机制砂混凝土应用于PCCP试验研究

曲福来, 杨亚彬, 宋万万, 刘杰, 马磊, 丁新新

(1.华北水利水电大学 黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心,河南 郑州 450046; 2.华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045; 3.华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州 450045; 4.河南省富臣管业有限公司,河南 新乡 453400)

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的混凝土管芯作为PCCP的主体结构,承受覆土荷载和内水压力等的共同作用,因此管芯混凝土除了要满足浇筑成型时的工作性能要求外,硬化后还要具有足够的强度和较好的耐久性[1]。管芯混凝土的质量受原材料的影响较大,天然砂源在我国环境保护力度不断加强的形势下面临枯竭,亟待寻求性能稳定的替代砂源。采用石料加工制作的机制砂,因制砂生产工艺相对稳定,其成品砂可根据混凝土制备要求进行颗粒级配和细度模数调整,近年来在混凝土结构工程中得到了越来越多的应用,因而可作为制备PCCP管芯混凝土的备选细骨料。但机制砂的颗粒形状不规则、多棱角、表面粗糙且含有一定量的石粉,与天然砂的颗粒圆润、不含石粉但有限定的含泥量具有明显差别[2-3]。因此,与天然砂混凝土相比,机制砂混凝土配合比设计需调整砂率或减水剂用量才能得到同样的拌合物工作性能,混凝土配制强度计算方法及力学性能换算关系也需调整[3-5]。由于PCCP管芯混凝土在浇筑成型及蒸汽养护等生产工艺方面具有特殊性,目前有关机制砂代替天然砂制备PCCP管芯混凝土的研究与工程实践较少,故开展机制砂制备PCCP管芯混凝土的可行性研究是非常必要的。

本文结合工程实践,采用对比试验方法,根据PCCP混凝土管芯生产工艺要求,分别制备了强度等级为C55的机制砂混凝土和天然砂混凝土,测试了其工作性能、抗压强度、抗渗性和收缩性能。试验结果证实了在颗粒级配和细度模数相当的情况下,机制砂混凝土的强度、抗渗性和抗收缩性能均优于相同强度等级的天然砂混凝土,这为PCCP工程采用机制砂混凝土提供了研究依据。

1 试验概况

1.1 混凝土原材料及配合比

水泥采用P·O 52.5；矿物掺合料选用F类Ⅰ级粉煤灰；细骨料为天然河砂与机制砂,细度模数分别为2.6和2.9,同属于2区中砂,其级配曲线如图1所示,各材料的性能分别见表1—3。

图1 细骨料级配曲线

表1 实测P·O 52.5的主要物理力学性能指标

表2 粉煤灰的性能指标

表3 细骨料的性能指标

粗骨料为粒径5～20 mm连续级配石灰岩质碎石,表观密度为2 770 kg/m3。减水剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂,减水率为27.2%。拌合水为城市自来水。

试验中,PCCP管芯混凝土的设计强度等级为C55,依据假定质量法进行配合比设计,砂率以天然河砂为基准,采用机制砂完全取代。以坍落度作为PCCP混凝土工作性能判定的主要指标,坍落度目标值为(150±30)mm。通过试拌调整,PCCP天然河砂混凝土(River Sand Concrete,RSC)和机制砂混凝土(Manufactured Sand Concrete,MSC)的配合比见表4。与天然河砂混凝土相比，机制砂混凝土除减水剂用量略有增加,其他原材料用量均相同。

表4 PCCP天然砂、机制砂混凝土的配合比 kg/m3

1.2 试件成型与养护

实际工程中,PCCP管芯混凝土浇筑后采用蒸汽养护。蒸汽养护时长共计12 h,可分为4个阶段:自然状态静置2 h、以15 ℃/h升温2 h左右、温度达到(47±5) ℃后恒温约6 h、自然降温2 h。蒸汽养护各阶段温度变化曲线如图2所示。

图2 PCCP管芯混凝土蒸汽养护各阶段温度变化

为模拟PCCP管芯混凝土的养护条件,更加真实地反映PCCP管芯混凝土的性能,所有试块前期12 h均采用蒸汽养护方式,然后根据规范要求在特定条件下进行养护[6-7]。养护条件见表5。

表5 混凝土试块养护条件

1.3 试验方法

PCCP管芯混凝土的拌合物工作性能包括流动性、密实性、抗离析性等。依据规范GB/T 50080—2016[8]开展混凝土拌合物性能试验,流动性以测定的坍落度表征,密实性以含气量判定,抗离析性以泌水率评价。

立方体抗压强度试验按照规范GB/T 50081—2019[6]进行。试块为边长150 mm的立方体标准试件,每组3个。抗渗试验按照规范GB/T 50082—2009[7]进行。抗水渗透试件采用圆台体,顶面和底面直径分别为175 mm和185 mm,圆台高150 mm,每组6个,水压稳定控制在(1.2±0.05)MPa,在恒压过程中持续稳压24 h,得到各组试件的平均渗水高度。抗氯离子渗透试件采用直径100 mm、高200 mm的圆柱体,每组3个。试验前7 d,将圆柱体试块切割成厚度为(50±2) mm的样本,养护28 d后采用电通量法进行抗氯离子渗透试验,如图3所示,以通过混凝土样本的电通量判断混凝土抗氯离子渗透性。

图3 混凝土抗氯离子渗透试验装置

收缩性能试验按照规范GB/T 50082—2009[7]进行。试件采用100 mm×100 mm×515 mm棱柱体,每组3个。蒸汽养护12 h后拆模,以拆模时的试件长度作为管芯混凝土干燥收缩的初始长度值,如图4所示。蒸汽养护结束后,随着养护龄期的增长,分别测量混凝土试件不同龄期的干燥收缩变化,得到混凝土的干燥收缩值。

图4 混凝土干燥收缩试验装置

2 试验结果分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

机制砂和天然砂混凝土拌合物的坍落度、含气量和泌水率的试验结果见表6。由表6可知：拌合物均未出现离析或泌水现象,表现出良好的工作性能；与天然砂混凝土拌合物相比，机制砂混凝土拌合物的坍落度、含气量和泌水率均呈下降趋势,主要原因是机制砂中存在一定含量的石粉,石粉颗粒的比表面积较大,提高了混凝土拌合物的黏稠度,改善了混凝土的和易性。因此,机制砂混凝土拌合物的流动性有所下降,但黏聚性相应提高,且其密实程度与抗离析性能得到提升,满足PCCP管芯混凝土浇筑的工作性能要求。

表6 PCCP管芯混凝土拌合物工作性能实测值

2.2 抗压强度

天然砂和机制砂混凝土立方体的抗压强度随龄期的变化情况如图5所示。由图5可知：蒸汽养护12 h后,混凝土试件的抗压强度均超过了45 MPa。在蒸汽养护条件下,水泥的水化反应加快进行,并促进了矿物掺合料的二次水化反应,水化产物相互交错连接,形成水泥石[9-10],使早期抗压强度得以较快地增加。养护28 d后,混凝土立方体抗压强度增长缓慢。天然砂混凝土试件在养护龄期达90 d后出现了强度降低的现象,原因在于蒸汽养护导致水泥熟料在早龄期反应过快,生成的水泥石包裹了未水化的水泥颗粒,在一定程度上阻碍了水化反应的持续进行,导致试件的后期强度增长减慢[11]。同时,受热膨胀变形不一致的影响,水泥石与集料的界面过渡区会产生微裂缝,易出现钙矾石富集现象,导致混凝土密实结构变松散[12]。

图5 混凝土立方体抗压强度随养护龄期的变化规律

配合比相同时,机制砂混凝土在不同龄期的抗压强度均高于天然砂混凝土的。主要是相对于颗粒圆润的天然砂,机制砂颗粒表面粗糙、多棱角,较大的比表面积和粗糙的表面使得其与浆体间具有更好的握裹咬合效应[2-3],与浆体的黏结性能更强。同时,机制砂中的少量石粉,具有可填充水化反应后产生的微小孔隙的微颗粒填充效应和促进水泥水化的晶核效应,可促使混凝土的内部结构更加密实,改善水泥持续水化反应的微环境,最终表现为混凝土抗压强度的提升[2,5,13]。因此,机制砂取代天然砂用于制备PCCP管芯混凝土可以满足强度要求。

2.3 抗水渗透性能

机制砂混凝土和天然砂混凝土的平均渗水高度分别为7 mm和9 mm。在配合比和养护条件相同时,两种混凝土的渗水高度均低于10 mm,抗渗性能均较好,且机制砂混凝土优于天然砂混凝土,能够满足PCCP管芯混凝土的抗渗性能要求。

2.4 抗氯离子渗透性能

混凝土抗氯离子渗透试件电通量的初始值基本一致,电通量随时间的增长趋势均匀稳定。按照规范GB/T 50082—2009[7]要求,将通过试件的总电通量换算为直径95 mm试件的电通量值,得到机制砂混凝土和天然砂混凝土的电通量分别为685 C和833 C,说明机制砂混凝土具有更好的抗氯离子渗透的能力。两种混凝土的电通量值范围为500～1 000 C,抗氯离子渗透性能符合Q-Ⅳ等级[14],均满足PCCP管芯混凝土抗氯离子渗透性能的要求。

2.5 收缩性能

机制砂混凝土和天然砂混凝土的实测干燥收缩率随时间的变化情况如图6所示。由图6可知：两种混凝土的收缩率逐渐增大,且前期收缩率增长较快；机制砂混凝土的收缩率小于天然砂混凝土的,龄期120 d时前者的收缩率比后者减小5.9%。

图6 混凝土干燥收缩率的实测值与计算值比较

采用CEB-FIP—1990规范中混凝土干燥收缩模型[2,15]来拟合本试验数据，具体如下：

εcs(t,ts)=Faβs(t,ts)εcs,0,

(1)

(2)

εcs,0=[160+βsc(90-fcm)]×10-6。

(3)

式中:εcs(t,ts)为龄期t时混凝土的干燥收缩率;Fa为细骨料影响系数,天然砂取1.0,机制砂根据本次试验数据回归分析后取0.95;εcs,0为混凝土干燥收缩率的最终值;t为混凝土龄期,d;ts为混凝土干缩开始时的龄期，取ts=0.5 d;h为截面有效厚度,mm;k1为试块形状影响系数,k1=0.014;βsc为水泥类型系数,普通硅酸盐水泥取5;fcm为龄期28 d时混凝土圆柱体抗压强度,MPa。本试验中天然砂混凝土和机制砂混凝土的圆柱体抗压强度分别取为56.6 MPa和57.1 MPa。

试验数据的拟合曲线如图6中的实线所示。由图6可知:在28 d龄期之前,混凝土干燥收缩率的计算值小于实测值;28 d龄期之后,混凝土干燥收缩率的计算值略大于实测值。总体来说,公式(1)具有较高的预测精度。

在本次试验条件下,机制砂混凝土的抗收缩性能优于天然砂混凝土的。主要原因在于机制砂中少量的石粉可以填充混凝土内的孔隙,使得毛细通道减少、自由水与结合水的散失量降低,这使混凝土的抗收缩性能更好,这与已有研究结果[15]一致。但是,如果机制砂的石粉含量较多,则会增加细集料的比表面积,使机制砂混凝土的收缩增加,高于相同配合比下天然砂混凝土的收缩值[2]。因此,合理控制机制砂的石粉含量对于控制机制砂混凝土的收缩率是必要的。

3 结论

1)机制砂与天然砂混凝土拌合物的坍落度、含气量和泌水率等工作性能均满足PCCP管芯混凝土浇筑成型要求。

2)蒸汽养护可快速提升混凝土的早期抗压强度,但不利于混凝土后期强度增长,甚至使天然砂混凝土出现后期强度倒缩现象。机制砂混凝土的抗压强度略高于天然砂混凝土的。

3)机制砂混凝土的抗水渗透和抗氯离子渗透能力均高于天然砂混凝土的,两者的平均渗水高度均不超过10 mm,抗水渗透性能较好;抗氯离子渗透能力均达到Q-Ⅳ等级。

4)机制砂混凝土的抗收缩性能优于天然砂混凝土的,并基于已有模型给出了考虑砂的种类影响的干燥收缩计算公式。

5)机制砂混凝土能够满足PCCP管芯混凝土的生产工艺、强度与耐久性要求。考虑到机制砂的原料和稳定的生产工艺、成品性能,其用于制备PCCP管芯混凝土是可行的。