高性能早强自密实砼长期力学性能试验研究

2016-12-12周明霞刘鹏峰

公路与汽运 2016年6期

关键词：强剂抗折碳化

周明霞，刘鹏峰

（1.湖南省核工业地质局303大队，湖南长沙 410119；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410012）

高性能早强自密实砼长期力学性能试验研究

周明霞1，2，刘鹏峰1

（1.湖南省核工业地质局303大队，湖南长沙 410119；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410012）

采用由不同组分组成的复合外加剂及具有良好使用性能的复合掺合料，对高性能早强自密实砼（SCC）的配合比进行优化比选，以发挥复合外加剂和掺合材料各自的改性作用，达到增加SCC强度和改善其耐久性的目的；考虑两种不同超细粉煤灰掺量的配合比，通过抗压强度、劈拉强度、抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量和氯离子渗透试验对高性能SCC的长期力学性能及变化规律进行分析，结果表明适当增加SCC矿物掺合料掺量虽然会对其早期强度稍有影响，但能有效提高砼的后期强度、抗渗性能和抗碳化性能，在确保SCC具有良好流动性的同时保证其耐久性能。

公路；自密实砼（SCC）；复合掺合料；力学性能

自密实砼（SCC）是一种流动性能极佳的混合物，能在自身重量下达到自流平、自密实的填充和浇筑效果。SCC的高度流体性质使其能很好地适应困难的施工条件，拓宽应用范围和应用效果，并提高砼灌注的密实度和均匀性，减小砼由于浇筑和振捣问题而造成的先天缺陷，从而改善砼构件的力学性能和耐久性能。SCC的使用可减少施工技术人员由于砼施工时振动噪音而引起的听力损害，还可大大减小浇筑大体积砼构件和泵送砼构件所需时间，显著提高施工效率。

目前，关于SCC物理力学性能的研究集中在其流变性能和工作性能、力学性能、体积稳定性等方面，对其长期性能和耐久性能的研究相对较少。随着SCC的广泛应用，其长期性能，尤其是与其材料特性和长期工作环境相关的关键力学性能逐渐受到关注，成为研究热点。

1 配合比优化设计

采用P.O42.5水泥，骨料为碎石和河砂，其基本物理力学性能指标见表1和表2。采用由高效减水剂、早强剂和粉煤灰超细粉组合而成的复合掺合料（UFAC），其比表面积为500～600 m2／kg。

为了使SCC具有超早强的性能，选择工程建设中常用的A、B和C 3种早强剂，分析早强剂对SCC流动性和力学性能的影响，以便优选满足自密实、超早强目标的早强剂。试验采用胶砂进行，共考虑8种配合比（见表3）。不同早强剂及其掺量下胶砂的流动度和强度试验结果见图1。

表1 水泥的基本性能指标

从图1可看出：随着早强剂A的掺入，胶砂的流动度呈下降趋势，当早强剂A的掺量为1%时，流动度下降4.8%，1和2 d抗折强度分别提高16.1%、22.8%；当掺量增至2%时，流动度下降10.9%，1和2 d抗折强度分别提高17.7%、23.6%。而早强剂B的掺入对1和2 d强度的影响较小；早强剂C的掺入对强度的改善也非常有效。因此，选择早强剂A进行SCC长期力学性能和耐久性能试验研究。

表2 骨料的基本性能指标

表3 SCC胶砂的配合比kg／m3

图1 早强剂对SCC胶砂性能的影响

根据以上试验结果，选取两组较好的配合比（见表4）进行SCC基本物理力学性能试验和长期性能试验。进行配合比设计时，保持胶凝材料总量（水泥+UFAC）、单位用水量和砂率不变。试验时，考虑30%和20%两种掺合料掺量，对3、28、56、90和130 d养护龄期SCC的基本力学性能和长期力学性能进行测试与分析，讨论水胶比和掺合料掺量对SCC长期力学性能的影响。

表4 高性能早强SCC配合比设计

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

SCC抗压强度随养护时间的变化见图2。由图2可看出：SCC的抗压强度随着养护龄期的延长而逐渐增长，7～28 d增长迅速，随后增长速度逐渐减缓。G1和G2两组试件的3 d抗压强度达25～30 MPa，60 d抗压强度达55～60 MPa，130 d抗压强度超过60 MPa。对比G1和G2两组试件，由于水胶比和胶凝材料总量相同，掺合料掺量对其强度性能有至关重要的影响。掺合料掺量较大的G2试件的早期抗压强度相对较小，3 d抗压强度比G1试件降低22%左右；但随着试件养护时间的增长，G2组试件的抗压强度增长相对较快。说明矿物掺合料对SCC早期强度有一定影响，但对其后期强度的增长贡献更大。

图2 高性能早强SCC抗压强度随养护龄期的变化

2.2 抗折强度

SCC抗折强度随养护时间的变化见图3。由图3可看出：与抗压强度一样，试件的抗折强度也随着养护时间的增长而逐渐增大。G1和G2两组试件的3 d抗折强度均超过3.5 MPa，达到试件最终抗折强度的44%～54%，满足早强的要求；28 d之后，SCC的抗折强度增长速度变缓，28 d抗折强度达到最终强度的90%以上。130 d龄期时其抗折强度与28 d抗折强度相比分别增长4%、11%，表明试件的后期抗折强度增长速率较慢，显著低于其抗压强度的增长速率。这主要是因为砼的抗折强度（弯拉作用）对砼中的微细观损伤较敏感，而矿物掺合料的掺入有利于改善砼的微细观结构构造，减小内部微观孔隙的产生，提高砼的密实度和均匀性，从而有效减少内部缺陷的产生，特别是对于无需振捣的SCC，复合矿物掺合料超细粉的掺入可更好地改善其自流平的均匀性，在试件受拉损伤的初期延缓其微细观裂缝的开展。

2.3 弹性模量

SCC试件的弹性模量试验结果见图4。由图4可看出：与强度随养护时间的变化规律一致，SCC的弹性模量随着试件养护时间的增长呈增大趋势，7～56 d增长速度较快，7 d时达到其最终弹性模量的75%左右，56 d之后其弹性模量基本不再增长。对比G1和G2试件，较高掺量的复合掺合料对其弹性模量的后期增长有较大贡献，表明超细矿物掺合料对提高其抵抗变形的能力有一定增强效果。矿物掺合料对SCC弹性模量的影响与其对SCC强度的影响相似，矿物掺合料掺量较大的试件其弹性模量略低于掺量较小的试件，但两者之间的差别随着试件养护时间的增长而逐渐缩小。以3和56 d弹性模量为例，G2试件的弹性模量分别比G1试件降低10%和4%。

图3 高性能早强SCC抗折强度随龄期的变化

图4 高性能早强SCC弹性模量试验结果

2.4 抗氯离子渗透性能

SCC抗氯离子渗透性能试验结果见图5。由图5可看出：随着养护龄期的增长，G1和G2试件的抗氯离子渗透系数均逐渐降低。与G1组试件相比，由于矿物掺合料掺量增加，G2组试件早期抗氯离子渗透性能较好，但随着养护龄期的增长，其抗氯离子渗透系数减小趋势较为明显，G1和G2组试件之间的差别也逐渐减小。

图5 高性能早强SCC抗氯离子渗透试验结果

2.5 抗碳化性能

SCC快速碳化试验试件断面碳化滴定结果和碳化深度实测结果分别见图6、表5。从表5可看出：两组SCC试件的碳化深度均较小，满足高性能砼对抗碳化性能的要求，说明两组SCC均能达到自流平和自密实的填充效果。对比G1和G2两组试件，矿物掺合料掺量更高的G2试件的碳化深度总体上小于G1试件，表明矿物掺合料超细粉能显著提高砼的密实度，从而有效减小砼的碳化深度。

图6 高性能早强SCC快速碳化试验试件断面滴定结果

表5 高性能早强SCC试件快速碳化深度测试结果

2.6 砼微观结构分析

130 d龄期时SCC破坏界面的微观形态扫描电镜试验结果见图7。从图7可看出：1）虽然养护龄期达到130 d，但SCC中粉煤灰颗粒参与水化作用的程度并不明显，表明SCC密实度和均匀性效果较好；圆形粉煤灰颗粒表面只有部分刻蚀，这些颗粒填充在水泥颗粒的空隙之间，从更微观尺度增加了水泥浆的密实度和水泥颗粒间的相对流动性，也说明此时粉煤灰在SCC中对力学性能的贡献还主要是依靠充填和空隙细化作用。2）SCC的空隙中有一定量的钙矾石，这可能是早强剂的作用，这些钙矾石的存在既可填充空隙，还能增加砼的密实度，从而提高砼的强度；在后期，砼中同样存在一定量氢氧化钙，对其后期强度的增长有利。粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而使砼强度和耐久性增长，这就是掺粉煤灰砼早期强度较低、后期强度增长较大的主要原因。