摘 要:目的研究摻超細粉煤灰(Ult ra - fine Fly Ash ,簡稱UFA) 的道路混凝土早期自收縮特征及UFA 對混凝土早期開裂敏感性的影響規(guī)律. 方法以UFA 等量取代水泥配制UFA 道路混凝土,采用自行改進設計的混凝土自收縮測試裝置測試混凝土早齡期(72h 以內(nèi)) 的自收縮變形,并利用平板式限制收縮開裂試驗方法研究混凝土成型26h 內(nèi)的表面開裂特征;在試驗基礎上,評價UFA 道路混凝土的早期開裂敏感性. 結(jié)果隨著UFA 的摻入,混凝土的早期自收縮變形顯著減小,在保持相同流動度條件下,明顯低于基準混凝土,早期抗裂性能也優(yōu)于基準混凝土,且隨UFA 摻量的增加,早期抗裂性能隨之增強. 結(jié)論摻入適量的UFA 可有效地減小道路混凝土的早期自收縮,從而降低早期開裂敏感性,延長路面結(jié)構(gòu)的服役壽命,并為UFA 在實際工程中的應用提供了理論和技術(shù)支持.
關(guān)鍵詞:超細粉煤灰;道路混凝土;早期;自收縮;開裂敏感性
中圖分類號: TU528137 文獻標識碼:A
隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展,高強、高性能混凝土是現(xiàn)今混凝土發(fā)展的趨勢[1 ] ,而降低水膠質(zhì)量比、摻用活性礦物摻合料以及外加劑等正是配制高強高性能混凝土的主要技術(shù)途徑. 但是低水膠質(zhì)量比的混凝土能提供水泥水化的自由水分少,早期強度發(fā)展較快使自由水分的消耗也較快[2 ] ,因而在無外界供水的情況下更易產(chǎn)生自收縮尤其早期的自收縮加大[3 ] ,并導致開裂,繼而影響混凝土的強度和耐久性. 因此,在高強高性能混凝土中,自收縮現(xiàn)象已是一個造成開裂破壞的主要原因[4 ] ,在總收縮中所占的比例已越來越大,必須引起足夠的重視.
在公路混凝土工程中,為追求施工速度,有時為了盡早開放交通(如在路面修補工程中) ,往往強調(diào)早期強度的增長,通常采用低水膠質(zhì)量比,并摻用超塑化劑以及活性摻合料等,導致混凝土早期自收縮加大,是造成路面混凝土過早開裂的一個重要因素. 在本文的研究中,通過摻入適量超細粉煤灰(Ult ra - fine Fly Ash ,簡稱UFA) 配制用于公路路面的道路混凝土,并通過試驗研究UFA摻入對混凝土自收縮變形的影響規(guī)律,分析低水膠質(zhì)量比條件下UFA 道路混凝土早期收縮變形作用效應及其開裂敏感性,為實際的路面混凝土工程提供一定的理論支持.
1 原材料及試驗方法
1．1 原材料
?、偎?42. 5 # 普通硅酸鹽水泥; ②超細粉煤灰(UFA) :化學成分及物理性質(zhì)如表1 ; ③砂:河砂,細度模數(shù)為2. 75 , Ⅱ區(qū)級配合格; ④石:河卵石,符合5～40 mm 連續(xù)級配要求,壓碎指標為6.2 %; ⑤外加劑: TQN 萘系高效減水劑.
1．2 試驗方法
1．2．1 自收縮試驗方法
關(guān)于混凝土自收縮的測試方法,并沒有形成統(tǒng)一的試驗標準. 本研究通過總結(jié)前人研究成果并加以改進,采用電感調(diào)頻式微位移傳感器[5 ]進行測試,是一種接觸式的測試方法,即將混凝土微位移收縮量轉(zhuǎn)化成電量信號的輸出頻率變化來反映. 其測量范圍: 0～2 000 μm ,測量精度可達1μm ,其信號采集和溫度測試一樣可采用儀表數(shù)字顯示,利用筆者研究設計的接觸式位移傳感器主要測量混凝土初凝后的自收縮變形(試驗裝置及密封處理如圖1 所示) .
其具體試驗步驟及方法:
(1) 試件成型于不銹鋼試模內(nèi),試模的密封處理如圖1 ,測試時為使試驗簡便,采取試件一端固定,另一端放松,與微位移傳感器測頭相接觸.
(2) 混凝土試件分兩次成型,首先成型試模深度的一半,振搗、密實,然后放入測溫元件,再加入剩余混凝土,并振搗密實,抹平表面,然后馬上密封試模.
(3) 到混凝土接近初凝(6 h) 時抽去兩側(cè)及測試端的聚四氟乙烯墊板,使試件與試模壁分離,并安裝上微位移傳感器,使其測頭與測試端測頭相接觸,帶模測定混凝土的自收縮,通過儀表顯示記錄初始讀數(shù),并換算成位移量.
(4) 測量的同時監(jiān)控試件內(nèi)部的溫度變化,并對所測的自收縮值進行修正,試驗主要測量混凝土早期72 h (3 d) 內(nèi)的自收縮變形,測試期間要保證整個測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,避免位移傳感器或測頭的碰撞,以免影響試驗精度,測試環(huán)境條件為:溫度25 ℃,相對濕度75 % ,在恒溫恒濕室進行.
(5)數(shù)據(jù)處理方法:將頻率變化轉(zhuǎn)化成位移變化值,其線形變換標度公式可為Y = aX + b , Y 為位移量,單位為μm; X 為頻率,單位為Hz ; a、b 為常數(shù).
1．2．2 混凝土早期抗裂性能試驗方法
本文試驗采用的平板法模具參考Kraal[6 - 7 ]等人研制的儀器自行加工制造. 模具尺寸: 600mm ×600 mm ×80 mm. 測試混凝土成型后26 h內(nèi)的表面開裂敏感性. 評定開裂等級的準則:1) 僅有非常細的裂紋;2) 平均開裂面積< 10 mm2 ;3)單位面積開裂數(shù)< 10 條/ m2 ;4) 單位面積總開裂面積< 100 mm2/ m2 ;開裂等級劃分:按照上述4個準則將開裂程度劃分為5 個等級: Ⅰ級———滿足所有的4 個條件; Ⅱ級———滿足3) 和4) ; Ⅲ級———滿足2) 和4) ; Ⅳ級—滿足1) 和4) ; Ⅴ級—一個也不滿足.
1．2．3 其他試驗方法
混凝土力學性能、耐磨性能試驗均按《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》J TJ 053 - 94 進行.
2 試驗結(jié)果及分析
2．1 UFA 道路混凝土的配制
以20 %～40 %的UFA 等量取代水泥配制混凝土,配合比如表2 所示.
212 早期自收縮試驗及分析
在保持相似流動度條件下配制了基準混凝土及UFA 混凝土(配合比見表2) ,并測試了早期72h 的自收縮變形,結(jié)果如圖2 所示.
試驗表明,UFA 混凝土早期自收縮變形表現(xiàn)出以下幾個特點.
(1) 隨UFA 的摻入,混凝土自收縮變形得到較明顯的改善,較基準混凝土都有不同程度的減小. 從成型6 h (初凝) 時算起,摻20 %～40 %UFA的混凝土1d 變形值分別為301 ×10 - 6 、284 ×10 - 6 、261 ×10 - 6 ,分別為基準混凝土的82. 5 %、77. 8 %、71. 5 % ,且隨UFA 摻量的增大,自收縮變形降低.
(2) 由圖可知,從成型后6h 算起,混凝土的自收縮變形在3～15h 之間增長較為迅速,從水化進程考慮,此時段應為混凝土成型后的水化放熱高峰期,所以水化反應加速,內(nèi)部水分消耗加快,因而自干燥程度加深,自收縮變形增大,所以在早期加強混凝土的保濕養(yǎng)護是至關(guān)重要的.
(3) 從混凝土的配合比來考慮,早期自收縮變形主要決定于混凝土的有效水灰質(zhì)量比(W/ C ,即實際加水量與水泥量的比值) . 隨UFA的摻入,因UFA 早期不參與水化,混凝土早期反應的有效水灰質(zhì)量比是隨UFA 取代水泥量的增加而增大的,這樣混凝土自由水分增多,而在與外界環(huán)境無物質(zhì)交換的條件下,自由水分的增多使混凝土自干燥現(xiàn)象減弱,自收縮變形降低.
另外,通過試驗發(fā)現(xiàn),采用本試驗改進的混凝土自收縮測試裝置進行測量,具有測試精度高,可連續(xù)測量等優(yōu)點,尤其對于早期低水膠質(zhì)量比混凝土自收縮具有較好的測量效果.
2．3 早期抗裂性能試驗及分析
混凝土早期抗裂性能測試如圖3 所示. 按照前述試驗方法進行試驗,記錄其觀測結(jié)果,如表3 所示,并對其抗裂性能等級進行劃分,如表4 所示.
根據(jù)試驗結(jié)果,基準混凝土在10 h 時出現(xiàn)裂縫;并且隨著齡期的延長,裂縫數(shù)目及寬度、長度等都有不同程度的增長;到23 h 時,出現(xiàn)肉眼可見的裂縫3 條,其中一條裂縫最大寬度達到0. 5mm ,長度達85 mm. 而摻UFA 的混凝土表現(xiàn)出較好的抗裂性能,隨著UFA 摻量的增加,混凝土抗裂性能呈現(xiàn)不斷增強的趨勢;連續(xù)吹風到23 h時,摻UFA20 %和30 %的混凝土出現(xiàn)裂縫條數(shù)分別只有兩條和一條,其中最大裂縫寬度也僅有0.15 mm ;而UFA 摻量40 %的一組直到吹風結(jié)束(26 h) 沒有肉眼可見裂縫,對UFA 道路混凝土抵抗早期收縮開裂的等級劃分均為“I 級”. 這說明UFA 的摻入能有效的抑制混凝土的開裂,其開裂敏感性大大降低,提高了抵抗表面收縮開裂的能力.學術(shù)界對于礦物超細粉的摻入是否增大混凝土早期開裂的可能性存在較多的爭議[8 - 9 ] ,本文研究發(fā)現(xiàn)UFA 的摻入可有效降低混凝土早期開裂敏感性,針對其作用機理可從以下方面展開分析.
(1) UFA 的摻入取代了一定的水泥量,水化早期有效水灰質(zhì)量比增大,使得參與水泥水化的水分減少,自由水分增多,這部分自由水分也有利于緩解表面毛細管壓力,進而減小塑性收縮應力引發(fā)的表面開裂作用.
(2) UFA 顆粒為品質(zhì)較好的粉煤灰顆粒,其需水量較小,同時形成的微骨架能有效鎖住水分,保持整個結(jié)構(gòu)的水分不易被蒸發(fā),降低表面水分的蒸發(fā)速率.
(3) 文獻[ 10 ]認為水膠質(zhì)量比在0. 36 以下時,粉煤灰摻入形成有利的中心質(zhì)效應圈的說法也能作為一個理由. 由于UFA 的減水效應,使得UFA 混凝土水膠質(zhì)量比要低于基準混凝土(均小于0. 36) ,水膠質(zhì)量比越低,粒子間間距越小,這種效應圈作用越強[1 ] ,同時有利的中心質(zhì)效應使界面過渡區(qū)得到加強,改善了拌合物中的薄弱環(huán)節(jié),相應地就能抑制裂縫的發(fā)展,而且使UFA 混凝土拌合物的整體性和黏聚性得到加強,能夠適應較大的早期收縮所產(chǎn)生的快速體積變化.因而,在低水膠質(zhì)量比情況下,UFA 取代水泥摻入到混凝土中不僅不會導致早期收縮變形的增大,相反能有效的減小混凝土的表面塑性收縮,降低裂縫出現(xiàn)的可能性,這對于UFA 在公路路面等塑性收縮變形大,早期開裂敏感性較大的工程中大面積推廣應用是具有重要意義的.
2．4 力學性能
表5 為力學性能試驗結(jié)果.
在保持與基準混凝土坍落度接近的條件下,混凝土采用了更低的水膠質(zhì)量比,盡管早期參與反應的膠凝材料量降低了,但因UFA 的減水增強效應,使得混凝土的強度發(fā)展并未受到較大的影響. 實測表明,1 、2 、3 號配比混凝土的7 d 抗折強度分別達到5. 32 、5. 39 、4. 77MPa (采用標準養(yǎng)護) , 均超過基準混凝土的7 d 抗折強度4. 68MPa ,達到7d 開放交通的要求.
2．5 耐磨性能
耐磨性能是影響道路混凝土性能的一項重要指標,因而必須對其測試. 試驗同樣采用上述混凝土配合比,并與基準混凝土進行對比. 結(jié)果表明,由于UFA 良好的減水增強效應,同時因其本身玻璃體微珠強度很高,故28d 單位面積磨耗值均比基準混凝土的低,相對磨耗率分別只有基準混凝土的41 %、48 %、60 %。這說明UFA 的摻入,混凝土的耐磨性得到了很大程度的改善,能夠滿足現(xiàn)代公路交通的要求.
3 結(jié) 論
(1) 隨UFA 的摻入,UFA 混凝土早期自收縮變形得到較明顯的改善,且隨UFA 摻量的增大,自收縮變形隨之減小. 混凝土早期自收縮變形主要決定于混凝土的有效水灰質(zhì)量比( m ( w ) / m(c) ,即實際加水量與水泥量的比值) .
(2) 相比于基準混凝土,UFA 混凝土早期抗裂性能優(yōu)良,開裂敏感性大大降低,且隨著UFA摻量的增加,抗裂性能進一步改善.
(3) 力學性能、耐磨性能試驗表明UFA 道路混凝土7d、28d 抗折強度、耐磨性能等表征路面性能的重要指標均優(yōu)于基準混凝土.
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