超细粉煤灰对衬砌混凝土强度与变形性能的影响

2020-04-09梅杨

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年1期

梅杨

河南建筑职业技术学院土木工程系，河南郑州 450064

衬砌混凝土材料的强度和变形性能是确保渠道衬砌结构物安全的关键因素之一，如何有效提高衬砌混凝土的力学性能是工程界长期关注的问题[1]。目前，提高混凝土力学性能的采用的常用方法包括：选择承载性能良好，化学性质稳定的粗骨料制备砂浆；在砂浆中加入活性外加剂和外掺料以改善砂浆的微观结构特征；在混凝土砂浆中掺入钢纤维、化学纤维等材料以提高混凝土抵抗裂缝扩展的能力。

前人研究表明，粉煤灰具有矿物成分稳定性好、潜在活性高、粒径小和毒害物质少的特点，作为一种优质的外掺料被广泛用于混凝土砂浆材料的设计研发。目前，废弃粉煤灰的回收利用是发电厂废料处理的一项重要内容，国内外学者对于在混凝土材料中掺入粉煤灰已开展了大量研究。例如：何小兵等[2]为了提高混凝土强度性能，采用超细粉煤灰作为胶凝材料进行混凝土砂浆设计和强度试验；Mastali等[3]采用粉煤灰和石灰材料组成聚合剂以改良普通路用混凝土的力学性能；Nabassé[4]通过对一定掺入超细粉煤灰的交接混凝土试样开展直剪试验，给出了胶结混凝土剪切强度指标。陈涛等[5]采用粉煤灰材料改良了喷射混凝土的强度与抗裂性能。总体上，在浆料中利用粉煤灰是有效提高混凝土材料在水利工程中适用性的重要手段，但其改良效果与粉煤灰的掺合量有重要联系[6-10]。本文系统研究了不同掺量下粉煤灰改善混凝土材料在强度性质和抵抗变形能力上的不足，以期为水利工程的衬砌建设提供性能优良、绿色环保的外加材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用碎石与细砂作为胶结混凝土的粗骨料，最大粒度＜30 mm，经破碎与筛分与细砂配成粒径为0～2.5 mm 的细骨料和2.5～20 mm 的粗骨料。凝胶材料选用复合硅酸盐水泥硅酸盐水泥，浆料中不掺加其它外加速凝材料。采用江苏省徐州市火电厂生产的I 级超细粉煤灰作为外掺料，超细粉煤灰的图片（图1），粉煤灰的颗粒粒径分布如表1 所示，可以看出超细粉煤灰的颗粒非常小，超细粉煤灰的粒径一般小于50 μm 左右[11]。超细粉煤灰材料和硅酸盐水泥的主要化学成份如表2 所示。

图1 试验用的超细粉煤灰Fig.1 The ultra-fine fly ash in the test

表1 超细粉煤灰的颗粒粒径分布情况Table 1 The distribution of particle diameters of ultra-fine fly ash

表2 粉煤灰和水泥的矿物成分Table 2 Mineral components of fly ash and concrete

本试验根据材料的具体情况设计了5 种超细粉煤灰掺量的胶结混凝土材料样品。试样利用超细粉煤灰等质量比例替代普通硅酸盐水泥，各物料的掺量如表3 所示。

表3 试样组别及其物料掺量Table 3 Groups and dosages in the sample

1.2 试验过程

1.2.1 试样的制备将试验用的碎石骨料、细砂、硅酸盐水泥、超细粉煤灰和水按一定比例，在实验室的常温常湿条件下充分搅拌均匀制成浆料，设计水固体比为0.3。采用水泥浆搅拌机进行搅拌，在试验中充分搅拌浆料以使浆料尽量在不损失强度前提下保留较好的流动性。最后，将拌合好的水泥浆注入相应的立方体模具中，试样品在相对湿度为95%和温度为(25 ℃的室温条件下进行混凝土养护，养护时间持续28 d。

1.2.2 强度试验进行强度试验采用的仪器为MST-005 型伺服式万能强度试验机，本实验通过试验机对混凝土施加单轴压力，测试其单轴抗压强度。测试过程中严格按照行业标准《混凝土强度检验方法》，（GB/T17671-2003）进行试验。进行抗压试验混凝土样品为尺寸150×150×150 mm3的立方体。加载时，采用计算机控制加载时间和速率。试验结果表明在衬砌混凝土试件进行试验时加载速率控制保持0.05～0.15 MPa/s 最合理[12，13]。为保证试件出现急剧变形接近破坏时有充裕的时间调整加载装置和记录试验读数，试验中控制抗压强度加载速度为取0.1 MPa/s。立方体抗压强度公式:

式中，fcc是混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；F为试件破坏时的荷载(N)；A为试件的承压面积(mm2)。

2 结果与分析

对不同龄期的混凝土材料试件开展单轴压缩强度测试，实验中强度值可以精确到0.1 MPa。在试验中考虑养护时间对强度的影响，分别对经历4 d、14 d 和28 d 的标准养护时间的试件进行压缩直至试件破坏，记录破坏后的试件状态。衬砌混凝土抗压强度试验的另一个重要试验参数是在压缩结束后，试样完全破坏时的最终应变εult。最终应变εult反映的是试件的最终变形量，反映了材料抵抗变形的能力[14]。表4 所示的是不同掺量和养护时间下的峰值荷载和最终应变的结果。在掺入不同含量的超细粉煤灰后，衬砌混凝土的抗压强度开始上升，随着粉煤灰含量增加到15%后强度下降。例如：在养护28 d 后，抗压强度σ28d分别为41.8 MPa、46.9 MPa、49.8 MPa、53.1 MPa 和50.7 MPa，说明粉煤灰掺量对于混凝土试样的抗压强度有显著影响。在一定掺量下对抗压强度起到正向加强效应，超细粉煤灰超过一定掺量，对强度增长有负作用。总体上，超细粉煤灰掺量为10%时对胶结混凝土的抗压强度最有利。图2 的曲线反映了养护龄期对于试件强度影响，显然，随着养护龄期天数的增加，混凝土试样的抗压强度呈上升趋势，10%超细粉煤灰掺量的试件养护28 d 后抗压强度达53.1 MPa。

超细粉煤灰对于试样最终应变也有显著影响。从图3 中可以看出：一方面，随养护龄期增长，试件最终应变εult有明显下降趋势，例如：为10%掺量的试件养护28 d 后，最终应变εult比养护14 d和4 d 试件最终应变εult分别提高1.47%和2.04%；另一方面，掺入粉煤灰后试件的最终应变εult也明显减小，且在超细粉煤灰掺量达到15%后保持相对稳定。例如：不同超细粉煤灰掺量的混凝土试件在养护28 d后的最终应变εult随掺量从0%增加至20%过程中的增量为-2.31%、-2.84%、0.21%和0.53%。

表4 不同养护时间的试件的压缩试验结果Table 4 The results of compression tests for different maintenance times

与最终应变变化特点相对应，衬砌混凝土试件的破坏形式随粉煤灰掺量增加也有较大差异。养护28 d 的的衬砌混凝土试件破坏的图像如图4 所示。图4（a）的普通胶结混凝土试件在压缩后时，结构发生了脆性破坏，材料发生大面积剥落，破坏后的结构完整性被完全破坏；图4（b）所示的5%含量的超细粉煤灰混凝土试件发生破坏时，仍有碎片剥落，但试件完整性没有遭到完全破坏；图6（c）～图6（e）所示的掺10%～20%的3 组粉煤灰试件发生破坏时，试件未见大量碎片剥落，只在试件表面出现贯通的裂缝；混凝土的结构整体性保持完好。由此可见，掺入一定量粉煤灰后，混凝土试件在破坏后仍能保持较好的整体性，超细粉煤灰颗粒能够显著提高衬砌混凝土试件结构的抵抗变形能力。

图4 养护28 d 试件的破坏图Fig.4 The broken samples for 28 d maintenance

2.3 微观形态分析

为了分析深入分析本文衬砌混凝土材料的改性机理，分别对普通材料和最优配合比改性的材料进行了内部微观结构的观测。采用扫描电子显微镜(SEM)对试样进行扫描，得到了普通衬砌混凝土与外掺15%粉煤灰的混凝土的微观结构示意图，图像的放大倍数为800 倍。如图5（a）所示，普通混凝土材料内部颗粒呈现的团粒和多孔结构，这是影响混凝土材料强度和变形特性的重要原因，发育的多孔结构不利于充分发挥混凝土材料在支撑周围应力的功能。掺入15%粉煤灰的混凝土材料扫描电子显微图片如图5（b）所示，可以看出材料内部的水泥水化物表面上附有絮凝状晶体，形成了粘结强度，不规则超细粉煤灰颗粒将水化物紧密地交叉粘结在一起，使得胶结混凝土的整体联结性大大增加，从而增强了衬砌混凝土材料的强度性能和抵抗变形的性能。

图5 混凝土试样的微观结构Fig.5 The microstructures of concrete samples

综上所述，超细粉煤灰对胶结混凝土材料的改性机理主要是粉煤灰细颗粒对混凝土内部孔隙的填充效应。本试验采用的骨料为碎石与细砂，骨料粒径主要分布在0.5～10.0 mm 范围内，骨料粒径较大，颗粒之间的孔隙也相对较大。而超细粉煤灰的颗粒较细小，其粒径一般在0.0005～0.005 mm左右，普通粉煤灰的粒径一般在0.01～0.1 mm 左右，而普通硅酸盐水泥颗粒的粒径一般不小于0.1 mm[15]。相比水泥颗粒，粉煤灰的细小颗粒更易进入骨料与浆料的小裂隙，使得颗粒之间的黏结力提升，颗粒间的摩擦力增大，骨料之间的联结整体强度提高。同时，由于超细粉煤灰的颗粒微观形态与球体接近，在一定程度上对浆料起到润滑作用，对骨料与水泥水化物之间小孔隙的填充效果也优于水泥，因此掺入一定量超细粉煤灰后，试件的整体密实度提高。但随着粉煤灰比例继续增加，水泥含量相对减少，导致骨料没有得到足够浆料的包裹，骨料之间的粘结性减弱，对混凝土试件的抗压强度起到反作用[8]。同时，超细粉煤灰对骨料间孔隙的填充效应也意味着混凝土内部连通裂隙的减少，从而对混凝土整体抵抗变形的能力有利，孔隙结构的改变是混凝土材料变形性能改善的根本原因。