矿物掺合料对超高性能水工混凝土性能影响分析

吴 宪

(盘锦市水利服务中心,辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

超高性能水工混凝土具备超低抗渗性、超高韧性和超高强度等特性,其氯离子扩散系数不超过20×10-14m2/s,抗拉与抗压强度不低于5MPa和120MPa,0.15%变形的抗压能力达到3MPa及以上[1-3]。因此,在水利工程领域超高性能水工混凝土的应用前景非常广阔,越来越引起材料研究者的重点关注。

通过选择合适的原材料实现孔隙率下降、密实度增大以及颗粒最紧密堆积,在提高浆体强度的情况下增大纤维与浆体、集料与浆体间的黏结力,从而达到超高性能混凝土高韧性和高强度的目的。其中,矿物掺合料与水泥组成的胶凝材料是决定超低渗透性、超高韧性及超高强度的重要因素。矿物掺合料发生火山灰反应和水泥发生水化反应形成的各种产物有效填充了结构体系中的孔隙,为各组分提供了连接胶结物质,这也是实现超高耐久、超高韧性以及超高强度的物质基础。另外,超高性能水工混凝土胶砂比约为1.0,且大多数情况下仅使用细集料,故胶凝材料的成本及用量占比较高。然而,对常用掺合料类型、作用机理已成为超高性能水工混凝土研究应用的重点。鉴于此,文章重点梳理与分析了玻璃微粉、偏高岭土、稻壳灰、矿渣粉、粉煤灰、硅灰等常用矿物掺合料理化性质及其影响,旨在为科学优化与选择矿物掺合料提供一定参考。

1 超高性能水工混凝土性能

1.1 硬化强度

较高的抗拉强度和优异的力学性能是超高性能水工混凝土的显著特征,一般其抗折、抗拉、抗压强度可以达到15～40MPa、5～15MPa和120～200MPa,随着研究的深入和减水剂性能的提升其力学性能还具有较大的提升空间。

超高性能水工混凝土强度受矿物掺合料的有利影响主要体现在以下方面:矿物掺合料的自身填充作用能够填充堆积体系中的孔隙与空隙,增大整体密实度和强度;同时,其火山灰效应有利于增加浆体密实度,生成产物的胶结作用还可进一步增加浆体强度;另外,发生的火山灰反应会消耗水泥水化产生的大量Ca(OH)2,其中的C-S-H凝胶对浆体强度贡献优于水泥水化产物[4]。

尺寸细小呈圆球状的硅灰颗粒具有极高的SiO2含量,因此其火山灰反应活性高且填充作用较强,在两者共同作用下硅灰具有及其显著的强度增强作用。研究发现,随硅灰掺量的增加其强度提升效果表现出先增大后下降的变化趋势。硅灰掺量不超过10%时所发挥的作用有限,对强度提升效应不明显;掺量处于10%～20%之间时,硅灰掺量与混凝土强度开始表现出正线性相关性;掺量超过20%时,随硅灰掺量增大混凝土强度反而减小。这是因为掺10%～20%硅灰时能够大大提高结构体系的整体密实度和强度,掺量超过20%以后过多的微细硅灰颗粒使得拌合物更黏稠,流动性下降并形成有害孔隙,对孔结构细化造成不利影响,并使得混凝土强度特别是抗拉强度明显降低。因此,考虑强度时硅灰的最佳掺量为10%～20%。

粉煤灰与水泥颗粒尺寸接近,在混凝土中发挥着活性效应,其火山灰反应的产物能够起到一定的孔隙填充作用和胶结效应,对提高强度具有积极作用。然而,粉煤灰相比于硅灰的早期火山灰反应活性较低,随粉煤灰掺量的增加超高性能水工混凝土早期强度(前7d)降低,但随着火山灰反应的开始混凝土中期强度逐渐提高。另外,粉煤灰需要在孔溶液中才能发生火山灰反应,而超高性能水工混凝土水胶比较低,一般≤0.22,孔隙内的溶液量有限,粉煤灰火山灰反应与水泥水化反应可能会存在竞争用水的情况,降低粉煤灰增强中后期强度的作用[5-6]。

矿渣粉与水泥颗粒的尺寸分布也比较相近,其表面持水能力和减水剂吸附量相较于水泥较弱。虽然矿渣粉的润滑作用有限、颗粒表面多棱角且不规则,但其替代部分水泥后不需要增加减水剂用量和用水量。矿渣粉相比于水泥的反应活性较低,早期火山灰反应几乎不会发生,故掺入一定矿渣粉能够改善浆体流动性,后期逐渐发挥孔隙结构优化和增强作用。

偏高岭土火山灰活性强度增强效果显著,相比于矿渣粉和粉煤灰其颗粒尺寸也较小,因成本价格较低常被用作硅灰的替代材料。同时,偏高岭土的活性受煅烧工艺及高岭土性质的影响较大,偏高岭土等量替代硅灰能够在一定程度上提升抗折强度,对强度不利影响较低。

玻璃微粉水泥的颗粒尺寸相近,这样既可以防止碱集料反应的发生又能够充分发挥其较强的火山灰效应,有利于提高混凝土强度。掺量不超过40%时,随玻璃微粉掺量的增加超高性能水工混凝土强度逐渐增大,掺量达到50%时强度不再增大反而表现出下降趋势。

稻壳灰颗粒内部吸收储存的水分后期发挥内养护作用、火山灰反应和填充作用共同影响着超高性能水工混凝土强度。另外,在发挥储水作用的同时稻壳灰颗粒内部的孔隙结构还会降低颗粒自身强度,当稻壳灰掺量较高超高20%时混凝土强度显著降低,相比于其它矿物掺合料的掺量上限稻壳灰明显较低。

1.2 微观结构

玻璃微粉、稻壳灰、硅灰都含有活性SiO2,具有较高的反应活性和水化促进效应,从微观上对浆体的影响存在较大差异。硅灰具有更显著的孔隙优化效应,浆体孔隙率随一定硅灰掺量的增加而减小,随掺量的增大孔隙结构逐渐改善;稻壳灰的早期优化作用较弱,这种多孔结构的内养护效应对中后期微观结构优化具有明显作用;受致密的结构和颗粒尺寸限制,玻璃微粉相较于硅灰的微观结构填充作用较低,其相较于稻壳灰优化中后期微观结构的作用也较弱。

研究超高性能水工混凝土微观结构时应考虑浆体“缺水”和迁移变化等因素,在自然养护条件下并不利于矿渣粉和粉煤灰快速发生反应。所以,为加速矿渣粉和粉煤灰的反应通常利用蒸压养护或蒸汽养护的方式。

偏高岭土相比于硅灰具有更加明显的细化后期微观结构的作用,由于增加偏高岭土掺量会显著增大混凝土用水量,随偏高岭土掺量的增大硬化后浆体的孔隙率表现出先减小后增大的趋势;掺量较低不超过20%时,随偏高岭土掺量的增大混凝土孔隙率逐渐减小,掺量进一步增≤30%时孔隙率将明显增大。

1.3 收缩性能

根据发生时间可以将收缩划分成塑性和硬性收缩,考虑不同成因又可以划分成碳化、干燥、温降、化学和干收缩等。超高性能水工混凝土因具有无粗骨料、高凝胶材料用量和低水胶比等特点,其收缩一般表现为自收缩。其极低的水胶比使得混凝土内部出现自干燥的时间较早,湿度下降较快使得混凝土自收缩占比较高;同时,参与蒸发的水分很少,决定了自收缩总体变形有限。所以,在超高性能水工混凝土收缩中自收缩具有主导作用,故主要探讨自收缩受几种矿物掺合料的影响。

超高性能水工混凝土自收缩受内部水分和孔结构影响,水量相同的情况下水泥水化对水分的消耗程度决定了体系中的含水量,水化产物的填充效应直接关系着孔隙结构。

从孔结构上,随着水化的进行毛细孔中的水分逐渐减少,孔内凹液面的曲率增大致使溶液对孔壁的表面张力也逐渐提高,这也是混凝土自收缩的源动力。研究认为,混凝土内产生自干燥效应和引起毛细张力明显增加的孔直径为5～50nm范围,这与自收缩变形存在着密切联系。

硅灰的早期活性较高,这使得内部水分消耗较快。因此,硅灰的掺入会明显加剧自收缩及其程度。硅灰及其反应产物对孔隙结构起到细化与分割、对较大或大孔发挥较强的填充作用,对与自收缩密切相关的孔隙消除效果非常有限。研究认为,硅灰的掺入会显著提高5～50nm孔径的孔隙含量,使得混凝土自收缩明显加剧。

矿渣粉和粉煤灰具有延缓水泥水化的作用,并且两者的早期火山灰活性可以忽略不计。所以,矿渣粉和粉煤灰具有降低水泥水化消耗水分的作用,可以减少自收缩,其作用机理与一般混凝土类似。两者对孔结构的填充效应小于硅灰,毛细孔张力及数量相对减少,有利于减小混凝土收缩。另外,粉煤灰的活性稍低于矿渣粉,将其粉磨至更小的颗粒后会显著增强填充效应,加快火山灰反应效率以及加剧混凝土自收缩。

玻璃微粉具有较高的火山灰活性,有利于促进水泥水化,所以掺玻璃微粉会加速水分的消耗和混凝土自收缩。玻璃微粉及其火山灰反应产物具有细化孔结构的作用,通过填充体系内的孔隙增加毛细孔的数量,导致自收缩的增加以及毛细孔内自干燥效应的加剧。

稻壳灰有利于促进水泥水化反应,加速体系中水分消耗,但稻壳灰特殊的孔隙结构可以储存水分,在一定程度上起到内养护作用,有利于减少自收缩、减缓自干燥效应及缓解混凝土内部的“缺水”问题。

偏高岭土具有较高的火山灰效应和较强的水泥水化促进作用,偏高岭土的掺入可以促进自收缩的形成与发展,加速内部水分的消耗。另外,偏高岭土及其火山灰反应产物能够细化混凝土内部孔隙分布,通过填充内部孔隙,在一定程度上促进自收缩的形成与发展。

2 结 论

1)拌合物中呈球形的粉煤灰和硅粉颗粒具有滚珠作用,有利于增大流动性,但硅灰极高的需水量和减水剂吸附量使得拌合物流动性大大降低;而多棱角的玻璃微粉和矿渣粉颗粒对拌合物流动性的改善作用低于粉煤灰;稻壳灰与偏高岭土颗粒的减水剂吸附效果和溪水作用较强,随着其掺量的增加拌合物流动性明显降低。

2)矿物掺合料通过填充和火山灰效应可以生成对强度贡献较大、可发挥胶结作用的产物增强超高性能水工混凝土强度。硅灰提升混凝土强度作用最显著,活性较高的偏高岭土对强度提升作用比较明显,受自身活性限制粉煤灰、矿渣粉在一定程度上会降低早期强度,对中后期有增强作用,玻璃微粉具有一定的提高混凝土强度作用,稻壳灰利用其内部储存内养护作用,可以增强混凝土中后期强度,但稻壳灰掺量过高会明显降低其强度。

3)矿物掺合料通过改变内部孔结构和含水量影响超高性能水工混凝土的自收缩,硅灰会显著增加自收缩,矿渣粉于粉煤灰能够降低自收缩,而掺入玻璃微粉和偏高岭土会小幅增加超高自收缩,稻壳灰可利用其内部储存水分的内养护作用减缓自收缩。