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矿物掺合料对CRTSⅢ型板填充自密实混凝土性能影响研究

2018-11-23蓝波桥于福叶守杰刘磊

新型建筑材料 2018年11期
关键词:屈服应力矿粉石子

蓝波桥 ,于福 ,叶守杰 ,刘磊

(1.中交第三航务工程局有限公司江苏分公司,江苏 连云港 222042;2.中交一航局第二工程有限公司,山东 青岛 266000;3.青岛市西海岸轨道交通有限公司,山东 青岛 266000;4.中交上海三航科学研究院有限公司,上海 200032)

0 引言

自密实混凝土可简称为SCC混凝土,是一种兼具良好填充性、流动性以及间隙流通能力的高性能混凝土。近年来,我国“一带一路”建设发展的速度日益加快,高铁的发展也与日俱进,传统高铁轨道所使用的Ⅰ型、Ⅱ型板在传入我国后出现易于开裂等诸多问题,已不能适应我国高铁的发展需求。在此背景下,我国自主研发了新型的CRTSⅢ型板,CRTSⅢ型板需要自密实混凝土填充轨道板与底座板之间大面积的狭窄空间。因此,CRTSⅢ型板填充自密实混凝土对流动性和填充性的要求更高,施工过程中要求一次性灌注不可中断,但是现有的自密实混凝土往往在灌注过程中出现无法通过内部的钢筋网而造成灌注孔堵塞的现象,从而大幅度提高了工程成本并拖延了施工进度等问题。

自密实混凝土优良的流动性能和良好的间隙通过能力之间的协调很难掌握,流动度达标但却可能离析,因而对石子粒径选择、配合比参数、工作性能、力学性能和体积稳定性都有更高的要求。因此,在配合比设计时本文优选引气量较小的聚羧酸减水剂,石子优选5~16 mm的碎石,优选Ⅰ级粉煤灰和S95级矿粉等。在确定了最优水胶比及砂率的情况下着重研究了单掺粉煤灰及单掺矿粉对CRTSⅢ型板填充自密实混凝土流动性、填充性及硬化性能的影响,从而分析粉煤灰和矿粉对自密实混凝土性能的影响及作用机理,以便为自密实混凝土配制及优化提供一定的理论基础。

1 试验

1.1 原材料

水泥:上海奉贤海螺水泥厂的P·O42.5水泥;外加剂:河北三楷标准型聚羧酸减水剂;膨胀剂:河北木之君工程有限公司标准Ⅱ型膨胀剂;石子:5~16 mm碎石;粉煤灰:Ⅰ级;矿粉:S95级。水泥、粉煤灰和矿粉的物理性能见表1~表3。

表1 水泥的物理性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 矿粉的物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 流动性试验

采用坍落度、扩展度与扩展速度(T500,s)来衡量流动性能,测试方法参照TJ/GW 112—2013《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》附录C。

1.2.2 抗离析性及间隙通过性试验

为了使得CRTSⅢ型板填充自密实混凝土获得良好的灌注效果和匀质性,通常需要确保混凝土具有良好流动性及抗离析性能,用J环的BJ值来评价[1]。J环障碍高差检测方法参照TJ/GW 112—2013附录D。

1.2.3 填充性试验

采用TJ/GW 112—2013附录E中涉及的方法测试L型仪阻滞率(blocking ratio)。

1.2.4 试验基准配合比

填充自密实混凝土配合比的设计方法大致分为2种:一种设计方法应用了流变学的原理和最密集堆积原理;另一种方法则是通过控制骨料离析的方法来设计自密实混凝土的配合比[2]。通过初步试验采用的基准配合比如表4所示,基准组混凝土的性能见表5。

表4 自密实混凝土的基准配合比 kg/m3

表5 基准组混凝土的性能

2 结果讨论及分析

2.1 单掺粉煤灰对自密实混凝土流变性能的影响

Ⅰ级粉煤灰具有良好的减水作用,在维持水灰比不变的状况下,可以增强混凝土的流动性,使用粉煤灰取代部分水泥,研究单掺粉煤灰对自密实混凝土流变性能的影响,结果如表6所示。

表6 单掺粉煤灰对自密实混凝土流变性能的影响

从表6可以看出,随粉煤灰掺量增加,流动性表现为先改善后降低的趋势。自密实混凝土的扩展度从660 mm增大到700 mm。由于粉煤灰掺量提高到了40%,扩展度因此降低到了665 mm。这是因为:(1)粉煤灰的掺入具有减水作用,因此增大了混凝土中自由水量;(2)粉煤灰粒径比水泥更加细小,且呈现球型,在水泥颗粒间可以发挥类似滚珠的作用,降低水泥-水泥、水泥-砂之间的摩擦阻力,因而可以提高自密实混凝土的流动性[3]。但当粉煤灰掺量增加到40%时流动性开始下降,主要是因为粉煤灰掺量的不断提高会引起混凝土的粘度逐渐增大。宾汉姆流体方程[5]可用式(1)表示:

式中:τ——混凝土剪切应力,Pa;

τ0——屈服应力Pa;

η——塑性粘度Pa·s。

根据流变学原理,混凝土适宜的粘度能够使得混凝土获得更好的匀质性,较低的屈服应力也可降低T500并改善填充性,从而使混凝土依靠自身重力达到较好的扩展度及流动速度,但当粘度过大、屈服应力较高时,就会造成混凝土流动性下降的现象[5-6]。混凝土的粘度及屈服应力对混凝土性能的影响在J环障碍高差和L型仪充填比试验过程中的表现更为明显。当粉煤灰掺量从20%提高到30%时,扩展度从670 mm增大到了700 mm,BJ值从16.3 mm降低到15.0 mm,但是充填比从0.90降低到了0.80,这说明粉煤灰掺量增加会增大混凝土的粘度,从而降低充填比,对自密实混凝土的扩展度和T500的影响力之所以不明显,主要是因为混凝土流动过程中遇到的摩擦阻力不同造成的。混凝土粘度如果过小会造成砂浆对石子的粘结力不够,在通过钢筋等障碍物时浆体带动石子流动的力不足以克服J环等带给石子的阻力,主要表现就是J环障碍高差过大,石子与砂浆分离离析等现象,所以在粉煤灰掺量为10%时,充填比只有0.78;如果粘度过大会造成石子之间的粘结力过大,砂浆拉动石子一起通过钢筋等障碍物的力不足以克服石子之间的粘结力,同时也增大了浆体与钢筋之间的相互作用力,同样造成石子堵塞在钢筋网的周围,甚至无法流动,使得J环障碍高差过大等现象。因此,当粉煤灰掺量超过20%后,充填比急剧降低,由0.90降低为0.57。混凝土在做扩展度、T500试验过程中遇到的流动阻力相对而言要小于J环障碍高差试验中的阻力,又相对低于L型仪充填比试验过程中的阻力。

从上述过程可以看出,流动阻力更大的充填比试验对粘度的变化更为敏感,过大的粘度造成石子之间的粘结力更强、流动阻力更大,使得砂浆无法带动石子流动,表现为L型仪充填比降低。混凝土粘度过大或是过小都会导致在施工过程中填充自密实混凝土无法流过钢筋造成灌注孔堵塞等现象。因此,粉煤灰掺量为20%时,混凝土各项性能最优,基本可以达到施工要求。

2.2 单掺矿粉对自密实混凝土流变性能的影响

使用矿粉取代部分水泥,研究单掺矿粉对自密实混凝土流变性能的影响,结果如表7所示。

表7 单掺矿粉对自密实混凝土流变性能的影响

从表7可以看出,矿粉掺量在15%~40%时,随着矿粉掺量的增加,混凝土的扩展度变大,T500有所下降。矿粉掺量为20%时,扩展度由最初的655 mm增大到了最大值710 mm,而T500从4 s缩短到了3 s,之后T500维持在2~3 s之间,这说明矿粉掺量增加降低了混凝土的屈服应力,混凝土流动需要克服的阻力变小,因而T500缩短,扩展度增大。

当矿粉掺量在15%~20%时,BJ值从25.0 mm大幅度减小到了12.5 mm,减小幅度达50%。结合填充比试验的相关数据能够得出,矿粉掺量在15%~40%时,填充比不断增大。因此可以得出结论,矿粉掺量的提高会引起混凝土粘度逐渐增大,在矿粉掺量为15%时BJ值较大是因为混凝土粘度不够,浆体无法带动石子流过钢筋等障碍物[3]。如果混凝土粘度增大,浆体对石子的粘附力逐渐增大,因而填充性持续改善。当矿粉掺量达到50%时,扩展度减小至695 mm,这是因为过高的矿粉掺量使得混凝土粘度过大,造成石子之间的粘结力过大,因而出现充填比降低的现象。就流动性而言,矿粉掺量不宜超过40%,掺量控制在20%左右为最优。

2.3 掺合料对自密实混凝土力学性能的影响

单掺粉煤灰或矿粉对自密实混凝土抗压强度的影响分别见图1、图 2。

图1 粉煤灰掺量对自密实混凝土抗压强度的影响

图2 矿粉掺量对自密实混凝土抗压强度的影响

加入粉煤灰导致混凝土强度提高的原因有2个:(1)Ⅰ级粉煤灰颗粒更小,可以填充进水泥-水泥、水泥-砂之间,发挥骨架的作用;(2)粉煤灰可以与水泥的水化产物发生二次水化反应,从而大大提高混凝土强度。

由图1可以看出,单掺粉煤灰作为矿物掺合料会导致混凝土的强度随着粉煤灰掺量的增加表现出先提高后降低的趋势;当粉煤灰掺量为20%时,抗压强度最高。结合表5可知,这是因为随着混凝土流动性提高及粘度改善,粉煤灰可以更好地填充于颗粒间隙当中,从而能够更好地发挥骨架左右,增大了混凝土的密实度,从而提高了混凝土的强度。

由图2可以看出,随矿粉掺量的增加,混凝土的抗压强度先提高后降低,在矿粉掺量为20%时,抗压强度最高。矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响与混凝土流动性及粘度存在关系。适宜的流动性及粘度有利于矿物掺合料的分散,提高混凝土的匀质性能够有效提高混凝土的抗压强度。结合表7可知,矿粉掺量不宜超过20%,控制在15%~20%比较合适。

3 结论

(1)粉煤灰对CRTSⅢ型板自密实混凝土屈服应力及粘度存在影响,粉煤灰占胶凝材料比例增加有助于改善混凝土的流动性,掺量在10%~30%时混凝土扩展度、T500、充填比变化与掺量变化成正相关,从而使得扩展度增大,T500降低。

(2)粉煤灰掺量为20%时自密实混凝土的流动性最强,抗压强度最高,适当的粉煤灰掺量不但能够降低用水量、增加流动性,还可以提高抗压强度。

(3)增加矿粉掺量会提高自密实混凝土粘度;矿粉掺量为20%时,混凝土抗压强度最高。

(4)矿粉掺量在10%~40%时自密实混凝土充填比与矿粉掺量成正相关,可以通过合理调配自密实混凝土中粉煤灰和矿粉比例来改善自密实混凝土的填充性能。

(5)配制CRTSⅢ型板自密实混凝土时,粉煤灰掺量宜控制在20%~30%,矿粉掺量宜控制在15%~20%。

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