早强碾压混凝土性能试验研究

2015-12-16张守杰刘雨时熊复慧

水利科学与寒区工程 2015年3期

张守杰，刘雨时，刘鹏，熊复慧

（1．黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨150080；2．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150006）

碾压混凝土是一种单位用水量很少，塌落度为零的超干硬性混凝土，被广泛应用于大体积混凝土工程［1］。大坝是典型的大体积混凝土工程，利用高效振动碾对水泥含量较低的混凝土进行分层碾压制成的碾压混凝土被大量应用在大坝工程中，以此方式筑成的大坝称为碾压混凝土坝［2］。寒冷地区，秋末冬初，为了避免碾压混凝土早期冻害，需要尽量缩短施工期，提前让大坝投入使用，因此，提高碾压混凝土的早期强度对实际工程是有益的。硫铝酸盐水泥因为它的早强、高强、高抗冻性，及良好耐蚀性等特点在抢修工程和冬季施工中得以大量应用［3－4］。硫铝酸盐水泥用于寒冷地区筑坝工程的碾压混凝土很少见于报道。本文基于硫铝酸盐水泥的优良性能，利用硫铝酸盐水泥配置碾压混凝土，用于大坝工程，以此来提高碾压混凝土坝的早期强度。

为达到碾压混凝土的工作性，其胶凝材料用量要高于一定量，然而，用量大造价高，水化热还大。为了降低工程造价，降低水化热，本文采取外加剂和粉煤灰共同作用，提高碾压混凝土的早期强度。为了避免水化热集中、后期强度倒缩的问题，引入粉煤灰改善碾压混凝土的性能，研究高效减水剂和早强剂对碾压混凝土早期强度的影响，分析硫铝酸盐水泥制备的碾压混凝土后期强度、收缩性能及抗冻性。

1 原材料及试验方法

1．1 原材料

硫铝酸盐水泥（CSA）为河北省唐山市北极熊水泥厂生产的42．5级硫铝酸盐水泥，物理性质如表1；粉煤灰为哈尔滨发电厂的Ⅰ级粉煤灰，物理性质见表2；砂为细度模数2．7的中砂，按GB／T 14684－2011《建筑用砂》规定方法测定砂的技术指标如表3；碎石为粒径5～25mm的连续级配，按GB／T 14685－2011《建设用卵石、碎石》规定方法测定碎石的技术指标如表4；高效减水剂为沈阳众邦公司生产的UNF萘系高效减水剂，萘系高效减水剂性能指标如表5。早强剂为亚硝酸钠。

表1 硫铝酸盐水泥物理性质

表2 粉煤灰物理性质

表3 砂的技术指标

表4 碎石的技术指标

表5 萘系高效减水剂性能指标

1．2 硫铝酸盐水泥碾压混凝土配合比设计

粉煤灰取代硫铝酸盐水泥（CSA）的比例为10%，30%和50%，配合比如表6中A、B、C所示。加入萘系高效减水剂和亚硝酸钠的硫铝酸盐水泥碾压混凝土的配合比如表6中D、E、F所示。掺加外加剂的普通硅酸盐水泥混凝土的配合比如表6中G所示。

表6 混凝土配合比设计 kg·m－3

1．3 试验方法

（1）抗压和抗折强度的测定

根据《水工碾压混凝土试验规程》（DL／T 5433－2009）规定，制作150mm×150mm×150mm的标准立方体试件，在标准条件（温度20±2℃，相对湿度95%以上）养护到28d，所测得的抗压强度值为混凝土立方体抗压强度。抗折强度是以100mm×100mm×400mm的梁形试件，在标准养护条件下达到规定龄期后（28d），利用简支梁三分点加荷法测定的碾压混凝土的抗折强度。

（2）干燥收缩

参照《水工碾压混凝土试验规程》（DL／T 5433－2009）进行试验。采用100mm×100mm×400mm梁式试件，监测其1d、3d、7d、14d和28d收缩情况。

2 结果与分析

2．1 粉煤灰掺量对混凝土抗压、抗折强度的影响

碾压混凝土抗压、抗折强度随龄期12h、1d、3d、7d、28d的变化规律如图1、图2所示。粉煤灰的掺量为10%，30%和50%时，硫铝酸盐水泥碾压混凝土28d抗压强度从56．86MPa降至24．69MPa，28 d抗折强度从6．74MPa降至3．78MPa。

图1 粉煤灰掺量对抗压强度的影响

图2 粉煤灰掺量对抗折强度的影响

由图1可知，碾压混凝土的抗压强度随着龄期增长而增大。随着粉煤灰掺量的增加，碾压混凝土的抗压强度逐渐降低。对于早期强度，当掺入10%、30%的粉煤灰（A、B组），12h混凝土的抗压强度达到了15MPa、12．6MPa，A、B两组1d的抗压强度都已达到25MPa以上，能够很好满足工程对早期强度的要求。只有掺入50%粉煤灰的C组，由于粉煤灰掺入过多导致强度不高，12h抗压强度仅为3．9MPa，1d强度也只有10MPa左右，28d时不同掺量粉煤灰混凝土的抗压强度都已达到24MPa以上。因此，通过调控粉煤灰的掺入比例可以获得不同强度等级的碾压混凝土。

掺粉煤灰的碾压混凝土抗折强度的发展规律也与抗压强度类似，试验结果如图2。碾压混凝土的抗折强度随着龄期增长而增大，随着粉煤灰掺量的增加，碾压混凝土的抗折强度下降，粉煤灰掺量从10%增加到30%，碾压混凝土的抗折强度变化不大。A试验加入10%粉煤灰与B试验加入30%粉煤灰的抗折强度很接近，1d抗折强度都在4MPa左右。而加入50%粉煤灰的C试验相对来说抗折强度要差很多。后期强度增长也不大，最终强度也只有3．5MPa左右。

2．2 外加剂对抗压、抗折强度的影响

配合比设计如表6中A－F所示。试验结果如图3所示。加入萘系高效减水剂和亚硝酸钠早强剂后，硫铝酸盐水泥碾压混凝土的抗压强度普遍提高。

图3 外加剂对抗压强度的影响

由图3可知，加入萘系高效减水剂和亚硝酸钠早强剂后碾压混凝土的早期抗压强度有明显提高，但对最终抗压强度没有影响，A、D和E试验满足12h强度达到15MPa的要求，其余3组并没有满足要求。F试验的12h抗压强度也达到了11MPa，说明外加剂效果很明显。

加入萘系高效减水剂和亚硝酸钠早强剂后碾压混凝土的抗折强度，如图4。

由试验数据和图形可以看出，加入萘系高效减水剂和亚硝酸钠早强剂后碾压混凝土的抗折强度也有一定提高，但没有抗压强度那么明显，但10%掺量粉煤灰和30%掺量粉煤灰的碾压混凝土依然差距不大。F试验的1d抗折强度依然没有达到3MPa，粉煤灰依然对抗折强度影响很大。

2．3 普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥混凝土强度对比

综合以上6组实验分析，E试验加入30%粉煤灰，加入1%萘系高效减水剂和2%亚硝酸钠早强剂的配合比的试验结果最佳，水泥掺量不高，同时12h强度也满足要求。E组与普通硅酸盐水泥G组对比分析，试验结果如图5所示硫铝酸盐水泥碾压混凝土比普通硅酸盐水泥混凝土早期抗压强度高很多，12h强度提高3955%，1d强度提高477%，28d强度提高64%。

由图5可知，普通硅酸盐水泥明显达不到要求，早期强度太差，离工程要求强度相差甚远，最终强度也比硫铝酸盐水泥低很多。实验预期目标是要使12h的抗压强度达到15MPa，普通硅酸盐水泥的早期抗压强度与目标相差太远。普通硅酸盐水泥3d的抗压强度也没有达到15MPa，远远不能实现12h的抗压强度达到15MPa的要求。

图4 外加剂对抗折强度的影响

图5 普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥混凝土强度对比

2．4 干燥收缩

碾压混凝土配合比同表6中A－F所示。对试块1d、3d、7d、14d和28d干缩情况进行了监测，结果如图6所示。

图6 碾压混凝土的收缩

由图6可知，随着混凝土中硫铝酸盐水泥的掺量减少，粉煤灰含量增加，碾压混凝土的收缩数值会变小，加入外加剂对碾压混凝土的收缩数值影响并不大，所以粉煤灰对减少收缩变形也有一定程度的帮助。刘数华等［5］研究混凝土干缩得出，未掺加外加剂和掺合料的普通混凝土28d干缩应变为188×10－6，由此可知，以上6组配合比试验的收缩值均不大，满足工程要求。