徐世烺,葛 唯

(浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥混凝土,广泛应用于大坝、公路等基础建设。经过20多年的发展,富胶凝材料高掺粉煤灰碾压混凝土已成为中国碾压混凝土筑坝技术的特色。近年来粉煤灰日益短缺,工程上常用石灰石粉替代部分粉煤灰。但高掺量石灰石粉会导致粉煤灰二次水化效应减弱、混凝土后期强度发展受到限制,甚至会严重降低混凝土强度,对抗裂性能发展不利[1]。开裂是影响碾压混凝土耐久性的重要因素,如何提高碾压混凝土的抗裂性能已成为碾压混凝土工程技术发展中的一项重大课题。

碾压混凝土的开裂主要是由混凝土中拉应力超过抗拉强度或拉伸应变超过极限拉伸值引起。影响混凝土抗裂性能的因素很多,主要包括混凝土的强度、弹性模量、徐变、线膨胀系数、水化温升和自身体积变形等[2]。文献[3]提出,抗裂性能较好的混凝土应具有抗拉强度较高、极限拉伸值较大、弹性模量较低、干缩率较小、绝热温升较小等特点。

关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)纤维具有高抗拉强度和高弹性模量,可通过掺入PVA纤维提高混凝土的抗裂性能和弯曲韧性[4]。HLC外加剂具有高效减水、缓凝、引气、保塑、微膨胀及早强增强等功能,掺入HLC外加剂可在早期有效补偿混凝土干缩以提高材料抗裂性能[5]。此外,硅灰具有高火山活性,广泛应用于高强混凝土的配制,对提高混凝土抗裂性也有一定的优越性,但硅灰在碾压混凝土中的应用研究甚少。本文从掺合料层面,提出将石灰石粉和高活性掺合料硅灰混合使用,替代粉煤灰应用于碾压混凝土,针对硅灰和石灰石粉对碾压混凝土抗裂性能的影响作进一步探讨。

1 配合比设计

原材料:水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥,细骨料采用普通河砂,粗骨料采用一级配石子,粒径在5～20 mm之间；掺合料采用Ⅱ级粉煤灰、粒径小于0.016 mm的石灰石粉和埃肯硅灰；外加剂采用聚羧酸高效减水剂。

表2 立方体试件劈拉强度、抗压强度和拉压比

配合比:据相关文献资料显示,目前石粉掺量大约控制在掺合料总量的50%,硅灰掺量控制在胶凝材料的5%左右[6-7]。本次试验配合比见表1,水胶比均为0.5,减水剂掺量为0.75%,掺合料总量为40%,分别是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 碾压混凝土试验配合比

2 抗拉强度

碾压混凝土的抗拉强度主要与水泥浆的抗拉能力及水泥浆与骨料的胶结能力有关。在其他条件相同的情况下,碾压混凝土的抗拉强度越大,其抗裂能力越强。试验采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件测定劈拉强度,试验结果见表2。3组试件劈拉强度随龄期的增长,抗裂性能逐渐提高,其中LF试件的劈拉强度在各个龄期都处于最低值,这表明其抗裂性能最弱。加入硅灰后,早期LSF试件的劈拉强度最高,后期SF试件的劈拉强度最高,充分体现了硅灰对提高抗裂性能的重要作用。在90 d龄期时,LSF试件和LF试件的劈拉强度分别为2.66 MPa和2.10 MPa,LSF试件的混凝土劈拉强度提高了26.67%。

以上结果说明,石灰石粉对碾压混凝土材料后期劈拉强度发展不利,硅灰在提高碾压混凝土材料劈拉强度方面具有一定的优越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾压混凝土中加入硅灰,既能解决粉煤灰匮乏的现实问题,又能有效提高抗裂性能,具有一定的经济性和重要的工程意义。

3 拉压比

拉压比为劈拉强度与抗压强度的比值,拉压比越大,混凝土材料的韧性越好,抗裂性能越好[8]。通过测定3组150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件的抗压强度(表2),并根据抗压试验和劈拉试验结果,计算得出3组试件在7 d、28 d、90 d龄期时的拉压比,结果见表2。由表2可知，拉压比随龄期的延长呈增长趋势,其中LF试件的增长幅度最大,90 d龄期时3组试件拉压比接近。单从拉压比的角度看,3组试件具有相近的较好的长期抗裂性能，但早期LSF试件的拉压比为6.31%,比LF试件高30.4%。早期抗裂性能的提高是保证后期耐久性的重要基础,因此硅灰的加入能够弥补石灰石粉早期抗裂性能不利的缺陷,提高碾压混凝土材料整体耐久性能。

4 弹强比

弹性模量是指混凝土产生单位变形所需要的应力,弹性模量取决于骨料本身的弹性模量及混凝土的灰浆率(即单位体积碾压混凝土中水泥浆体的质量分数)。静弹性模量试验采用∅150 mm×300 mm的圆柱体试件,试验结果见表3。弹强比是指混凝土的弹性模量与其抗压强度之比,也是迄今为止混凝土抗裂性能评价时使用最广泛的指标。弹强比越小,混凝土的抗裂能力越强[9],3组试件各龄期的弹强比见表3。3组试件的弹强比随龄期的增长总体呈下降趋势,SF试件下降速度最快,LSF试件次之,并且最终这两组试件的弹强比都小于LF试件。这说明掺有硅灰的试件具有更好的抗裂性能,石灰石粉在一定程度上阻碍了试件抗裂性能的提高。90 d龄期时,LSF试件弹强比为1 026,比LF试件低16.2%,充分体现了在石灰石粉-粉煤灰系碾压混凝土中加入硅灰能够有效提高长期抗裂性能。

表3 弹性模量、弹强比试验结果

5 微观分析

各组试件标准养护7 d、28 d、90 d后进行试验,试验后选取核心样品用酒精浸泡停止水化,烘干后保存。采用高真空扫描电镜(SEM)观测碾压混凝土材料水化产物及微观结构形态。采用Micromeritics Autopore IV 9510压汞仪测量分析试件的孔隙结构,采用TA-Q500热重分析仪测量试件在不同龄期下的热稳定性能,并通过Ca(OH)2定量分析解释材料宏观性能。

图1 LF试件各龄期水化产物形态

图2 SF试件各龄期水化产物形态

图3 LSF试件各龄期水化产物形态

5.1 SEM分析

3组配合比的试件在各龄期的水化产物微观形态如图1～3所示。随着龄期的增长,水化产物的微观结构密实程度逐渐提高。相同龄期下,LF试件的密实度相对较小,这与掺合料的活性以及反应机理有关。石灰石粉的晶核效应对水泥水化有一定的促进作用,但石灰石粉活性非常低,导致早期生成C-S-H凝胶较少,无法有效填充钙钒石晶体间的孔隙。另外,石灰石粉的存在会阻碍钙矾石(AFt)向单硫型水化硫铝酸钙(AFm)的转化[10],导致LF试件中存在大量的钙矾石。石灰石粉主要化学成分CaCO3不与Ca(OH)2发生化学反应,导致LF试件中有较多的Ca(OH)2晶体。这些因素都不利于LF试件早期抗裂性能的发展。

加入5%的硅灰后,SF、LSF两组试件的微观结构密实程度都高于LF试件,一定程度反映了其力学性能和抗裂性能也较好。这是由于硅灰具有高火山灰活性,不仅能在早期促进硅酸三钙(3CaO·SiO2)水化,还能吸收水泥水化产物Ca(OH)2,同时生成较多的C-S-H凝胶,不断填充钙钒石晶体间的微观孔隙,提高材料的微观结构密实程度,使界面过渡区的黏结力增强,宏观性能得到改善[11-12]。李建权等[13]研究发现,硅灰与Ca(OH)2的反应分布较均匀,除发生在界面区域还发生在浆体的毛细结构中,优化了孔隙结构。由此可见,掺有石灰石粉的碾压混凝土材料微观结构相对疏松,硅灰的加入能够优化水化产物结构,提高材料密实度,从而增强材料的抗裂性能。

5.2 孔隙结构

压汞试验进行孔隙分析时,根据半径在(ri,ri+dri)占据的孔隙部分等于水银在压力(pi,pi+dpi)下浸入的体积增量ΔVi,可得到不同掺量粉煤灰混凝土的孔径分布情况[14]。按照我国学者吴中伟的研究结论,根据孔级配和孔隙率2个因素,划分出不同影响的孔级:无害孔级(<20 nm)、少害孔级[20 nm，50 nm)、有害孔级[50 nm，200 nm)、多害孔级(≥200 nm)[15]。不同龄期时3组试件孔隙参数见表4。

表4 不同龄期时碾压混凝土孔隙参数

随着龄期的增长,3组配合比的碾压混凝土材料水化产物增多,相同配合比下养护时间越长,微观结构越密实。由表4可知,相同龄期时,随着硅灰的掺入,[50 nm，200 nm)区段内的孔隙体积显著降低,LSF试件最低,其中28 d及90 d龄期时更为显著,LSF试件在该区段内的孔隙体积仅为LF试件的39%及23%。3组试件在[20 nm，50 nm)和孔径大于或等于200 nm区段内的孔隙体积变化都不够明显。但90 d龄期时,LSF试件的多害孔体积最小,体现出LSF试件具备更优的孔结构。由此可知,当同时掺入石灰石粉和硅灰时,材料孔隙直径显著降低,有害孔隙得到明显改善,对于提升材料抗裂性能具有积极影响。硅灰的加入和养护龄期的延长,提高了水泥、粉煤灰等胶凝材料的水化程度,生成水化硅酸钙凝胶填充微观结构中较大的毛细孔孔隙,优化了孔隙结构。

通过孔隙率对比分析可知,7 d龄期时LSF试件的孔隙率最大,90 d龄期时LSF试件的孔隙率最小。这是因为石灰石粉和硅灰的复合火山灰效应[16]加快了水泥水化速度,早期生成大量含有孔径小于20 nm的胶凝孔的水化硅酸钙,提高了孔隙率,但该孔径范围的孔隙不会对材料宏观力学性能和耐久性带来负面影响[17-18]。后期水化反应充分完成,孔隙率最小说明孔结构得到优化,微观结构更加致密,再次证明抗裂性能得到提高。

5.3 热重分析

水泥水化产物Ca(OH)2会导致材料有害孔隙增多,削弱骨料与界面的黏结程度,降低材料整体力学性能和抗裂性能。图4为LF、SF、LSF试件分别在7 d、28 d和90 d龄期时的微分热重曲线,观察可知各组试件微分热重曲线形态相似,主要有3个失重峰,分别在80～120℃区间、400℃和700℃附近。400℃附近的失重峰主要由Ca(OH)2受热分解失去结构水引起,Ca(OH)2质量分数越大,质量损失越多。高翔[19]在相关研究中提出可以根据失重波峰(380～430℃)对应的面积计算得到各组样品中的Ca(OH)2质量分数,结果见表5。

图4 3组试件不同龄期下的微分热重曲线

编号Ca(OH)2质量分数/%7d28d90dLF1.282.680.90SF1.121.240.72LSF1.372.550.93

由表5可知7 d、28 d及90 d龄期时各组试件中Ca(OH)2质量分数具有相似的变化规律,LF试件与LSF试件接近,SF试件最低,其中90 d龄期时由于水化反应充分,3组试件中Ca(OH)2质量分数较其他龄期时显著降低。SF试件中的Ca(OH)2质量分数一直最低,说明硅灰能够消耗Ca(OH)2,提高微观结构的密实度,从水化产物层面对材料性能进行优化。早期石灰石粉的主要成分CaCO3不与Ca(OH)2反应,导致LF试件和LSF试件中的Ca(OH)2质量分数较高。LF试件和LSF试件Ca(OH)2质量分数相近,但结合电镜和压汞分析结果得知两者水化程度不同,LSF试件的水化程度明显高于LF试件,因此LSF试件具有更高的抗裂性能。

6 结 论

本文主要以劈拉强度、拉压比、弹强比等指标评估了两种掺合料(20%石灰石粉和5%硅灰)单独或同时等量替代粉煤灰时对碾压混凝土材料抗裂性能的影响,并通过微观结构观测、孔隙分析、Ca(OH)2定量分析等方法从微观角度为混凝土材料宏观性能提供理论依据。具体结论如下:

a. 宏观性能方面,掺合料总量为40%时,在掺有石灰石粉和粉煤灰的碾压混凝土中加入5%的硅灰,可有效提高抗裂性能。具体表现为与石灰石粉-粉煤灰系碾压混凝土相比,加入硅灰后的碾压混凝土具有较高的劈拉强度、拉压比和较低的弹强比。

b. 由微观机理分析可知,石灰石粉和硅灰都能够促进水泥水化,但硅灰的活性大,促进效果更加明显,两者微观结构也相差很大。双掺石灰石粉和粉煤灰的碾压混凝土材料在水化过程中含有大量CaCO3和Ca(OH)2,影响界面过渡区的黏结力和整体微观结构密实度。硅灰的加入能够降低水化产物中Ca(OH)2质量分数,优化孔结构,提高材料密实度,增强材料的宏观性能。

c. 从工程应用的角度看,由于石灰石粉对碾压混凝土材料后期劈拉强度发展不利,硅灰在提高碾压混凝土材料劈拉强度方面具有一定的优越性。在石灰石粉-粉煤灰系碾压混凝土中加入硅灰,既能充分利用石灰石粉解决粉煤灰匮乏的现实问题,又能有效弥补石灰石粉长期抗裂性能不足的缺陷,具有一定的经济性和重要的工程意义。

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