硅粉在PHC管桩混凝土中应用的试验研究
2016-07-24张亚琴张宜兵周郁兵中交三航局第三工程有限公司第一工程处
张亚琴 张宜兵 周郁兵(中交三航局第三工程有限公司第一工程处)
硅粉在PHC管桩混凝土中应用的试验研究
张亚琴 张宜兵 周郁兵
(中交三航局第三工程有限公司第一工程处)
通过硅粉在PHC管桩混凝土中的试验,研究了不同掺量的硅粉对混凝土的工作性、抗压强度、劈裂抗拉强度、电通量的影响。试验结果表明:在混凝土中掺入适量的硅粉,可以改善混凝土的工作性、提高混凝土的力学性能和抗氯离子的渗透能力,本文为硅粉在PHC管桩混凝土中的应用提供了试验的依据。
硅粉;PHC管桩混凝土;应用;试验
1 前言
硅粉是在冶炼硅铁合金或工业硅时,通过烟道排出的硅蒸汽经过氧化后,从电弧炉烟气中收集得到的无定型、氧化硅含量很高的微细球形颗粒,学名“硅灰”。
硅粉的颗粒越细,SiO2含量越高,对混凝土性能的改变效果越明显。硅粉的平均粒径一般在0.15-0.20μm,为水泥颗粒直径的1/100,所以硅粉能高度分散于混凝土中,填充在水泥颗粒之间而提高密实度;同时硅粉具有很高的活性,相对与矿粉能更快更全面的与水泥水化产生的 Ca(OH)2发生二次水化反应,生成 C-S-H凝胶体。
在混凝土中掺入少量硅粉,并结合外加剂、矿物掺合料的作用能显著改善混凝土的性能,如:改善混凝土的坍落度、提高混凝土早期或后期的强度,降低氯离子的渗透能力,提高混凝土的抗腐蚀和耐磨等作用。目前硅粉已经在黄河小浪底、葛洲坝、东海大桥等多个工程中得到了应用,并取得了良好的效益。所以,我们围绕着硅粉在C80PHC管桩混凝土中应用进行试验研究。
2 硅粉在混凝土中的工作原理
硅粉运用于混凝土中填充颗粒空隙,改善水泥、骨料的组织结构,提高体积密度和降低孔隙率。同时硅粉在混凝土中具有火山灰反应效应,水化形成的富硅凝胶,强度高于Ca(OH)2晶体,与水泥水化凝胶C-S-H共同工作。
3 原材料的准备
表1 水泥性能指标
3.1 水泥
镇江句容台泥水泥有限公司,P□Ⅱ52.5R,具体性能指标见表1。
表2 矿渣粉性能指标
3.2 矿渣粉
安徽马钢嘉华新型建材有限公司,S95级,具体性能指标见表2。
3.3 砂
江西赣江,中砂,Mx=2.8。
3.4 碎石
南京六合,玄武岩,5~25mm连续级配碎石。
3.5 外加剂
上海华登,HP400(H),高性能聚羧酸减水剂(标准型)。
3.6 硅粉
上海天凯硅粉材料有限公司,其物理性能指标见表3。
表3 硅粉的物理性能指标
3.7 水饮用水。
4 试验方案
表4 C80混凝土配合比(kg/m3)
4.1 试验所用方法标准:
《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011
《水运工程混凝土试验规程》JTJ270-98
《水运工程混凝土质量控制标准》JTS202-2-2011
4.2 试验方法
按照《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计,保持总胶凝材料用量和矿粉掺量不变,按照硅粉掺量0%、4%、7%、10%、13%分别配置5组不同配合比,具体见表4;养护方式采用PHC管桩常压蒸养后标准养护。
4.3 试件制作
2014.04 ~2014.05共进行5次试验,每次按照下面数量成型试件。
4.2.1 抗压强度试块制作
按照《水运工程混凝土试验规程》,采用边长为100mm×100mm×100mm的试件,按照硅粉掺量分为5组试件,每组按照1d、3d、28d三个养护龄期,制作抗压强度试块45块。
4.2.2 劈裂强度试块制作
按照《水运工程混凝土试验规程》的规定,采用边长为 100mm×100mm× 100mm的试件,按照硅粉掺量分为5组试件,每组按照1d、3d、28d养护龄期,制作劈裂可抗拉强度试块45块。
4.2.3 电通量试块制作
按照《 水运工程混凝土质量控制标准》的规定,采用尺寸100mm×51mm标准试件,按照硅粉掺量分为5组试件,28d养护龄期,制作电通量试块15块。
硅粉混凝土的拌合及试件制作见图1。
5 试验结果与分析
表5 混凝土坍落度
5.1 试验结果
5.1.1 坍落度
按照《水运工程混凝土试验规程》的规定,分别测定不同方案的混凝土的坍落度,试验结果见表5和图2。
图2 不同硅粉掺量混凝土坍落度
试验结果表明,坍落度随着硅粉掺量的增加先有小幅度的增大,后又有大幅度减小的趋势。掺量7%时,混凝土的坍落度达到最大200mm,混凝土的和易性、骨料包裹性、粘聚性均很好,测坍落度时坍落度筒底部无水及浆体析出。硅粉掺量13%时,坍落度达到最低值130mm。
5.1.2 抗压强度
按照《水运工程混凝土试验规程》的规定,分别测定各方案、不同龄期的混凝土抗压强度。具体数据见表6及图3。
表6 混凝土抗压强度
图3 不同硅粉掺量混凝土抗压强度
表7 混凝土劈裂抗拉强度
试验结果表明,混凝土的强度随硅粉掺量的增大而增大;但掺量大于7%之后,强度的增长幅度不明显。硅粉掺量为7%时,1d、3d和28d强度分别为基准配合比的105.6%、103.8%和103.9%。
5.1.3 劈裂抗拉强度
按照《水运工程混凝土试验规程》的规定,分别测定各方案、不同龄期的混凝土劈裂抗拉强度。具体数据见表7及图4。
图4 不同硅粉掺量下混凝土劈裂抗拉强度
由表7及图4看出,掺入硅粉后,混凝土的劈裂抗拉强度均高于不掺硅粉。硅粉掺量为7%时,1d、3d、28 d 的劈裂抗拉强度比基准混凝土分别提高了21.8%、17.2%和15.4%,且早期提高幅度最大,这对于结构的早期施工非常有利。硅粉掺量超过7%后,无论是1d、3d还是28d的强度,劈裂抗拉强度出现下降现象。由此可见,硅粉掺量在4%~7%时,非常有利于提高混凝土的劈裂抗拉强度。
表8 混凝土28d电通量
5.1.4 电通量
为了延长结构的使用寿命,对于水工及海港工程,混凝土的抗渗性以及抗氯离子渗透性能的好坏显得尤为重要。因此根据《 水运工程混凝土质量控制标准》规范附录A进行电通量试验,具体结果见表8和图5。
图5 不同硅粉掺量下混凝土28d电通量
通过试验发现,随着硅粉的掺加,28d电通量分别比基准配合比降低34.3%、51.1%、59.7%、65.9%。这说明硅粉的掺入可大幅度提高混凝土的密实性,从而有利于提高混凝土的抗氯离子的渗透性能。但随着硅粉取代水泥掺量的增大,混凝土的电通量降低幅度逐渐减小。
5.2 试验分析
5.2.1 硅粉对混凝土拌合物性能的影响
由图2看出,硅粉掺量不大于7%时,混凝土的坍落度比基准配合比有所增大,当掺量大于7%时,混凝土的坍落度出现显著下降。说明硅粉在一定掺量条件下可以改善混凝土的坍落度,发挥了硅粉的物理填充效应。但硅粉的掺量达到13%时,混凝土坍落度下降更为明显。
5.2.2 硅粉对混凝土抗压的影响
由图3可知,在混凝土中掺入硅粉、矿渣粉时,混凝土的抗压强度由硅粉和矿渣粉共同作用。硅粉决定混凝土的早期强度,在允许范围内硅粉掺量越大,抗压强度越高于基准配合比;在28d龄期时,掺硅粉混凝土的强度仍然高于基准配合比,说明硅粉对提高混凝土的后期强度仍然有效。同时,硅粉以及矿渣粉的掺量不能超过一定的界限。
5.2.3 硅粉对混凝土劈裂抗拉强度的影响
从表7看出,混凝土中掺入硅粉后,混凝土的劈裂抗拉强度均高于不掺硅粉,但掺量达到7%后,劈裂抗拉强度出现下降现象。所以在需要通过掺加硅粉改善混凝土的劈裂抗拉强度时,硅粉的掺量宜控制在4%~7%这一范围。
5.2.4 硅粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
由表8看出,混凝土28d的电通量随着硅粉掺量的提高呈现下降趋势,这表明硅粉的掺入提高了混凝土的密实性,对提高混凝土抗氯离子渗透性能非常有利。但在硅粉掺量达到 10%时,混凝土电通量的曲线变缓,说明硅粉的掺量有其合理掺量范围;掺量不宜过大,并与矿粉复掺效果更好。
6 小结
我们通过在 C80PHC管桩混凝土中掺入硅粉的试验,可以看出,硅粉的适量掺加可以改善混凝土的工作性和混凝土的强度、耐久性等性能。同时,硅粉又属工业废料,有利于环境保护和降低造价,符合当今绿色混凝土的理念。综上所述,硅粉对于PHC管桩的现实意义有以下方面:
(1)在施工条件特殊的情况下,可以通过掺加硅粉来改善混凝土的工作性能。如对直径1.2mC型等特殊要求的PHC管桩可以通过掺加硅粉来提高混凝土的坍落度,满足施工要求。
(2)在高强高性能混凝土中掺入一定量的硅粉,混凝土的抗压强度会有所增长。
(3)混凝土中硅粉掺量控制在 4%~7%时,对改善混凝土的劈裂抗拉强度非常有利;这对于提高PHC管桩抗击打能力非常有利;
(4)混凝土中掺入一定的硅粉,能降低混凝土的结构孔隙率,改善混凝土的孔结构,提高混凝土的密实性,对水工或海港工程混凝土的抗氯离子渗透性能改善非常有利。
本次试验为今后特殊工程桩基需要做好了技术储备,今后我们还将对硅粉在PHC管桩中应用的经济性开展进一步分析。
S210
B
1007-6344(2016)06-0096-02
张亚琴,女, 1980.08,东南大学,建筑材料检测与制品工艺专业,14年,现主要从事路桥用原材料、水泥混凝土、沥青混凝土、土工等试验检测工作。对施工中的混凝土质量控制及耐久性方面有很好的见解,对新材料在混凝土中的应用进行了一些试验研究。主要论文论著:《EDTA二钠在水泥稳定碎石中滴定方法的试验研究》,《混凝土碳化的影响因素及处理措施》等