机制砂对超高性能水工混凝土性能影响试验分析

单国伟

(辽宁省阜新市彰武县应急管理事务服务中心,辽宁 彰武 123200)

超高性能水工混凝土主要是通过增强其各组分材料的水化活性及比表面积最大程度地减少体系内部的孔隙、微裂缝等缺陷,从而达到高耐久性和超高强的目的,施工建设的水利工程服役年限可以达到一百年以上,其优越的耐久性能越来越引起水工领域广大学者的青睐[1-3]。在短短几年里超高性能水工混凝土已被广泛应用诸多工程,其应用前景非常广阔。

随着国民环保意识的增强及水利事业的快速发展,天然砂已无法满足水利工程建设需求,使用机制砂配制超高性能水工混凝土必然成为未来的发展趋势[4-8]。机制砂与天然砂相比具有棱角尖锐、表面粗糙、石粉含量高和堆积空隙率大等特点,其0.35～0.63mm的颗粒含量少,实际使用时拌合物和易性较差,易出现离析泌水。机制砂的生产工艺主要包括机械破碎、筛分、岩石除土开采等,现阶段一般选用干粉生产法,由于分选工艺、破碎方式和岩石种类不同,机制砂质量及其石粉含量往往存在较大差异,对水工混凝土所带来的影响不可忽视[9]。鉴于此,本试验通过改变机制砂的掺量,探讨了对超高性能水工混凝土流动性及强度的影响。

1 试验方法

1.1 原材料

水泥:“华新牌”P·Ⅱ52.5级水泥,比表面积365m2/kg,标稠用水量25.1%,安定性(雷氏法)合格,3d抗折与抗压强度6.6MPa、34.2MPa,28d抗折与抗压强度9.8MPa、60.5MPa。

硅灰:山东博肯硅材料有限公司生产的S95级硅粉,比表面积20000m2/kg,SiO2含量98.1%,需水量比106%,28d活性指数125%。

粉煤灰:大连华源粉煤灰有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰,需水量比103%,细度18.2%,28d活性指数75%。

外加剂:市场上购买的XK-540P型聚羧酸高效减水剂,固含量22.5%,减水率30%,通过调整坍落度确定最佳减水剂掺量。

砂:细度模数2.1的河砂和3.6的机制砂,河砂含泥量0.25%,机制砂石粉含量8.0%。

粗骨料:大连建材厂生产的花岗岩碎石,粒径级配0～20mm,压碎指标7%,表观密度2710kg/m3。

纤维:徐水正达钢纤维厂生产的端钩型钢纤维,长度20mm,直径350μm,弹性模量220GPa,断裂强度1250MPa。

1.2 方案设计

由于超高性能水工混凝土对耐久性和强度要求较高,故设计水胶比0.24。为保证拌合物流动性,减少水泥用量以及增强混凝土任性,确定减水剂掺量2.0%,粉煤灰与硅灰掺量10%,钢纤维掺量1%,试验配合比如表1所示。

表1 超高性能水工混凝土配合比

1.3 试验方法

根据试验配合比预先精准称量所需原材料,将20%的水、机制砂与河砂倒入搅拌机内搅拌120～180s,拌合均匀后再倒入粉煤灰、硅灰和水泥搅拌300～360s,拌合均匀后加入碎石再搅拌120～180s,然后倒入钢纤维搅拌120～180s至均匀分散,最后倒入减水剂和剩余80%的水拌和300s～360s。完成以上操作后倒出混合物,并立即测定流动度,经浇膜、插捣、振动和抹刀刮平等一系列处理后,对各组试件编号,为减少水分蒸散发表面覆盖塑料薄膜,室内洒水养护24h后拆模,将混凝土试件送到标养室养护至规定龄期,并按规程测定不同龄期的强度。

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、《水工混凝土试验规程》中推荐的方法测试拌合物流动度,以及边长100mm立方体试件抗压及400mm×100mm×100mm棱柱体试件抗折强度,控制抗压加载速率1.2～1.4MPa/s,抗折加载速率0.08～1.4MPa/s,每组试件3个以保证数据精度,准确记录破坏时试件的最大荷载,按规范要求计算抗折与抗压强度。

2 结果与分析

2.1 拌和物流动度

掺机制砂超高性能水工混凝土扩展度与坍落度测试结果如图1所示。结果表明,水胶比为0.24时,新拌混凝土扩展度与坍落度均随机制砂掺量的增加表现出先增大后维持稳定的变化趋势,掺0%～40%机制砂时拌合物流动度逐渐提高,掺40%～60%机制砂时拌合物流动度基本不变。掺0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%机制砂时拌合物坍落度依次为240mm、255mm、260mm、265mm、270mm、270mm、270mm,相较于P0基准组坍落度增幅依次为6.25%、8.33%、10.41%、12.50%、12.50%、12.50%;掺0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%机制砂时拌合物扩展度依次为400mm、410mm、430mm、510mm、605mm、605mm、605mm,相较于P0基准组扩展度增幅依次为2.50%、7.50%、26.25%、51.25%、51.25%、51.25%。

(a)坍落度

虽然机制砂相比于河砂具有形状不规则、表面粗糙、级配较差等特点,但机制砂的掺入在一定程度上改善了拌合物的流动性能。这是由于超高性能水工混凝土的水胶比较低,用水量较少无法维持水泥的完全水化,部分水泥发挥着微集料效应,而水泥细度与机制砂内的石粉相近,石粉能够替代未水化水泥的微集料效应,并且石粉相较于水泥的需水量明显较低,所以机制砂的掺入有利于增加拌合物流动度[10]。

2.2 力学性能

对水胶比0.24时,对标养3d、7d、28d的超高性能水工混凝土进行抗折与抗压强度的测试,如表2、表3和图2所示。

(a)抗压强度

表2 超高性能水工混凝土抗压强度

表3 超高性能水工混凝土抗折强度

结果表明,各龄期超高性能水工混凝土抗折与抗压强度随着机制砂掺量的增加整体表现出先增大后减小的变化趋势。通过分析表2、3可知,标养3d、7d、28d时P1组试件的抗压强度依次增加17.73%、15.43%和13.33%,抗折强度依次增加49.37%、17.20%和10.20%。因此,掺入机制砂后超高性能水工混凝土的抗折、抗压强度均有所提升,但随着养护龄期的延长其增幅逐渐下降。这是由于掺入的机制砂含有大量石粉,细度较小的石粉可以填充水泥颗粒间的孔隙,通过微集料填充效应优化粉体级配,从而提高整体密实度。有学者认为在搅拌过程中掺入的适量石粉有利于充分分散粉体颗粒,通过填充浆体空时提高混凝土的密实度和强度;另外,石粉的晶核效应可以与C4AF、C3A生成等成分水化碳酸钙,可以与其它产物搭接实现结构密实度和强度的提升。试验后期,水泥浆与骨料颗粒之间的稳定性较好,整体已经黏结牢固,所以强度增幅减小;另外,由于水胶比较小,后期未水化的水泥也没有足够的水继续水化,故强度增幅也会有所降低[11]。

经对比分析,掺0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%机制砂时超高性能水工混凝土28d抗压强度依次增大13.33%、8.41%、7.18%、7.07%、5.05%、4.21%,抗折强度依次增大10.60%、10.40%、6.31%、1.07%、0.74%、0.40%。因此,机制砂的掺入在一定程度上提高了超高性能水工混凝土28d强度,但随着掺量的增加其增幅逐渐减小。这是由于机制砂掺量越高所加入的石粉就越多,石粉过多时会增加混凝土的最可几何孔径,对密实堆积结构产生一定的破坏作用,使得强度增幅有所减小;另外,在混凝土体系中过多的石粉为游离状态,留存于水泥与骨料界面过渡区的石粉颗粒对水泥浆和骨料的黏结会产生阻碍作用,这也会使得强度增幅出现减小[12-14]。

3 结 论

1)将机制砂掺入超高性能水工混凝土中可以提高拌合物流动性,掺40%～60%机制砂时拌合物扩展度与坍落度达到最高,其抗折与抗压强度均高于未掺机制砂混凝土。这是因为水胶比较低时,用水量较少无法维持水泥的完全水化,部分水泥发挥着微集料效应,而水泥细度与机制砂内的石粉相近,石粉能够替代未水化水泥的微集料效应,并且石粉相较于水泥的需水量明显较低,所以机制砂的掺入有利于增加拌合物流动度。

2)将机制砂掺入超高性能水工混凝土中可以提高其抗折、抗压强度,掺10%～20%机制砂时其抗折与抗压强度最高,与基准对照组相比强度明显提升,并且早龄期抗折高于抗压强度增幅。这是因为掺入的机制砂含有大量石粉,细度较小的石粉可以填充水泥颗粒间的孔隙,通过微集料填充效应优化粉体级配,从而提高整体密实度和强度。另外,试验后期水泥浆与骨料颗粒之间的稳定性较好,整体已经黏结牢固,所以后期强度增幅降低。