(shí)度，但是當(dāng)摻量過大時，漿體中會夾雜未反應(yīng)的稻殼灰薄弱層，這會對自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度造成不利影響[10].

圖4 偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻對自密實(shí)混凝土 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 微觀結(jié)構(gòu)SEM電鏡分析

通過掃描電鏡觀察空白對照組C0及偏高嶺土和稻殼灰復(fù)摻自密實(shí)混凝土，微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示，可以看出：圖5(a)中對照組C0有大量的孔隙，水泥水化產(chǎn)物較為稀疏；而圖5(b)～(f)中的膠凝材料水化產(chǎn)物較致密，這也是復(fù)摻偏高嶺土和稻殼灰后自密實(shí)混凝土強(qiáng)度顯著增加的原因；圖5(c)中形成的C-S-H凝膠致密且明顯分散，微觀結(jié)構(gòu)變得更加均勻和致密，這表現(xiàn)為C10組的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最大；對比圖5(d)～(e)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)練せ姨娲嗟谋壤^10%時，未反應(yīng)或殘留的稻殼灰在硅酸鹽沉淀中分層，微觀結(jié)構(gòu)中存在細(xì)小的孔隙，導(dǎo)致水泥砂漿整體性降低，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[9].

3 結(jié)論

1) 自密實(shí)混凝土的和易性隨著偏高嶺土和稻殼灰的摻入逐漸降低，含氣量基本保持不變.

2) 隨著偏高嶺土替代比例的增加，自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加；稻殼灰替代水泥的比例超過10%時，會對自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.

3) 偏高嶺土和稻殼灰同時替代水泥，可以顯著提高自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)偏高嶺土和稻殼灰替代水泥的比例均為10%時，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最大.

4) 自密實(shí)混凝土中摻加適量的偏高嶺土和稻殼灰可以有效改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增加混凝土密實(shí)度，進(jìn)而改善其力學(xué)性能.

圖5 摻加偏高嶺土和稻殼灰的自密實(shí)混凝土微觀結(jié)構(gòu)