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抗冲刷桥墩表面损伤修复材料的试验研究

2018-05-31杨洪宽李固华李文强伍威雷景刊朱伟超王雪纯

新型建筑材料 2018年3期
关键词:硅灰减水剂氯离子

杨洪宽,李固华,李文强,伍威,雷景刊,朱伟超,王雪纯

(西南交通大学,四川 成都 611756)

0 前言

处于自然环境下的山区河流桥墩日常不但要遭受流水的冲刷,在雨季时还要遭受来自泥水、流砂的冲刷,这会造成桥墩表面损伤,混凝土表面露沙、露石,保护层厚度降低,甚至外露钢筋等问题。为此,本文以国家重点研发计划项目《复杂环境下轨道交通系统全生命周期能力保持技术》为依托,选用工程水泥基复合材料作为桥墩表面损伤修复材料,这种修复材料应具有优良的抗冲刷性能、抗裂性及密实性。

众所周知,传统混凝土抗拉强度低、韧性差且开裂后裂缝难以控制,基于细观力学和断裂力学理论,美国密西根大学Li教授和麻省理工的Leung教授[1]提出工程水泥基复合材料ECC(Engineered Cementitious Composites),此后工程材料界对其探索不断。研究发现,ECC相比于传统混凝土具有很好的延展性、微裂缝控制能力和应变硬化特性,目前已投入相关方面应用[2]。本文借鉴工程水泥基复合材料配制技术[3],采用超低水胶比,通过调节硅灰、粉煤灰、聚丙烯(PP)纤维及减水剂掺量,采用正交试验研究多因素、多水平下强度、耐磨耗性能、电通量变化规律,配制优良的桥墩表面损伤修复材料。

1 试验

1.1 原材料

水泥:拉法基 P·O42.5;石英砂:20~40目,密度 2.65 g/cm3;硅灰:密度 2.14 g/cm3,0.5~1.0 μm 颗粒占 81.09%,SiO2含量为94.50%;粉煤灰:Ⅱ级,密度2.14 g/cm3;纤维:川维聚丙烯纤维,长6 mm,密度0.91 g/cm3;减水剂:液态聚羧酸减水剂,减水率30%,固含量27%,符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》要求。胶凝材料的主要化学成分如表1所示。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 正交试验设计

根据原材料的基本性能,借鉴ECC配制技术要点[4],经过实验室内试配调整以满足流动性及低水胶比要求,修复材料的基准配合比为:m(水泥)∶m(石英砂)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)=1.00∶1.20∶0.17∶0.20,PP 纤维体积掺量为 1.0%,减水剂掺量占胶凝材料总质量的1.5%,保持水胶比为0.16不变。因硅灰、粉煤灰、PP纤维及减水剂掺量是影响混凝土强度、耐久性的重要因素[5-7],故以此设计L9(34)正交试验,因素水平设计见表2。

表2 正交试验因素水平

1.3 试验方法

拌合方法:为实现修复材料的高密实度,配合比中水胶比极低,常规的试验方法难以搅拌成浆体,甚至无法成型。在ECC的搅拌过程中,关键步骤是保证水泥砂浆基体拌合物的流动性,国内外学者目前多采用后加纤维法进行搅拌,控制搅拌时长在5~20 min[8],为便于对比,本试验采用先加纤维搅拌法,整个搅拌成型时长为5~10 min,试验证明该搅拌方法切实可行。

性能测试方法:强度试验按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行;磨耗试验按照JC/T 421—2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行;抗氯离子渗透试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》,经历试件浇筑、养护、打磨蜡封、真空饱水、电通量测试等环节测试9组试件的6 h电通量。

2 试验结果与分析

正交试验设计和性能测试结果如表3所示。

由表3可见:9组试件的抗折强度均远高于普通混凝土,最低的为12.2 MPa,最高的达到20.1 MPa,这可以在一定程度上反映出材料的抗裂性能良好;抗压强度均高于80 MPa,在80~90 MPa之间,属高强混凝土。

表3 正交试验设计和性能测试结果

2.1 基本力学性能分析

抗折、抗压强度的极差分析见表4,方差分析见表5。

表4 抗折、抗压强度的极差分析

由表4可以看出:硅灰掺量是影响修复材料抗折强度的主要因素,其次是减水剂掺量,达到最大抗折强度的组合是A2B3C3D2;对试件抗压强度影响最大的同样是硅灰掺量,其次是粉煤灰掺量,达到最大抗压强度的组合是A3B2C1D1。

表5 抗折、抗压强度的方差分析

由表5可知,由于纤维掺量的偏差平方和最小,可作为误差项,用于分析各因素对试验结果影响的显著水平。当信度取0.05时,硅灰掺量对抗折和抗压强度都有显著影响,而粉煤灰掺量、纤维掺量和减水剂掺量对结果无显著性影响。

2.2 耐磨耗性能分析

试验中为便于对比,对硫铝酸盐水泥标准胶砂试件进行同样的耐磨性能测试,其磨耗值为8.24 kg/m2。由表3可见,9组试件的磨耗值在0.520~1.627 kg/m2之间,远低于硫铝酸盐水泥标准胶砂试件,足见修复材料的耐磨优势。磨耗值的极差分析见表6,方差分析见表7。

表6 磨耗值的极差分析

由表6可知,在试验取值范围内对试件磨耗值影响最大的是硅灰掺量,其次是粉煤灰掺量,达到最小磨耗值的组合为A1B1C1D2。

表7 磨耗值的方差分析

由表7可知,减水剂掺量的偏差平方和最小,故作为误差项,分析各因素对磨耗值影响的显著水平。当信度取0.10时,硅灰掺量对磨耗值有显著影响,而粉煤灰掺量、纤维掺量和减水剂掺量对结果无显著性影响。

2.3 抗氯离子渗透性能分析

试验结束后发现,9组试件的电通量在76.4~92.8 C之间,试验后将试件取出用重锤敲破,观察到试件内部基本处于干燥状态,如图1所示。

图1 饱水24 h后试件的内部

参照美国ASTM C1202法判据(见表8),当通过的电荷量小于100 C时,混凝土的氯离子渗透性可忽略不计[9],这说明该材料的密实性极好,自然环境下能有效抵抗氯离子的侵蚀。

表8 直流电量法混凝土抗氯离子渗透性分级评定标准

2.4 微观分析

有研究指出[10],通常情况下水胶比越小,电通量越小。以3#试样为例,借助扫描电子显微镜SEM观察其微观结构,特别是各水化物之间尤其是硅灰、粉煤灰与C-S-H之间的结合及PP纤维与水化物之间的结合界面。3#试样水化28 d的微观形貌如图2所示。

图2 3#试样水化28 d的微观形貌

由图2可见,总体看来试件内部密实,无孔隙、裂隙的产生。絮状细密的C-S-H凝胶体密布试件内部形成整体状;球状粉煤灰颗粒表面光滑,反应物很少,说明粉煤灰没有完全参与水化反应,不是强度的主要贡献者,后期还将发挥更好的作用;内部基本看不到片状的Ca(OH)2;PP纤维的嵌入部位未见水泥基体的明显隆起与碎裂,嵌入端无明显间隙,纤维表面水化反应的痕迹明显,纤维很少有被完全拔出的现象;纤维拉断点其直径略微缩小且伴有翻卷松弛现象,说明试件受力后纤维被拉长一段距离直至断裂,这体现了纤维阻裂增韧的功能。原料之间紧密结合形成致密的结构体系,有利于抵抗外界不良介质的腐蚀,这符合材料的功能要求。

3 结论

(1)采用工程水泥基复合材料配制技术,能够获得力学性能优异、特别是抗折强度较高的复合材料。正交试验结果表明,达到最大抗折强度的配比为:m(水泥)∶m(石英砂)∶m(水)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)∶m(PP 纤维)∶m(减水剂)=1.00∶1.20∶0.22∶0.17∶0.23∶0.013∶0.015,达到最大抗压强度的配比为:m(水泥)∶m(石英砂)∶m(水)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)∶m(PP 纤维)∶m(减水剂)=1.00∶1.20∶0.22∶0.15∶0.20∶0.007∶0.014。

(2)配制的修复材料的耐磨性能远优于普通混凝土材料。对本试验磨耗值影响最大的是硅灰掺量,其次是粉煤灰,达到最小磨耗值的配比为:m(水泥)∶m(石英砂)∶m(水)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)∶m(PP 纤维)∶m(减水剂)=1.00∶1.20∶0.21∶0.13∶0.17∶0.007∶0.015。

(3)抗氯离子渗透试验结果表明,该材料的氯离子渗透性可忽略不计,自然环境下能有效地抵抗氯离子的侵蚀。

(4)微观分析结果表明,材料内部结构致密、缺陷很少,纤维具有很好的阻裂增韧的功能,且材料存在强度继续提高的可能性。

[1] Li V C,Leung C K Y.Stead-state and multiple cracking of short random fiber composites[J].Journal of Engineering Mechanics,1992,118(11):2246-2264.

[2] Lepech M D,Li V C.Water permeability of engineered cementitious composites[J].Cement&Concrete Composites,2009,31(10):744-753.

[3] Li V C,Horikoshi T,Ogawa A,et al.Micromechanics-based durability study of polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite(PVA-ECC)[J].ACI Materials Journal,2004,101(3):242-248.

[4] 曹磊.PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究[D].焦作:河南理工大学,2010.

[5] WANG S,LI V C.Engineered cementitious composites with highvolume fly ash[J].ACI Materials Journal,2007,104(3):233-241.

[6] 陈鲤波,曾晓辉,瞿福林,等.粉煤灰和硅灰对高强度纤维水泥基材料力学性能影响研究[J].铁道标准设计,2017,61(1):26-30.

[7] 王文炜,况宇亮,田俊,等.不同纤维增强水泥基复合材料的基本力学性能研究[J].应用基础与工程科学学报,2016(1):148-156.

[8] 李伟.超高韧性水泥基复合材料的搅拌方法研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[9] 住房和城乡建设部标准定额司,住房和城乡建设部,工业和信息化部.高性能混凝土应用技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[10] 赵健,高玉生,谢凯军.京沪高速铁路高性能混凝土电通量试验[J].混凝土与水泥制品,2009(5):19-20.

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