許 影,郎劍雷,陶曉峰

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 湖州 313000;2.浙江大東吳集團建設(shè)有限公司,浙江 湖州 313000;3.浙江大東吳集團建材構(gòu)配件有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

自密實混凝土(SCC)是在施工中無需機械或人工振搗,僅憑自身重力作用即可自動填充模板包裹鋼筋達到均勻密實狀態(tài)的混凝土,也稱自流平混凝土[1]。自密實混凝土的特點是高流動性和高穩(wěn)定性,能保持均勻密實穩(wěn)定的同時兼具流速,工作性能優(yōu)異,特別適合配筋密集、形狀復(fù)雜、不便振搗的混凝土工程中。自密實混凝土簡化了混凝土現(xiàn)場澆筑施工工藝,不需要振搗密實[2],減少了混凝土振搗過程中產(chǎn)生的噪聲污染,還能節(jié)省大量人工成本,以及機械振搗所消耗的電能和設(shè)備成本。

高強自密實混凝土是一種新型建筑材料,除具有自密實性能外,還具有較高的強度,因而在高速公路、橋梁、隧道、高層建筑、地下室、水壩、水庫等工程中應(yīng)用廣泛。要達到適宜的工作性能,滿足自密實性,配制自密實混凝土需要用到大量的膠凝材料,摻入適量的礦物摻合料有利于混凝土品質(zhì)的改善和提高[3]。粉煤灰和礦粉是常見的礦物摻合料,配制自密實混凝土?xí)r,利用粉煤灰和礦粉等礦物摻合料替代部分水泥,減少水泥用量,具有較高的經(jīng)濟和社會效益[4]。硅灰也是較常見的礦物摻合料,雖然其應(yīng)用成本高于粉煤灰和礦粉,但少量硅灰使用能顯著改善混凝土工作性能和力學(xué)性能,在配置自密實高強混凝土?xí)r能起到特殊作用。

本研究在總膠量為530 kg,粉煤灰占總膠量的15%(質(zhì)量分數(shù),下同),礦渣占總膠量25%的情況下,再分別以總膠量3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%的硅灰等質(zhì)量替換水泥,研究硅灰摻量對自密實高強混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:南方PO52.5水泥。外加劑:TS-20聚羥酸高性能減水劑,減水率29.5%。粉煤灰:Ⅰ級粉煤灰。礦粉:S105礦粉。石子:5～10、10～20 mm碎石,湖州新開元碎石有限公司。砂子:細度模數(shù)3.0。水:實驗室自來水。硅灰:河南鉑潤鑄造材料有限公司5 000目硅灰。

1.2 試驗配合比

根據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和目標(biāo)自密實高強混凝土性能指標(biāo)要求,進行自密實混凝土配合比設(shè)計計算,得到初步配合比。然后根據(jù)初步配合比,試拌混凝土拌合物,根據(jù)試拌混凝土的工作性能和力學(xué)性能調(diào)整初步配合比得到基準配合比。再在基準配合比基礎(chǔ)上調(diào)整參數(shù),確定試驗配合比。膠凝材料總量為530 kg,配比為粉煤灰占總膠量15%,礦渣占總膠量25%,水泥占總膠量60%,然后分別用3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%的硅灰等質(zhì)量替換水泥。摻合料復(fù)摻方案及試驗配合比如表1—2所示。

表1 摻合料復(fù)摻方案 單位:%

表2 混凝土試驗配合比 單位:kg

1.3 試驗執(zhí)行規(guī)范

本次試驗配合比設(shè)計和試驗方法參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行,具體為:配合比根據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》設(shè)計;混凝土拌合物工作性能試驗根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行。硬化混凝土立方體抗壓強度試驗按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》規(guī)定進行。

2 結(jié)果分析與討論

根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》,試驗結(jié)果如表3—5所示。

表4 工作性能1 h損失試驗結(jié)果 單位:mm

2.1 工作性能試驗結(jié)果與分析

2.1.1 擴展時間試驗結(jié)果

由表3—4和圖1可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,擴展時間分別為5.3、5.0、4.6、4.8、5.0 s,平均值為4.94 s?？梢?隨著硅灰摻量的增加,擴展時間先減小后增大,適量的硅灰摻量能增加流速,縮小擴展時間,但當(dāng)硅灰摻量超過一定限度時反而會減小流速,增大擴展時間。

圖1 硅灰替換水泥對擴展時間的影響

從1 h之后的擴展時間損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,擴展時間損失分別為-1.5、-1.3、-1.0、-1.9、-3.0 s?？梢?當(dāng)硅灰摻量為9.0%時,1 h擴展時間損失最大;當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展時間損失最小。

2.1.2 擴展度試驗結(jié)果

由表3—4和圖2可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,擴展度分別為750 mm、745 mm、740 mm、745 mm、755 mm,平均值為747 mm?？梢?隨著硅灰摻量的增加,擴展度先減小后增大。通過摻加硅灰,混凝土擴展度都變得更好,都明顯高于目標(biāo)配制擴展度(680～720 mm)。但擴展度也不能太大,當(dāng)擴展度太大時,混凝土拌合物黏聚性不佳,易產(chǎn)生離析泌水現(xiàn)象。

圖2 硅灰替換水泥對擴展度的影響

從1 h之后的擴展度損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,1 h之后擴展度分別為730 mm、735 mm、745 mm、725 mm、705 mm,1 h擴展度損失分別為20 mm、10 mm、-5 mm、20 mm、50 mm?？梢?當(dāng)硅灰摻量為9.0%時,1 h擴展度損失最大;當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展度不但沒有損失,反而還增大5 mm。這一結(jié)果對實際工程意義重大,實際工程中大多采用商品混凝土,商品混凝土由混凝土攪拌站運送至項目工地大都需要長距離運輸,相應(yīng)需要較長運輸時間,因而1 h擴展度更具實際應(yīng)用意義。

2.1.3 坍落度試驗結(jié)果

由表3—4和圖3可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,坍落度分別為265 mm、265 mm、270 mm、260 mm、255 mm,先增大后減小,平均值為263 mm,隨著硅灰摻量的增加,坍落度先增大后減小。

圖3 硅灰替換水泥對坍落度的影響

從1 h之后的坍落度損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,1 h之后坍落度分別為265 mm、265 mm、275 mm、260 mm、255 mm,1 h擴展度損失分別為0 mm、0 mm、-5 mm、0 mm、0 mm?？梢?隨著硅灰摻量的增加,1 h坍落度幾乎沒有損失,甚至在硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度不但沒有損失,反而還增大5 mm。

綜上所述:(1)隨著硅灰摻量的增加,擴展時間先減小后增加,適量的硅灰摻量能增加流速,縮短擴展時間,當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,擴展時間最小,1 h后擴展時間損失最小。(2)隨著硅灰摻量的增加,擴展度先減小后增大,適量的硅灰摻量能增加擴展度。當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展度不但沒有損失,反而還增大5 mm。因此,摻加硅灰對保持擴展度十分有利。(3)隨著硅灰摻量的增加,坍落度先增大后減小,硅灰摻量超過一定限度后,對拌合物坍落度不利。摻加硅灰后,混凝土拌合物1 h坍落度都沒有損失,甚至當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度不但沒有損失,反而還增大5 mm。因此,摻加硅灰對保持坍落度十分有利。(4)綜合擴展時間(T500)、擴展度(SF)、坍落度(S)試驗結(jié)果,對本試驗而言,工作性能最優(yōu)硅灰替換水泥量為6.0%。

2.1.4 工作性能試驗結(jié)果分析

硅灰也稱硅煙或硅粉,是鋼廠和鐵合金廠生產(chǎn)硅鋼和硅鐵時產(chǎn)生的一種煙塵。球狀硅灰的顆粒粒徑遠遠小于水泥顆粒粒徑,混凝土中加入硅灰能進一步改善顆粒級配,它們在水泥顆粒間起到“滾珠”作用,使水泥漿體的流動性增加;同時,由于硅灰粉微粒可以填充水泥顆?？障?將這些空隙中的填充水置換出來,使其成為自由水,從而使混凝土混合料的流動性大大增加[5]。由于硅灰顆粒極細,比表面積大,其需水量高于水泥(大約為普通水泥的130%～150%),因而當(dāng)硅灰摻量超過一定限度后,需水量的增大反而會減小混凝土拌合物的流動性。此外,當(dāng)混凝土中摻入硅灰后,由于硅灰需水量的增大,會影響到混凝土的其他各種性能,比如造成混凝土自收縮增大。因此,在配制摻硅灰混凝土?xí)r,硅灰的摻量要限制在一定限度之內(nèi)[6]。

2.2 力學(xué)性能試驗結(jié)果與分析

2.2.1 力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表5和圖4可知,G1、G2、G3、G4、G5組混凝土立方體抗壓強度試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質(zhì)量替換水泥,3 d抗壓強度分別為41.4 MPa、42.8 MPa、38.4 MPa、35.6 MPa、32.3 MPa,呈先增大后減小趨勢,平均值為38.1 MPa,替換水泥量為4.5%時達到最大值;7 d抗壓強度分別為56.4 MPa、58.3 MPa、53.1 MPa、51.5 MPa、49.0 MPa,呈先增大后減小趨勢,平均值為53.7 MPa,替換水泥量為4.5%時達到最大值;28 d抗壓強度分別為76.7 MPa、77.8 MPa、74.0 MPa、72.5 MPa、69.7 MPa,平均值為74.1 MPa,呈先增大后減小趨勢,替換水泥量為4.5%時達到最大值。3 d/28 d抗壓強度比分別為0.54、0.55、0.52、0.49、0.46,呈先增大后減小趨勢,平均值為0.512?？梢?摻加硅灰混凝土3 d抗壓強度約達到28 d抗壓強度的一半,隨著硅灰摻量的增加,3 d/28 d抗壓強度值先增大后減小,替換水泥量為4.5%時達到最大值。7 d/28 d抗壓強度比分別為0.74、0.75、0.72、0.71、0.70,平均值為0.72。可見,摻加硅灰7 d抗壓強度約達到28 d抗壓強度的72%,隨著硅灰摻量的增加,7 d/28 d抗壓強度值先增大后減小,替換水泥量為4.5%時達到最大值。當(dāng)硅灰摻量為4.5%時,混凝土28 d抗壓強度最大,前期強度也最高。因此,對本試驗而言,最優(yōu)力學(xué)性能硅灰替換水泥量為4.5%。

圖4 硅灰替換水泥對抗壓強度的影響

表5 力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.2.2 力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

硅灰主要化學(xué)成分是SiO2(占85%～98%),粒徑為0.1～1.0 μm,是水泥顆粒粒徑的1/50～1/100,比表面積約為20～25 m2/g。硅灰具有非常完美的球形狀態(tài),具有極強的火山灰特性,當(dāng)摻入水泥基材料時,硅灰和水接觸,發(fā)生火山灰反應(yīng),改變了漿體的孔結(jié)構(gòu),使結(jié)晶細化,并使其定向程度變?nèi)?。細顆粒的硅灰填充在水泥顆?？障堕g,也使?jié){體更密實。硅灰的摻入還可排除骨料-水泥界面過渡區(qū)中許多較大的孔,使孔結(jié)構(gòu)均勻、密實,具有很好的填充效應(yīng),能提高漿體-集料的黏結(jié)強度,使新拌混凝土的流變性能得到改善,間隙通過性能和混凝土密實度得到很好提高,增大混凝土強度。

3 結(jié)論

(1)適量的硅灰摻加能改善自密實混凝土的工作性能,縮短擴展時間,增加擴展度,加快拌合物流速。當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,擴展時間最短。(2)混凝土中摻加硅灰能明顯提高自密實混凝土拌合物的保坍性能,當(dāng)硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度甚至增加,保坍性能最優(yōu)。(3)硅灰的摻加,能明顯改善自密實混凝土的密實成型性能。摻加硅灰后,混凝土成型更均勻且密實度更高,試塊裝模和脫模都更容易。(4)在自密實混凝土中適當(dāng)摻加硅灰能提高混凝土抗壓強度,但是必須注意其應(yīng)用條件,應(yīng)用前需在實驗室試驗基礎(chǔ)上方可使用。(5)對本試驗而言,最佳工作性能硅灰替換水泥摻量為6.0%,最佳力學(xué)性能硅灰替換水泥摻量為4.5%。