關(guān)鍵詞: 石粉; 粉煤灰; 碾壓混凝土; 力學(xué)性能; 耐久性
摘要: 研究了石粉代替部分粉煤灰對(duì)碾壓混凝土和易性、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值等力學(xué)性能的影響, 并比較了0、50%兩種取代率的碾壓混凝土凝結(jié)時(shí)間、絕熱溫升、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍等性能。試驗(yàn)結(jié)果表明, 石粉替代部分粉煤灰對(duì)碾壓混凝土的和易性, 抗?jié)B、抗凍性能影響較小, 混凝土的凝結(jié)時(shí)間變短, 絕熱溫升降低, 但碾壓混凝土的力學(xué)性能隨石粉摻量的增加而減小。
0 概述
隨著我國(guó)水利水電、公路、工業(yè)民用建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展, 粉煤灰作為水泥混合材及混凝土摻和料的需求急劇增加, 致使粉煤灰供應(yīng)日趨緊張, 其他品種摻和料及各種粉體材料在碾壓混凝土中的應(yīng)用研究受到了高度重視。
石粉是指石灰?guī)r或其他原巖經(jīng)機(jī)械加工后的小于0.16mm的微細(xì)顆粒。其作為摻和料在碾壓混凝土中的應(yīng)用也越來越受到人們的重視, 現(xiàn)在石粉已成為碾壓混凝土不可缺少的組成部分, 人工砂中石粉含量的高低直接影響碾壓混凝土拌和物性能[1- 2]。我國(guó)通過普定、汾河二庫、江埡、大朝山、棉花灘、藺河口、沙牌、百色、索風(fēng)營(yíng)、龍灘等工程的碾壓混凝土壩的實(shí)踐, 人們對(duì)石粉含量的認(rèn)識(shí)越來越清楚, 石粉含量為18%左右時(shí), 碾壓混凝土拌和物性能顯著改善, 且可進(jìn)一步提高, 小于0.08 mm 的微石粉已成為碾壓混凝土摻和料的重要組成部分[3]。國(guó)外也對(duì)此進(jìn)行了大量研究, 如日本的千屋壩, 即以石粉代替了55%的粉煤灰用于碾壓混凝土, 其壩體防滲及強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求[4]。
在粉煤灰相對(duì)匱乏的地區(qū), 以石粉代替部分粉煤灰應(yīng)用于碾壓混凝土, 既可以降低工程造價(jià), 又可以保護(hù)環(huán)境, 還可以降低混凝土的溫升, 提高碾壓混凝土的和易性和可碾性,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益, 且對(duì)提高大體積碾壓混凝土的抗裂性具有重要意義。
1 碾壓混凝土性能試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)原材料
試驗(yàn)用水泥為新疆南崗水泥廠生產(chǎn)的42.5 普通硅酸鹽水泥, 減水劑為天山建材有限公司生產(chǎn)的FDN 緩凝高效減水劑, 引氣劑為山西凱迪外加劑廠生產(chǎn)的KDSF 引氣劑, 水泥、粉煤灰、骨料、減水劑、引氣劑的品質(zhì)均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求, 石粉為石灰石粉磨加工而成。
石粉的物理性能和化學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果見表1, 水泥、粉煤灰和石粉的粒度分析試驗(yàn)結(jié)果見表2。
1.2 碾壓混凝土配合比
以某工程碾壓混凝土施工配合比為基礎(chǔ), 進(jìn)行了石粉取代部分粉煤灰的碾壓混凝土拌和物性能及硬化混凝土力學(xué)性能、耐久性能的對(duì)比試驗(yàn), 石粉摻量及碾壓混凝土配合比見表3。減水劑摻量為0.5%, 引氣劑摻量為0.055%。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 凝結(jié)時(shí)間
對(duì)單摻粉煤灰與復(fù)摻粉煤灰和石粉的兩組混凝土進(jìn)行了凝結(jié)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果見表4。
由表4 可知, 以石粉替代50%粉煤灰后的碾壓混凝土,在20℃溫度, 50%相對(duì)濕度條件下, 初凝時(shí)間縮短了9 h33min, 終凝時(shí)間縮短了7 h12 min。
2.2 力學(xué)性能
不同石粉摻量的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表5。
由以上試驗(yàn)結(jié)果可知:
( 1) 在用水量相同時(shí), 石粉取代量對(duì)碾壓混凝土拌和物的VC 值、和易性和含氣量影響較小。
( 2) 以石粉取代部分粉煤灰, 碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值均隨石粉取代量的增加而下降, 抗壓彈性模量變化較小。
( 3) 在0.46 水膠比下, 以石粉取代部分粉煤灰, 取代比例小于50%時(shí), 碾壓混凝土7 d 和28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度與單摻粉煤灰的混凝土較接近, 取代比例大于50%時(shí), 低于單摻粉煤灰的混凝土; 碾壓混凝土90 d 和180 d 齡期的抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量的增加而降低。
( 4) 以28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度為100%, 以石粉取代部分粉煤灰, 碾壓混凝土7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率基本不變,但其90 d 齡期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率比單摻粉煤灰碾壓混凝土平均低20%左右。
2.3 層面結(jié)合特性
按DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)兩組混凝土進(jìn)行了抗剪斷強(qiáng)度試驗(yàn), 分0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 五級(jí)加載法向應(yīng)力, 采用最小二乘法分別計(jì)算其剪應(yīng)力、殘余應(yīng)力、摩擦應(yīng)力下的摩擦系數(shù)和粘聚力, 并計(jì)算法向應(yīng)力為2.5MPa 時(shí)的極限抗剪強(qiáng)度, 試驗(yàn)結(jié)果見表6。
由試驗(yàn)結(jié)果可知, 在相同的層面間隔時(shí)間和相同的層面處理措施下, 以石粉取代部分粉煤灰, 碾壓混凝土的極限抗剪強(qiáng)度、粘聚力和摩擦系數(shù)均有所降低, 且隨著齡期的增長(zhǎng),兩者差距增大。
2.4 干縮
碾壓混凝土干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果見表7。
由試驗(yàn)結(jié)果可知, 以石粉取代粉煤灰, 對(duì)碾壓混凝土早齡期干縮率影響較小, 但7 d 齡期后, 摻石粉碾壓混凝土的干縮率比單摻粉煤灰的混凝土明顯增加; 在水膠比和摻和料
總量相同時(shí), 隨著摻和料中石粉取代量的增加, 混凝土的干縮率有增加的趨勢(shì)。
2.5 絕熱溫升
混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見表8。
由表8 可知, 以石粉取代部分粉煤灰, 在初始溫度相同時(shí), 碾壓混凝土1 d 齡期內(nèi)的絕熱溫升值明顯升高, 1 d 齡期后絕熱溫升值開始低于單摻粉煤灰的混凝土, 28 d 齡期的絕熱溫升值比單摻粉煤灰的碾壓混凝土低1.8℃, 最終絕熱溫升值低2.7℃。
2.6 耐久性
碾壓混凝土90 d 齡期的抗?jié)B、抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果分別見表9、10。由試驗(yàn)結(jié)果可知, 在水膠比為0.46, 摻和料摻量為50%～60%條件下, 以石粉全部或部分替代粉煤灰, 對(duì)碾壓混凝土的抗?jié)B、抗凍性均無不良影響, 且混凝土具有較高的抗?jié)B性能和抗凍性能。
雖然石粉是惰性材料, 不能與水泥完全反應(yīng), 但石粉中小于16 μm( 占52%) 的細(xì)顆粒較多, 可填充在水泥粒子之間或水泥與骨料的界面之間, 改善混凝土基相材料的顆粒級(jí)配,從而改善碾壓混凝土的和易性。當(dāng)C3S 水化時(shí), 釋放出大量Ca2+, Ca2+具有比[SiO4]4-離子團(tuán)高得多的遷移能力, 根據(jù)吸附理論, 首先發(fā)生CaCO3 微粒表面對(duì)Ca2+的吸附作用, 致使Ca(OH)2在CaCO3 表面大量生長(zhǎng), 導(dǎo)致C3S 顆粒周圍Ca2+離子濃度降低, 使C3S 水化加速; 其次石粉顆粒作為成核場(chǎng)所, 使溶解狀態(tài)中的CSH 遇到固相粒子并沉淀其上的概率有所增大, 加速了C3S 的水化。而且石粉還可與C3A反應(yīng)生成碳鋁酸鹽復(fù)合物。
這些因素使石粉對(duì)水泥或混凝土強(qiáng)度都是有貢獻(xiàn)的[5, 6]。但混凝土中骨料與骨料、骨料與水泥石之間的界面是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié), 其強(qiáng)度約只有本體強(qiáng)度的1/3, 所以界面區(qū)的強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的主要原因。以石粉代替粉煤灰后, 混凝土中膠凝材料相對(duì)降低, 使粗細(xì)骨料與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低, 從而影響了層面結(jié)合、劈拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。
石粉的比表面積比水泥和粉煤灰都大, 且多為小于16μm 的細(xì)顆粒, 在混凝土中填充了大量孔隙, 故以石粉代替部分粉煤灰對(duì)混凝土的抗?jié)B性能影響甚微, 而在保證含氣量為3%以上時(shí), 對(duì)混凝土的抗凍性能也影響較小[7]。
3 結(jié)語
粉煤灰在混凝土中的作用主要是與水泥水化生成的Ca(OH)2 發(fā)生二次水化反應(yīng), 產(chǎn)生后期強(qiáng)度和填充空隙, 改善混凝土和易性。因此, 可以考慮將其填充空隙作用由其他粉體代替, 同樣達(dá)到改善和易性的目的。在粉煤灰資源比較匱乏的地區(qū)修建碾壓混凝土壩, 或長(zhǎng)距離運(yùn)輸粉煤灰影響碾壓混凝土筑壩經(jīng)濟(jì)性的情況下, 考慮采用石粉作為碾壓混凝土的摻和料代替部分粉煤灰, 設(shè)計(jì)出滿足施工要求的配合比,是完全可行的。
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