微珠对低温自密实混凝土性能的影响

2023-01-09王浩谭盐宾杨鲁郑永杰吴俊杰付志勇李林香

铁道建筑 2022年11期

王浩谭盐宾杨鲁郑永杰吴俊杰付志勇李林香

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

自密实混凝土是一种高流动性且稳定的混凝土，在没有振捣的情况下可以穿越密集钢筋，能在模板中填充成型且不离析［1］。学者们［2-3］系统研究了水胶比、胶凝材料种类、骨料、外加剂等因素对自密实混凝土拌和物和硬化混凝土性能的影响。自密实混凝土冬季施工时，由于拌和物温度较低，水泥颗粒表面减水剂的吸附量减少从而影响其分散性能［4-5］。宏观上表现为自密实混凝土较黏，不利于浇筑。在自密实混凝土中掺加1.5%的微珠T500能缩短64%，降低混凝土黏度［6］。将超细粉煤灰掺入超高性能混凝土中，不仅可以降低新拌砂浆屈服应力和塑性黏度，还可改善硬化混凝土密实度［7］。降低亲水亲油平衡值（HLB值）的聚羧酸减水剂掺入混凝土中亦可有效降低混凝土黏度［8］。

微珠是将优质粉煤灰经工艺精选、加工而成的超细且具有连续级配的一种亚微米级球状粉体，能有效改善混凝土的和易性，减少单方混凝土用水量。此外，掺入微珠方便且成本低廉，适用于各种强度等级混凝土。本文以新拌混凝土温度和养护温度均为20℃时未掺加微珠的自密实混凝土作为基准组，研究浆体温度和养护温度均为5℃时，微珠掺量对混凝土工作性能、塑性黏度、力学性能和耐久性能的影响，对自密实混凝土冬季施工有一定指导作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

水泥为北京金隅北水环保科技有限公司P·O 42.5级水泥，矿粉为灵寿县宁博矿产品有限公司生产的S95级磨细矿渣粉，微珠由天津志成新材料科技有限公司生产，砂为细度模数2.4的河砂，石子为5～16 mm的碎石，减水剂与增黏剂均为自制。不同胶凝材料的粒径分布见图1，微珠的化学组成见表1。

图1 不同胶凝材料的粒径分布

表1 微珠的化学组成 %

1.2 混凝土配合比

混凝土强度等级为C40，控制混凝土坍落扩展度在640～670 mm，含气量为6%～7%。具体配合比见表2。其中：H0表示高温（20℃）时不掺微珠混凝土，L2.5表示低温（5℃）时掺入微珠混凝土，微珠掺量占胶凝材料总量的2.5%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 试验

2.1 扫描电镜测试

采用德国ZEISS公司生产的Merlin场发射扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）测试微珠颗粒的微观形貌。

2.2 新拌混凝土工作性能测试

新拌混凝土工作性能指标包括坍落扩展度、扩展时间T500（自坍落度桶提起至自密实混凝土坍落扩展度达到500 mm的时间）、含气量和V形漏斗流出时间。其中：新拌混凝土坍落扩展度和T500按照Q/CR 596—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土》中要求测试；含气量和V形漏斗流出时间按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中要求测试。

2.3 新拌混凝土流变参数测试

将新拌混凝土装入流变仪测试桶中，静置60 s。以转速为控制变量，首先以最高转速0.5 r/s加载20 s；设置10个测试点，每个测试点间隔5 s，转速等量递减；持续加载，最终转速为0.05 r/s。对测得的流动曲线进行拟合，得到扭矩与转速之间的关系，即

式中：TO为扭矩，N·m；N为转速，r/s；Y为与屈服应力有关的常数，N·m；V为与塑性黏度有关的常数，N·m·s。

基于Reiner-Riwlin公式［式（2）］［9］，以扭矩为横坐标，转速为纵坐标绘制扭矩-转速图。斜率与塑性黏度、圆筒的高度和半径相关，而截距与屈服应力、黏度和圆筒半径相关。由此可计算新拌混凝土的流变参数，即屈服应力和塑性黏度。

式中：h为叶片高度，取0.127 m；μ为塑性黏度，Pa·s；R1、R2分别为叶片和圆筒的半径，分别取0.064 m和0.286 m；τ0为屈服应力，Pa。

2.4 硬化混凝土力学性能和耐久性能测试

硬化混凝土抗压强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试，硬化混凝土电通量和抗冻性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试。抗压强度测试龄期为3、7、28、56 d，电通量测试龄期为28、56 d，抗冻性能测试龄期为56 d。

3 试验结果与讨论

3.1 微观结构分析

微珠的微观形貌见图2。可见：微珠含有大小不一的球形颗粒，将微珠掺入胶凝材料体系中可以起到滚珠或轴承作用，有效减少颗粒间的摩擦阻力，降低浆体黏度，提高新拌混凝土的工作性能。

图2 微珠的微观形貌

3.2 微珠掺量对混凝土工作性能指标和塑性黏度的影响

混凝土工作性能指标和塑性黏度测试结果见表3。

表3 混凝土工作性能指标和塑性黏度测试结果

由表3可知：

1）随着新拌混凝土温度降低，减水剂掺量、T500、V形漏斗流出时间和塑性黏度均增加，而混凝土含气量有所降低。原因是：混凝土温度的降低不仅减缓了水泥水化速率，还降低了聚羧酸减水剂对水泥颗粒的吸附能力。聚羧酸减水剂与水泥颗粒的吸附-分散机理主要为静电斥力作用和空间位阻作用［10］。通常减水剂分子首先吸附于C3A和C4AF（图3［11］），由于水化速率降低，生成的水化产物减少，水泥颗粒吸附减水剂分子的数量减少，分散能力下降；聚羧酸减水剂的长侧链游离于液相体系中发挥空间位阻作用，增加了水泥颗粒的分散稳定性［12-13］。温度降低使长侧链发生蜷曲的概率增加，造成空间位阻作用减弱，分散能力受限。

图3 水化水泥颗粒横截面

2）新拌混凝土温度为5℃时随着微珠掺量增加，减水剂掺量、T500、V形漏斗流出时间和塑性黏度逐渐降低，而混凝土含气量略有增加。微珠掺量10%时低温混凝土（5℃）的工作性能与常温混凝土（20℃）相差不大。这是因为微珠的掺入能部分替换原空隙中的拌和水，使之转化为自由水，增加了包裹骨料浆体膜厚度，加之微珠光滑球形结构的协同作用，有效降低新拌混凝土浆体黏度，使得其工作性能得到改善。

3.3 微珠掺量对硬化混凝土抗压强度和电通量的影响

硬化混凝土抗压强度和电通量测试结果见表4。可知：①养护温度20℃时混凝土抗压强度明显高于5℃时，混凝土中未掺入微珠时，前者56 d混凝土抗压强度比后者高9.8%。②养护温度5℃时，随着微珠掺量增加，混凝土3 d抗压强度显著降低，而56 d抗压强度变化不大。③养护温度从20℃降至5℃，未掺微珠混凝土28 d时电通量明显增加，但56 d时相差不大。④养护温度5℃时，混凝土28、56 d电通量总体上随着微珠掺量增加而增大，但56 d电通量增幅不大，表明微珠不同掺量下56 d时混凝土密实度相差不大。原因是：在水化初期微珠与拌和水不发生水化反应，影响了硬化水泥石早期强度；随着水泥水化，微珠中无定型SiO2与水化产物CH发生火山灰反应生成C-S-H凝胶，可填充水泥石毛细孔隙，增加水泥石强度和密实度。