摘要: 利用砂漿坍落擴(kuò)展度考察了減水劑摻量、水膠比、粉煤灰替代水泥比例、硅灰替代石英粉比例對活性粉末混凝土流動性的影響;同時(shí)考察了這些因素對活性粉末混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的影響. 研究表明,當(dāng)聚羧酸鹽減水劑固體摻量為膠凝材料質(zhì)量的0. 8 %～1. 0 %時(shí),可配制出坍落擴(kuò)展度在255 mm 以上、具有自密實(shí)性能,抗離析性能和鋼筋間隙通過能力良好,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別超過105 MPa 和15 MPa的活性粉末混凝土.
關(guān)鍵詞: 活性粉末混凝土; 自密實(shí)混凝土; 力學(xué)性能
中圖分類號: TU528. 01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
活性粉末混凝土(reactive powder concrete ,RPC) 是20 世紀(jì)90 年代法國學(xué)者Richard 等[1 ] 研制開發(fā)的一種新型混凝土. 它由級配良好的細(xì)砂、水泥、石英粉、硅灰、高效減水劑等制成,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)200～800 MPa ,斷裂能亦可達(dá)40 kJ / m2 ,因而在工程領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?已成為混凝土研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn). 1997 年,加拿大Sherbrooke 的Magog 河上長達(dá)60 m 的人行橋建成,完成了RPC 從理論到實(shí)踐的飛躍[2 ] . 國外對RPC 進(jìn)行的相關(guān)研究工作有很多,包括RPC 的顆粒堆積狀況及水化動力情況[3 ] 、RPC 水化過程中毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的演變[4 ] 、硅灰對RPC 中鋼纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度的影響[5 ] 、RPC 的斷裂性能[6 ] 、將RPC 作為一種新型的修補(bǔ)材料[7 ] 等等. 國內(nèi)在這方面開展的工作也不少[8 ,9 ] .
由于RPC 水膠比很低,造成其攪拌和成型較普通混凝土困難[10 ] ,因而其流變性是人們非常關(guān)心的. 楊吳生等[11 ] 用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)研究了新拌RPC 的流變特性,發(fā)現(xiàn)其所有配比的RPC 均表現(xiàn)為賓漢姆流變特性,即具有屈服應(yīng)力. 雖然通過調(diào)整一些配比,能夠提高RPC 的流動性,包括降低其屈服應(yīng)力[11 ] 、提高跳桌流動度[8 ] 等,但仍需借助振動、加壓、手動輔助等成型方式來達(dá)到其密實(shí)要求. 這不僅消耗了大量的人力和物力,而且材料易產(chǎn)生缺陷,最終導(dǎo)致混凝土構(gòu)筑物性能嚴(yán)重下降.自密實(shí)混凝土無需任何振動,它可以依靠自重填充建筑模具的每個(gè)角落,并且達(dá)到密實(shí)[12 ] ,是高性能混凝土的重要發(fā)展方向之一. 如果活性粉末混凝土能夠達(dá)到自密實(shí),則會大大簡化生產(chǎn)工藝,并對生產(chǎn)薄壁制品、細(xì)長構(gòu)件和其他新穎結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件提供廣闊的應(yīng)用前景. 新一代減水劑———聚羧酸鹽減水劑在普通自密實(shí)混凝土中正獲得越來越多的應(yīng)用,因?yàn)樗苁顾酀{體具有更小的流動極限(屈服應(yīng)力接近零) 和更高的動力學(xué)粘度,因而更能滿足自密實(shí)混凝土的要求[13 ,14 ] .
本文采用聚羧酸鹽減水劑配制大流動度活性粉末混凝土,并實(shí)現(xiàn)了自密實(shí)的要求. 綜合考察了聚羧酸鹽減水劑摻量、水膠比、粉煤灰替代水泥比例、硅灰替代石英粉比例這4 種因素對活性粉末混凝土流動性能及力學(xué)性能的影響.
1 試驗(yàn)部分
1. 1 原材料
水泥(C) : P ·O 42. 5 普通硅酸鹽水泥,上海海豹水泥廠生產(chǎn);石英砂(S) :0. 4～0. 261 mm ;石英粉(Qu) : 0. 044 mm ;硅灰( SF) : Elken 公司生產(chǎn)的非凝聚硅粉, SiO2 含量92. 25 %1) ; 粉煤灰( FA) :安徽淮南平圩發(fā)電廠I 級灰,平均粒徑19. 71μm ;聚羧酸鹽減水劑(PC) :p H 值中性,固含量40 % ,上海澳申建筑化學(xué)科技有限公司生產(chǎn).
1. 2 基準(zhǔn)配合比的確定
水泥和水混合后,熟料礦物發(fā)生水化反應(yīng). 硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣和氫氧化鈣. 由于具有巨大的比表面積和剛性凝膠的特征,水化硅酸鈣凝膠粒子間因存在范德華力和化學(xué)結(jié)合鍵而具有較高的強(qiáng)度;氫氧化鈣晶體通常只起填充作用,但因其具有層狀構(gòu)造,層間結(jié)合較弱,在受力較大時(shí)是裂縫的策源地.
要將氫氧化鈣完全轉(zhuǎn)化為雪硅鈣石Ca5 (Si6O18 H2 ) ,Ca 與Si 的摩爾比為0. 83 ,則CaO 與SiO2的質(zhì)量比為0. 78. 算入水泥中已含的CaO 與SiO2 ,粗略計(jì)算得需加入的SiO2 量應(yīng)為水泥質(zhì)量的0. 613～0. 644[8 ] . 建議摻入的SiO2 量與水泥用量之比為0. 62[ 1 ] ,即硅灰與磨細(xì)石英粉總用量與水泥用量之比為0. 62. 當(dāng)硅灰與水泥質(zhì)量之比為0. 25 左右時(shí),硅灰與水泥二元體系漿體的密實(shí)度基本達(dá)到最高值[15 ] ,說明此時(shí)硅灰能夠充分填充水泥顆粒之間的空隙. 故水泥與硅灰的比例取為1 ∶0. 25 ;水泥與磨細(xì)石英粉的比例為1 ∶0. 37. 即基準(zhǔn)配合比為: m (水泥) ∶m (硅灰) ∶m (磨細(xì)石英粉) = 1 ∶0. 25 ∶0. 37. 當(dāng)石英砂摻量為膠凝材料質(zhì)量的1. 36～0. 88 倍時(shí)可獲得相對較高的強(qiáng)度[8 ] ,考慮到自密實(shí)性能對工作性能的要求,采用石英砂摻量為水泥質(zhì)量的1. 1 倍,此時(shí)材料可達(dá)到較高強(qiáng)度,同時(shí)又具有相對好的工作性能.
1. 3 試樣制備及性能測試
將稱量好的水泥、硅灰、石英砂、石英粉、粉煤灰(粉煤灰替代等質(zhì)量水泥作為膠凝材料) 放入攪拌鍋中干拌3 min ,使材料混合均勻;加入一半溶有聚羧酸鹽減水劑的水,攪拌3 min ;再加入另外一半水,攪拌6 min ,得到漿料.用評價(jià)減水劑性能的簡便方法———砂漿坍落擴(kuò)展度[16 ] 來評價(jià)RPC 的流動性. 砂漿坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)裝置采用GB/ T 2419 —2005《水泥膠砂流動度測定方法》中的截錐試模(高度60 mm ,上口內(nèi)徑70 mm ,下口內(nèi)徑100 mm) 和500 mm ×500 mm ×8 mm 的玻璃板.將新拌好的RPC 漿料一次性裝入試模,搗實(shí)、表面刮平后,向上輕輕提起試模. 待漿料坍落擴(kuò)展度穩(wěn)定不變后,測量最大擴(kuò)展直徑及與其垂直的直徑,求兩者平均值并以此來評價(jià)漿料流動性能;同時(shí)觀察坍落擴(kuò)展后的漿料周圍有無泌水、離析現(xiàn)象,并以此作為其穩(wěn)定性的直觀考察.
用L2box 測量阻滯率,并以此衡量混凝土透過鋼筋間隙的能力[17 ] ,裝置如圖1 所示. 試驗(yàn)需要12 L 活性粉末混凝土,操作過程如下:將儀器放置在水平地面上,確保其拉門可以自由開關(guān). 預(yù)先潤濕儀器內(nèi)表面,并擦去多余的水. 將儀器的垂直部分填滿混凝土后放置1 min ,上提拉門,讓混凝土流到儀器的水平部分. 當(dāng)混凝土不再流動時(shí),記錄H1 和H2 ,并計(jì)算H2 / H1 的值,即為阻滯率.整個(gè)操作過程必須在5 min 內(nèi)完成.
采用拌和物密度分層度來評價(jià)RPC 拌和物的抗離析性. 拌和物密度分層度為分層度筒內(nèi)上下層拌和物濕表觀密度差(ρU - ρL ) 與平均濕表觀密度的比值[18 ] . 分層度越低,表示拌和物的勻質(zhì)性越好,即其抗離析性越好.
采用《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中分層度試驗(yàn)方法的設(shè)備,漿料裝滿分層度筒后靜置30 min ,然后分別取上下1/ 3 分層度筒高度的漿料測得上下層拌和物的密度.將拌好的漿料在40 mm ×40 mm ×160 mm 三聯(lián)膠砂試模中成型. 成型時(shí)將漿料從試模一端倒入,讓其依靠自重填充模具;對個(gè)別坍落擴(kuò)展度較小、不能很好填充的試樣,采用搗棒插搗使其密實(shí). 試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下帶模養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模,然后在水中養(yǎng)護(hù)至28 d. 試件抗折、抗壓強(qiáng)度的測量按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法( ISO) 法》( GB/ T 17671 —1999) 進(jìn)行.
2 結(jié)果與討論
2. 1 影響RPC坍落擴(kuò)展度的因素
試驗(yàn)考察了水膠比、減水劑摻量、粉煤灰替代等質(zhì)量水泥比例、硅灰替代等質(zhì)量石英粉比例對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響.
試驗(yàn)配合比參數(shù)及坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果見表1. 其中A ,B ,C 系列中的膠(凝材料) 是指水泥、硅灰、粉煤灰的總和;D 系列中的膠則指水泥、硅灰和石英粉的總和.
2. 1. 1 水膠比對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響
毫無疑問,提高水膠比將提高漿體流動度. 這里的試驗(yàn)?zāi)康氖窍肓私庠诠潭p水劑用量條件下,能夠在滿足RPC 自密實(shí)流動度要求的同時(shí)又能使?jié){體具有良好穩(wěn)定性的用水量范圍. 由表1可見,在水膠比從0. 215 升至0. 275 的過程中(A 系列) ,新拌RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度基本上是線性上升的. 水膠比達(dá)到0. 255 以后,漿料坍落擴(kuò)展度的增加變緩. 這主要是因?yàn)楫?dāng)水膠比達(dá)到0. 255以后漿料開始出現(xiàn)明顯的泌水現(xiàn)象,其穩(wěn)定性已不能滿足要求. 而當(dāng)水膠比低到0. 215 時(shí),漿料的坍落擴(kuò)展度只有220 mm ,流平性已顯不足.
2. 1. 2 聚羧酸鹽減水劑摻量對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響
表1 中,當(dāng)聚羧酸鹽減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0. 8 %～1. 4 %時(shí)(B 系列) ,RPC 的水膠比最大有0. 009 的增加. 由水膠比對坍落擴(kuò)展度近似線性的影響關(guān)系可以看出,水膠比增加0. 001 可造成坍落擴(kuò)展度增加約1. 4 mm ,扣除水膠比增大導(dǎo)致的影響,還是可以看到隨聚羧酸鹽減水劑摻量由0. 8 %增大到1. 4 %,新拌RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢. 坍落擴(kuò)展度上升顯然是吸附了減水劑的膠凝材料達(dá)到了更好的分散,從而使膠凝材料絮凝體內(nèi)部包裹的水分被充分釋放的結(jié)果. 坍落擴(kuò)展度在達(dá)到最大值后重新下降,則是減水劑摻量超過了膠凝材料飽和吸
附量的結(jié)果. 因?yàn)樵嚇铀z比較小,減水劑超過飽和摻量后,隨著減水劑固相摻量的繼續(xù)增加及其在過飽和狀態(tài)下吸附水量的增加,會導(dǎo)致漿體中的自由水量減少,漿體粘稠度增大,從而使其坍落擴(kuò)展度有所下降.
2. 1. 3 粉煤灰替代等質(zhì)量水泥對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響
表1 中C 系列考察了粉煤灰替代等質(zhì)量水泥對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響. 由表1 可見,粉煤灰替代等質(zhì)量水泥對新拌RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度有著明顯的改善作用. 這主要是因?yàn)榉勖夯沂遣Ａ⒅轭w粒,在漿料中起滾珠軸承作用,從而可改善漿體的流動性能.
2. 1. 4 硅灰替代等質(zhì)量石英粉對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響
表1 中D 系列考察了硅灰替代等質(zhì)量石英粉對新拌RPC 漿料坍落擴(kuò)展度的影響. 由表1 可見,隨著硅灰替代等質(zhì)量石英粉比例的增大,新拌RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度逐漸下降. 這是因?yàn)楣杌伊皆?μm 以下,其比表面積相對石英粉要大很多,需水量較大,因而隨著硅灰替代等質(zhì)量石英粉比例的增加,RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度就會呈現(xiàn)下降趨勢.
2. 2 大流動度活性粉末混凝土的力學(xué)性能
水膠比、減水劑摻量、粉煤灰替代等質(zhì)量水泥比例、硅灰替代等質(zhì)量石英粉比例這些因素對RPC 力學(xué)性能的影響見圖2～5.
由圖2 可知:隨著水膠比的增大,RPC 的抗折強(qiáng)度基本逐步下降,而抗壓強(qiáng)度則是先上升后下降. 0. 215 水膠比時(shí)RPC 的抗壓強(qiáng)度較低,這是由于該水膠比下RPC 漿料的坍落擴(kuò)展度僅為220mm ,試樣成型時(shí)經(jīng)過插搗,顯然是漿料密實(shí)性不足,故此時(shí)RPC 的抗壓強(qiáng)度相對較低.由圖3 可知:聚羧酸鹽減水劑摻量對RPC 抗折強(qiáng)度的影響趨勢與其對RPC 坍落擴(kuò)展度的影響是一致的. 但是RPC 的抗壓強(qiáng)度隨著聚羧酸鹽減水劑摻量的增加而下降,這可能是由于聚羧酸鹽減水劑的引氣作用所造成的.
由圖4 可知:隨著粉煤灰替代等質(zhì)量水泥比例的增大,RPC 的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度總體均呈下降趨勢. 在粉煤灰替代等質(zhì)量水泥比例為0. 2 (即圖中的20 %) 時(shí),RPC 的抗壓強(qiáng)度略有上升,這可以解釋為:粉煤灰達(dá)此摻量更有利于漿料內(nèi)部氣泡溢出從而密實(shí),因此使其抗壓強(qiáng)度略有上升.
由圖5 可知:隨著硅灰替代等質(zhì)量石英粉比例的增大,RPC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線都呈先上升后下降的態(tài)勢,這是因?yàn)楣杌业幕钚暂^大,對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于石英粉所致[19 ] . 只要流動度在滿足自密實(shí)的范圍內(nèi),則隨硅灰摻量的增大,試樣的強(qiáng)度將提高;而隨著硅灰摻量的繼續(xù)加大,漿料坍落擴(kuò)展過小,其自密實(shí)性不夠,因而將使試樣強(qiáng)度降低.
將圖5 與表1 中D 系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較后發(fā)現(xiàn),試樣強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的坍落擴(kuò)展度約為255 mm ,其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度大于105 MPa ,與吳炎海等[ 20 ] 振搗成型的RPC 在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下得到的抗壓強(qiáng)度相似,說明坍落擴(kuò)展度達(dá)到255 mm 時(shí),RPC 可達(dá)到比較好的自密實(shí)程度.
2. 3 優(yōu)選配比的RPC抗離析性能和鋼筋間隙通過能力
優(yōu)選配比的RPC 分層度和阻滯率見表2. 通過分層度試驗(yàn)和阻滯率試驗(yàn)可分別考察新拌漿料的抗離析性能和鋼筋間隙通過能力,以完善對其自密實(shí)性能的考察.
由上述分析可知,當(dāng)采用表2 配比時(shí),RPC 可達(dá)到255 mm 以上的坍落擴(kuò)展度,同時(shí)又可取得105 MPa 以上的28 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度. 另外,此配比情況下的新拌漿料密度分層度也在1 %以內(nèi),抗離析性能良好. 由于新拌漿料流動性能很好,在進(jìn)行阻滯率試驗(yàn)時(shí),漿料呈擴(kuò)散狀淌出L2box很遠(yuǎn),擴(kuò)散半徑為30～40 cm ,漿料厚度十分均勻,計(jì)算所得阻滯率為1 ,說明其鋼筋間隙通過能力很好.
3 結(jié)論
1. 當(dāng)聚羧酸鹽減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0. 8 %～1. 0 %時(shí),可以在水膠比為0. 235～0. 255范圍內(nèi)配制出具有自密實(shí)性能的活性粉末混凝土.
2. 可以采用砂漿坍落擴(kuò)展度的試驗(yàn)方法來簡單地評價(jià)活性粉末混凝土自密實(shí)性能,當(dāng)坍落擴(kuò)展度在255 mm 以上時(shí),活性粉末混凝土便可達(dá)到自密實(shí)的流動性要求.
3. 水泥、硅灰、石英粉、石英砂的質(zhì)量比為1 ∶0. 25 ∶0. 37 ∶1. 1 ,聚羧酸鹽減水劑固體摻量為膠凝材料質(zhì)量的1. 0 % ,水膠比為0. 235 時(shí),活性粉末混凝土坍落擴(kuò)展度在255 mm 以上,且具有良好的抗離析性能和鋼筋間隙通過能力,能滿足自密實(shí)要求,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別超過105 MPa 和15 MPa.
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