互补性凝胶材料在混凝土路面性能上的作用

李永闯



互补性凝胶材料在混凝土路面性能上的作用

李永闯

(湖南交建勘测设计咨询有限公司, 长沙 410075)

互补性凝胶材料已应用于水泥混凝土路面, 以提高路面抵抗碱硅反应、冻融、渗透性等老化机制的能力. 本文通过试验研究C 类粉煤灰、F 类粉煤灰和矿渣粉对水泥混凝土路面性能的影响, 进行了不同组成和比例的互补性凝胶材料组成的多组实验, 包括了坍落度、密度、含气量、凝结时间、抗压强度、挠曲强度、碱硅反应、冻融、徐变、渗透性以及干湿实验. 同时, 进行了四组路面测试. 研究结果表明, 向混凝土中掺入15%~20%的C类粉煤灰和20~25%的F类粉煤灰, 或者掺入15%~20%的C类粉煤灰、F 类粉煤灰和矿渣粉, 均能较好改善混凝土的耐久性和整体性能.

互补性凝胶材料; 混凝土路面; 粉煤灰; 矿渣; 碱硅反应

近年来, 在一些水泥混凝土路面上出现了提前老化现象. 初步调查研究表明, C类粉煤灰的单一掺入是造成这种老化现象的主要原因. 因此, C 类粉煤灰在混凝土路面上的应用目前被禁止. 由于国内发电厂目前只能产出高石灰含量的C类粉煤灰, 如果不能综合利用, 只能通过掩埋进行处理, 这种处理方式将不可避免地带来环保及经济问题. 另外, 在水泥混凝土路面中大量掺入进口的 F 类粉煤灰, 将大大增加公路路面工程造价. 因此, 本文旨在研究不同的互补性凝胶材料在水泥混凝土路面中的性能, 如C类粉煤灰、F类粉煤灰、矿渣粉, 为互补性凝胶材料在水泥混凝土路面中的应用的理论研究和工程实践提供参考.

近几十年来, 关于互补性凝胶材料在混凝土性能上的影响已有不少学者做过研究, 如奈克(1997)、马尔霍特拉和梅塔(2002)、马尔瓦尔(2001)[1]等, 研究表明, 添加互补性凝胶材料可以帮助路面抵抗碱硅反应、冻融作用、老化、不规则裂缝和渗透等病害[2, 3], 但具体到工程应用的研究比较少. 本文对互补性凝胶材料的组成和比例进行试验研究, 对不同配合比互补性凝胶材料进行ASR实验、整体性能实验, 以研究满足混凝土路面工程应用要求的最佳互补性凝胶材料.

1 互补性凝胶材料及选用

用于混凝土中的互补性凝胶材料主要有C类粉煤灰、F类粉煤灰、矿粉等, 掺入多种凝胶材料对混凝土的性能会有不同的影响, 因此, 需要通过试验来确定一个最佳的配合比. 本研究中所采用的互补性凝胶材料均来自于同一厂商, 同一批次. 此外, 因为在 ASR 实验中的膨胀率主要取决于骨料的反应, 所以符合规定的大部分活性骨料均被选用. 所选用的水泥、C 类粉煤灰、矿粉均满足规范要求. 本次试验选用砂砾石作为细骨料, 石灰岩骨料级配作为粗集料.

2 实验研究

2.1 ASR实验

碱集料反应(AAR)可分为两类, 即碱硅酸反应(ASR)与碱碳酸盐反应(ACR). 二者的共同点是与碱发生的化学反应可导致混凝土中集料的体积增大, 从而可能使混凝土甚至整个建筑物或构筑物发生膨胀并裂. ASR类型岩石具有碱活性的前提条件是较低的二氧化硅结晶完整度, 只有隐晶质、微晶质、玻璃质或发生过应变的二氧化硅才会具有较高的化学活性, 导致混凝土破坏.

ASR实验就是碱硅酸反应实验, 是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐凝胶(或称碱硅凝胶), 碱硅凝胶固体体积大于反应前的体积, 而且有强烈的吸水性, 吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力, 而且碱硅凝胶吸水后会进一步促进碱骨料反应的发展、使混凝土内部膨胀应力增大, 导致混凝土开裂. 发展严重的还会使混凝土结构崩溃.

本次ASR实验选择了16组不同配合比, 混合材料中, 应用两种不同的骨料级配. 本实验主要目的是研究凝胶材料与骨料的组合物发生碱硅反应的可能性. 表1列出了16 组混合物的设计试验方案及试验结果.

注: C表示C类粉煤灰, F表示F类粉煤灰, S表示矿渣粉, LS表示石灰岩.

试验结果表明, F类粉煤灰对ASR抗力有极好的性能, F类粉煤灰加C类粉煤灰的混合物, 也表现出类似的性能. C类粉煤灰、F类粉煤灰和矿渣粉组成的混合物表现出了较低的膨胀性. F类粉煤灰将水泥水合作用产生的氢氯化钙转化为水化硅酸钙, 水化硅酸钙是一种稠密的无渗透性的基质, 这种基质可以减少碱质的可动性. 另外, F类粉煤灰的低石灰含量, 创造了一种低钙硅比率的水化硅酸钙结构[4, 5], 这也使碱质的吸收成为可能.

综上所述, 尽管含有 C类粉煤灰和矿渣粉的混合物比仅含有C类粉煤灰的混合物表现出更优的性能, 但矿渣粉控制ASR膨胀不如F类粉煤灰有效. 如果我们用30%的石灰岩骨料级配和70%的砂砾石组合, 则要求有比较大的水泥取代率(大于40%的水泥取代率), 以保证混合物的ASR膨胀率符合要求. 而大的水泥取代率又可能对混和物的其他性能产生消极的影响, 例如抗弯强度、凝结时间和渗透性[6].

2.2 整体性能实验

路面整体性能实验包括测试路面的抗压、抗冻、抗弯能力水平.

在ASR实验的基础上, 将获得最低ASR膨胀率的四组混合物加1组参照组(6)进行整体性能实验. 表2列出了各组配合比成分及含量.

*1PF 型波特兰水泥代表的是掺拌了 23%±2%F 类粉煤灰的水泥.

采用两种不同水灰比(0.4和0.45), 对于水灰比为0.45的, 采用传统铺装, 即实验一. 对于水灰比为 0.4 的, 采用路面滑模铺装, 即实验二. 对于路面滑模铺装坍落度应在38.1mm~50.8mm, 对于传统铺装, 坍落度应达到114.3mm. 整体性能实验结果见表3.

试验结果表明, 除个别组的抗压抗弯强度稍有偏差, 水灰比为0.45 和0.40的抗压强度相差不大. 材料的含气率在7.5%到10%之间, 也都满足规范要求. 从结果中可以看出, 粉煤灰具有缓凝剂的效果, 可以增加混凝土初凝和终凝的时间. 用电空法测量盐酸盐离子渗透的实验表明, 0.45水灰比的混凝土比0.40 水灰比的混凝土有更优的性能.

干湿试验在实验槽进行. 其试验方法是先将样本放置水中8小时, 再放置在热空气中烘干16小时. 实验槽温度保持在21℃至23℃. 每种混合物设计了6个76.2mm × 76.2mm ×406.4mm的试验模块. 其中的三个模块将在 28 天的正常养护后, 进行抗弯强度测试. 其余三个模块将在经历548天的干湿循环环境后脱模, 后进行26天的养护, 再将试块放到饱和石灰水中, 浸泡48小时, 最后进行抗弯强度试验. 干湿试验结果表明, 不同水灰比的混合物结果相差均不大.

2.3 路面测试

在该实验阶段, 参照组(6)和另外的三组(2、2D、2F)进行路面测试. 试验结果见表4.

结果表明所选的四组混合物, 在抗压强度、冻融抗力方面, 都表现出较好的性能, 均有最低的氯离子渗透率类别, 徐变较小. 此外, 参照组的冻融性能指标没有达到临界值, 这主要是由于参照组混合物有较低的含气量.

3 结论

采用16 组混合材料进行ASR实验, 结果表明: C 类粉煤灰单独应用, 将导致混凝土混合材料不能满足28 天后膨胀率要低于0.1%的要求; 加入了F类粉煤灰并且有25%的水泥取代率的混合材料后, 混合料在 ASR 测试中有较好的效果; 加入了C 类粉煤灰与F类粉煤灰的混合材料性能较好; 加入了矿渣粉和C类粉煤灰的混合材料与只加入C类粉煤灰的混合材料相比, 性能有所改善, 但仍然不能满足 ASR 测试标准. 为了制作能够符合 ASR 测试标准的混合材料, 除了加入矿渣粉, 还可以用更高的水泥取代率或者是用四种材料的混合物. 所有应用了45%石灰岩的混合材料, 在 ASR测试中呈较低的膨胀率. 这是由于石灰岩的加入比砂砾石具有更低的反应率.

在 ASR 测试中, 用较低的膨胀率的四组混合材料进行整体性能实验. 这些实验包括: 坍落度、密度、含气率、凝结时间、抗压强度、抗弯强度、冻融抗力、徐变、氯离子渗透性和干湿实验. 此外, 其中三组混合材料进行了实地应用(路面实验). 研究结果表明, 16%C类粉煤灰加20%F类粉煤灰; 20%C 类粉煤灰加20%F类粉煤灰; 15%C 类粉煤灰加18%F 类粉煤灰加15%矿渣粉这三种互补性凝胶材料的构成均能够改善混凝土的耐久性和整体性能.

[1] 梁雄辉. 功能性高分子复合材料用于混凝土路面快速修复的研究与应用[J]. 公路工程, 2011, (03): 6~10

[2] 罗 萍. 超细粉煤灰和矿渣双掺路面修补混凝土技术的研究[J]. 湖南交通科技, 2007, (01): 32~34

[3] 刘清芳, 蒋 甫, 应荣华. 水泥稳定碎石半刚性基层材料的抗裂性能分析[J]. 中南公路工程, 2004, (02): 73~75

[4] 黄建斌. 一种新型水泥混凝土路面修补材料性能的研究[J]. 公路工程, 2009, (04):161~163

[5] 周建梅. 粉煤灰结构特点对预拌混凝土性能的影响[J]. 粉煤灰, 2014, (02): 9~11

[6] 王科颖, 薛群虎, 李寿德, 等. 影响高掺量粉煤灰烧结砖坯体强度因素的研究[J]. 砖瓦, 2010, (01): 5~7

The Role of Complementary Gel Materials in the Performance of Concrete Pavement

LI Yongchuang

(Hunan Communications Survey, Design &Consultation Co., Ltd, Changsha 410075, China)

Supplementary cementitious materials have been used in concrete pavements to increase their resistance to deterioration mechanisms,such as alkali-silica reaction, freeze and thaw, and permeability. This paper presents the results of experimental investigation carried out to evaluate the effect of Class C fly ash, Class F fly ash, and ground granulated blast furnace slag on the performance of Concrete pavements. Laboratory testing of multiple mixes with different combinations and percentages of supplementary cementitious materials is presented. This testing includes slump, unit weight, air content, time of setting, compressive strength, flexural strength, alkali silica reactivity, freeze/thaw, length change, chloride ion penetration, and wet and dry test specified. Test results indicates that using the a combination of Class C fly ash (15%~20%) and Class F fly ash (20%~25%), or all three supplementary cementitious materials in the range of 15~20% each improve concrete durability and overall performance.

supplementary cementitious materials, concrete pavement, fly ash, slag, alkali silica reactivity

TU528.37

A

1672-5298(2017)01-0069-04

2016-05-29

李永闯(1982− ), 男, 河南平顶山人, 湖南交建勘测设计咨询有限公司工程师. 主要研究方向: 公路桥梁设计