硅粉对塑性混凝土力学和抗渗性能的影响

杨 林,杨 静,宋帅奇

(1.郑州大学水利与环境学院,河南 郑州 450001;2.郑州市规划勘测设计研究院,河南 郑州 450052;3.河南城建学院,河南平顶山 467000)

0 引 言

塑性混凝土是一种新型防渗材料,具有弹性模量低、极限变形大、抗渗性能好等特点,适用于围堰工程、大坝工程、基础工程等领域[1].塑性混凝土用于防渗墙工程时,应遵循的设计原则是:较低的弹性模量;足够的强度;良好的抗渗性能[2].当前,随着防渗墙设计标准及可靠度要求的提高,迫切需要通过技术手段提高塑性混凝土的综合性能.

硅粉是一种高活性的火山灰质球状矿物掺合料[3].硅粉掺入混凝土后,由于颗粒填充效应和表面吸水效应,可改善混凝土掺合料黏聚性和保水性,减少离析和泌水;并且,硅粉具有显著的火山灰效应,可大幅提高混凝土的密实性、强度、抗渗性能及耐化学侵蚀性能,亦能抑制或减少碱-骨料反应[4].

当前,有关硅粉对塑性混凝土性能影响的研究还鲜有报道.通过研究硅粉对塑性混凝土性能的影响,得出硅粉对塑性混凝土性能的影响规律和机理,具有一定理论意义和工程意义.

1 试验方案

1.1 试验材料与配合比

试验采用河南孟电集团水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥,参数符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求;细骨料为河砂,级配曲线位于Ⅱ区,细度模数2.6,属中砂,参数符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》标准要求;粗骨料为粒径5~25 mm石灰岩碎石,连续级配,参数符合GB/T 14685-2001《建筑用卵石、碎石》标准要求;钙基膨润土;粘土为三门峡灵宝窄口水库库区粉质粘土加工而成,细度200目;硅粉为上海天恺硅粉材料有限公司生产,SiO2含量95%.试验以硅粉掺量(等量替代水泥)为单因素变量,共设计5种塑性混凝土配合比,见表1.水胶比为水与胶凝材料总量之比,胶凝材料包括膨润土、粘土、水泥和硅粉.

表1 塑性混凝土配合比

1.2 试验方法

目前,塑性混凝土尚无统一的试验方法标准,本文试验参考DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》进行.采用强制搅拌机拌和,搅拌机润湿后,加入粗细骨料、水泥、粘土、膨润土,搅拌1 min,随后加水湿拌1 min,出料.试块人工插捣成型,室内静置48 h后拆模,标准养护28 d龄期后进行试验.抗压、劈拉强度试验采用边长150 mm立方体试块,抗折强度采用100 mmX100 mmX400 mm棱柱体试块.由于塑性混凝土强度低,强度试验时加载速率较水工混凝土小,抗压强度加载速度取0.1 MPa/s,劈拉强度加载速度取0.02 MPa/s,抗折强度加载速度取25 N/s;弹性模量试验采用150 mmX150 mmX300 mm棱柱体试块,弹性模量计算方法采用文献[5]建议的方法;相对渗透系数采用一次加压法测定,圆台形试块,上、下口直径分别为175、185 mm,高150 mm,渗透水压0.3 MPa,恒压时间6 h.

2 结果分析

2.1 硅粉对塑性混凝土强度的影响

各组配合比塑性混凝土强度试验结果见表2.为便于说明问题,定义强度绝对增长率为BM~SF4组塑性混凝土各强度较对比组对应强度的增幅;定义强度相对增长率为BM~SF4组塑性混凝土各强度在后一种硅粉掺量下较前一种硅粉掺量下的增幅.

图1 强度比与硅粉掺量的关系

图1 为塑性混凝土抗压、劈拉及抗折强度比与硅粉掺量的关系.由图1可知:当硅粉掺量小于30%,抗压强度随硅粉掺量增大呈增大趋势,硅粉掺量大于30%,抗压强度有所减小,但仍高于对比组.硅粉掺量为10%时,抗压强度相对增长率最大,分别为硅粉掺量20%、30%、40%时相对增长率绝对值的4.8、3.3、2.6倍,这说明硅粉在较低掺量水平时对抗压强度影响较为明显.与硅粉对抗压强度影响相似,劈拉强度以硅粉掺量30%(36 kg/m3)为界呈先增加后减小趋势,硅粉掺量为10%时,劈拉强度增大趋势较缓,超过10%时,增幅明显,掺量为30%时,劈拉强度增幅最大,达45.1%,硅粉掺量为10%时,劈拉强度相对增长率最大,分别为硅粉掺量20%、30%、40%时强度相对增长率绝对值的2.7、2.1、1.2倍,同样说明硅粉在较低掺量水平时对劈拉强度影响较为明显.抗折强度以硅粉掺量20%(24 kg/m3)为界,当硅粉掺量小于20%时,抗折强度呈增加趋势,硅粉掺量大于20%时呈减小趋势,当掺量为40%时,抗折强度绝对增长率和相对增长率均为负值,强度不增反降,但相对增长率绝对值最大,分别为硅粉掺量10%、20%、30%时强度相对增长率的5.9、3.0、9.7倍,说明硅粉在较高掺量水平时对抗折强度影响较为明显.

表2 硅粉掺量对塑性混凝土强度的影响

通过以上分析可知:在一定掺量范围内,硅粉对塑性混凝土强度有明显提高作用.硅粉对塑性混凝土强度的影响机理主要在于火山灰效应.硅粉中大量活性SiO2颗粒与水泥水化反应生成的Ca(OH)2化合,加快了水泥水化反应进程,形成致密、含有大量C-S-H水化物的水泥石结构,因而强度得以提高[6-7].此外,硅粉的颗粒填充效应对强度也有一定影响.大量硅粉颗粒填充在水泥颗粒间的空隙中,降低了水泥石的空隙率而大幅提高密实度.在一定掺量范围内,硅粉掺量越大,火山灰效应和颗粒填充效应越显著,强度提高越明显.然而,硅粉掺量超过一定范围时,将导致参与水化反应的水泥用量不足,无法生成足够多的Ca(OH)2与SiO2反应,导致强度不升反降[8].因此,硅粉对塑性混凝土强度的影响存在一个最佳掺量,从试验结果可以看出,对于抗压强度和劈拉强度,硅粉最佳掺量均为30%左右;对于抗折强度,最佳掺量为20%左右,由于硅粉掺量由20%增大到30%时抗折强度下降趋势不显著,可以把30%作为硅粉提高塑性混凝土各强度的最佳掺量.由图1还可知,硅粉对塑性混凝土各强度影响程度有明显差异.相同掺量下,按塑性混凝土强度提高程度由大到小排列为劈拉、抗压、抗折强度.

2.2 硅粉对塑性混凝土弹性模量的影响

弹性模量是塑性混凝土一项重要的力学性能参数,它反映塑性混凝土的抗变形特性.与周围土体协调变形是塑性混凝土防渗墙具有良好抗渗性能的前提,这就要求塑性混凝土的弹性模量要适当.根据文献[5]建议的塑性混凝土弹性模量试验方法,测得各配合比塑性混凝土弹性模量如图2所示.由图2可见,随硅粉掺量的增加,塑性混凝土弹性模量呈先增大后减小的趋势,这与抗压强度的变化趋势基本一致.考察相同硅粉掺量下,塑性混凝土弹性模量和抗压强度的变化幅度大小关系:硅粉掺量为10%、20%、30%、40%时,与对比组相比,弹性模量分别增大9.9%、59.4%、23.1%、3.4%,抗压强度与弹性模量增幅之比为1.88、0.39、1.31、6.15.除SF2组外,其余各组比值均大于1.可见,掺加硅粉后,塑性混凝土弹性模量的增幅整体上要小于抗压强度,这对降低塑性混凝土的弹强比有利.SF4组增幅之比达6.15,为SF1、SF2、SF3组的3.3、15.8、4.7倍,说明硅粉在较高掺量水平时对弹强比的减小效果较好.

图2 弹性模量与硅粉掺量的关系

2.3 硅粉对塑性混凝土相对渗透系数的影响

塑性混凝土相对渗透系数试验结果见图3.掺加硅粉后,塑性混凝土的相对渗透系数明显降低,且随硅粉掺量的增加呈持续下降趋势.BM、SF1、SF2、SF3、SF4组的相对渗透系数分别为:3.8X10-8、2.4X10-8、 1.5X10-8、 1.2X10-8、 9X10-9cm/s, 与 对 比组相比,SF1、SF2、SF3、SF4组相对渗透系数降幅分别为36.8%、61.6%、68.4%、79.9%, SF4组与对比组相对渗透系数相差一个数量级.可见,在试验掺量范围内,硅粉对塑性混凝土相对渗透系数有显著降低作用.

图3 相对渗透系数与硅粉掺量的关系

相对渗透系数降低是硅粉颗粒填充效应、火山灰效应及表面吸水效应共同作用的结果.随着硅粉掺量的增加,塑性混凝土基体内部胶凝材料水化产物增多,形成的网状结构连接成完整骨架,使细小颗粒不被渗水带走;大量硅粉颗粒及其水化产物起填充作用,可改善水泥石的微观结构;随着硅粉掺量增大,胶凝材料水化反应需水量增大,减少了自由水蒸发形成的泌水通道,塑性混凝土的毛细多孔体系得到改善.硅粉掺量在较低水平时,火山灰效应起主导作用;在较高水平时,颗粒填充效应和表面吸水效应起主导作用.这也是硅粉掺量超过20%后,塑性混凝土强度及弹性模量出现下降而抗渗性能仍继续提高的原因.

3 结 论

通过不同硅粉取代量对塑性混凝土强度、弹性模量及抗渗性能的试验研究,得出以下主要结论:

(1)掺量在0~40%范围内,硅粉对塑性混凝土各强度均有提高作用,最佳掺量为30%左右;对各强度提高程度由大到小依次为劈拉强度、抗压强度、抗折强度.

(2)随硅粉掺量增大,塑性混凝土强度和弹性模量均呈先增大后减小趋势,弹性模量的增幅小于抗压强度,有利于降低塑性混凝土的弹强比.

(3)硅粉可大幅降低塑性混凝土相对渗透系数.

[1] 高丹盈,严克兵,胡良明,等.混膨润土类型对塑性混凝土性能的影响[J].水力发电学报,2009,28(3):112-116.

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[3] 何峰,杨军平,马淑芬.硅粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响[J].桂林工学院学报,2007,27(1):77-80.

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[5] 高丹盈,赵丽梅,王四巍.塑性混凝土弹性模量的计算方法[J].郑州大学学报:工学版,2009,30(4):15-17

[6] 杨玉喜,刘学全.硅灰在混凝土中的作用[J].黑龙江交通科技,2007(6):51.

[7] 何峰,黄政宇.硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献的分析[J].混凝土,2006(1):39-42.

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