硅灰摻量對自密實高強混凝土性能影響研究

許 影,郎劍雷,陶曉峰

(1.湖州職業技術學院,浙江 湖州 313000;2.浙江大東吳集團建設有限公司,浙江 湖州 313000;3.浙江大東吳集團建材構配件有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

自密實混凝土(SCC)是在施工中無需機械或人工振搗,僅憑自身重力作用即可自動填充模板包裹鋼筋達到均勻密實狀態的混凝土,也稱自流平混凝土[1]。自密實混凝土的特點是高流動性和高穩定性,能保持均勻密實穩定的同時兼具流速,工作性能優異,特別適合配筋密集、形狀復雜、不便振搗的混凝土工程中。自密實混凝土簡化了混凝土現場澆筑施工工藝,不需要振搗密實[2],減少了混凝土振搗過程中產生的噪聲污染,還能節省大量人工成本,以及機械振搗所消耗的電能和設備成本。

高強自密實混凝土是一種新型建筑材料,除具有自密實性能外,還具有較高的強度,因而在高速公路、橋梁、隧道、高層建筑、地下室、水壩、水庫等工程中應用廣泛。要達到適宜的工作性能,滿足自密實性,配制自密實混凝土需要用到大量的膠凝材料,摻入適量的礦物摻合料有利于混凝土品質的改善和提高[3]。粉煤灰和礦粉是常見的礦物摻合料,配制自密實混凝土時,利用粉煤灰和礦粉等礦物摻合料替代部分水泥,減少水泥用量,具有較高的經濟和社會效益[4]。硅灰也是較常見的礦物摻合料,雖然其應用成本高于粉煤灰和礦粉,但少量硅灰使用能顯著改善混凝土工作性能和力學性能,在配置自密實高強混凝土時能起到特殊作用。

本研究在總膠量為530 kg,粉煤灰占總膠量的15%(質量分數,下同),礦渣占總膠量25%的情況下,再分別以總膠量3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%的硅灰等質量替換水泥,研究硅灰摻量對自密實高強混凝土工作性能和力學性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:南方PO52.5水泥。外加劑:TS-20聚羥酸高性能減水劑,減水率29.5%。粉煤灰:Ⅰ級粉煤灰。礦粉:S105礦粉。石子:5～10、10～20 mm碎石,湖州新開元碎石有限公司。砂子:細度模數3.0。水:實驗室自來水。硅灰:河南鉑潤鑄造材料有限公司5 000目硅灰。

1.2 試驗配合比

根據JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》和目標自密實高強混凝土性能指標要求,進行自密實混凝土配合比設計計算,得到初步配合比。然后根據初步配合比,試拌混凝土拌合物,根據試拌混凝土的工作性能和力學性能調整初步配合比得到基準配合比。再在基準配合比基礎上調整參數,確定試驗配合比。膠凝材料總量為530 kg,配比為粉煤灰占總膠量15%,礦渣占總膠量25%,水泥占總膠量60%,然后分別用3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%的硅灰等質量替換水泥。摻合料復摻方案及試驗配合比如表1—2所示。

表1 摻合料復摻方案 單位:%

表2 混凝土試驗配合比 單位:kg

1.3 試驗執行規范

本次試驗配合比設計和試驗方法參照相關規范執行,具體為:配合比根據JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》設計;混凝土拌合物工作性能試驗根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》進行。硬化混凝土立方體抗壓強度試驗按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定進行。

2 結果分析與討論

根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》和GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,試驗結果如表3—5所示。

表4 工作性能1 h損失試驗結果 單位:mm

2.1 工作性能試驗結果與分析

2.1.1 擴展時間試驗結果

由表3—4和圖1可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,擴展時間分別為5.3、5.0、4.6、4.8、5.0 s,平均值為4.94 s?？梢?隨著硅灰摻量的增加,擴展時間先減小后增大,適量的硅灰摻量能增加流速,縮小擴展時間,但當硅灰摻量超過一定限度時反而會減小流速,增大擴展時間。

圖1 硅灰替換水泥對擴展時間的影響

從1 h之后的擴展時間損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,擴展時間損失分別為-1.5、-1.3、-1.0、-1.9、-3.0 s?？梢?當硅灰摻量為9.0%時,1 h擴展時間損失最大;當硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展時間損失最小。

2.1.2 擴展度試驗結果

由表3—4和圖2可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,擴展度分別為750 mm、745 mm、740 mm、745 mm、755 mm,平均值為747 mm?？梢?隨著硅灰摻量的增加,擴展度先減小后增大。通過摻加硅灰,混凝土擴展度都變得更好,都明顯高于目標配制擴展度(680～720 mm)。但擴展度也不能太大,當擴展度太大時,混凝土拌合物黏聚性不佳,易產生離析泌水現象。

圖2 硅灰替換水泥對擴展度的影響

從1 h之后的擴展度損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,1 h之后擴展度分別為730 mm、735 mm、745 mm、725 mm、705 mm,1 h擴展度損失分別為20 mm、10 mm、-5 mm、20 mm、50 mm?？梢?當硅灰摻量為9.0%時,1 h擴展度損失最大;當硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展度不但沒有損失,反而還增大5 mm。這一結果對實際工程意義重大,實際工程中大多采用商品混凝土,商品混凝土由混凝土攪拌站運送至項目工地大都需要長距離運輸,相應需要較長運輸時間,因而1 h擴展度更具實際應用意義。

2.1.3 坍落度試驗結果

由表3—4和圖3可知,G1、G2、G3、G4、G5組試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,坍落度分別為265 mm、265 mm、270 mm、260 mm、255 mm,先增大后減小,平均值為263 mm,隨著硅灰摻量的增加,坍落度先增大后減小。

圖3 硅灰替換水泥對坍落度的影響

從1 h之后的坍落度損失看,分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,1 h之后坍落度分別為265 mm、265 mm、275 mm、260 mm、255 mm,1 h擴展度損失分別為0 mm、0 mm、-5 mm、0 mm、0 mm?？梢?隨著硅灰摻量的增加,1 h坍落度幾乎沒有損失,甚至在硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度不但沒有損失,反而還增大5 mm。

綜上所述:(1)隨著硅灰摻量的增加,擴展時間先減小后增加,適量的硅灰摻量能增加流速,縮短擴展時間,當硅灰摻量為6.0%時,擴展時間最小,1 h后擴展時間損失最小。(2)隨著硅灰摻量的增加,擴展度先減小后增大,適量的硅灰摻量能增加擴展度。當硅灰摻量為6.0%時,1 h擴展度不但沒有損失,反而還增大5 mm。因此,摻加硅灰對保持擴展度十分有利。(3)隨著硅灰摻量的增加,坍落度先增大后減小,硅灰摻量超過一定限度后,對拌合物坍落度不利。摻加硅灰后,混凝土拌合物1 h坍落度都沒有損失,甚至當硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度不但沒有損失,反而還增大5 mm。因此,摻加硅灰對保持坍落度十分有利。(4)綜合擴展時間(T500)、擴展度(SF)、坍落度(S)試驗結果,對本試驗而言,工作性能最優硅灰替換水泥量為6.0%。

2.1.4 工作性能試驗結果分析

硅灰也稱硅煙或硅粉,是鋼廠和鐵合金廠生產硅鋼和硅鐵時產生的一種煙塵。球狀硅灰的顆粒粒徑遠遠小于水泥顆粒粒徑,混凝土中加入硅灰能進一步改善顆粒級配,它們在水泥顆粒間起到“滾珠”作用,使水泥漿體的流動性增加;同時,由于硅灰粉微?？梢蕴畛渌囝w?？障?將這些空隙中的填充水置換出來,使其成為自由水,從而使混凝土混合料的流動性大大增加[5]。由于硅灰顆粒極細,比表面積大,其需水量高于水泥(大約為普通水泥的130%～150%),因而當硅灰摻量超過一定限度后,需水量的增大反而會減小混凝土拌合物的流動性。此外,當混凝土中摻入硅灰后,由于硅灰需水量的增大,會影響到混凝土的其他各種性能,比如造成混凝土自收縮增大。因此,在配制摻硅灰混凝土時,硅灰的摻量要限制在一定限度之內[6]。

2.2 力學性能試驗結果與分析

2.2.1 力學性能試驗結果

由表5和圖4可知,G1、G2、G3、G4、G5組混凝土立方體抗壓強度試驗分別以硅灰摻量為總膠量的3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%等質量替換水泥,3 d抗壓強度分別為41.4 MPa、42.8 MPa、38.4 MPa、35.6 MPa、32.3 MPa,呈先增大后減小趨勢,平均值為38.1 MPa,替換水泥量為4.5%時達到最大值;7 d抗壓強度分別為56.4 MPa、58.3 MPa、53.1 MPa、51.5 MPa、49.0 MPa,呈先增大后減小趨勢,平均值為53.7 MPa,替換水泥量為4.5%時達到最大值;28 d抗壓強度分別為76.7 MPa、77.8 MPa、74.0 MPa、72.5 MPa、69.7 MPa,平均值為74.1 MPa,呈先增大后減小趨勢,替換水泥量為4.5%時達到最大值。3 d/28 d抗壓強度比分別為0.54、0.55、0.52、0.49、0.46,呈先增大后減小趨勢,平均值為0.512?？梢?摻加硅灰混凝土3 d抗壓強度約達到28 d抗壓強度的一半,隨著硅灰摻量的增加,3 d/28 d抗壓強度值先增大后減小,替換水泥量為4.5%時達到最大值。7 d/28 d抗壓強度比分別為0.74、0.75、0.72、0.71、0.70,平均值為0.72?？梢?摻加硅灰7 d抗壓強度約達到28 d抗壓強度的72%,隨著硅灰摻量的增加,7 d/28 d抗壓強度值先增大后減小,替換水泥量為4.5%時達到最大值。當硅灰摻量為4.5%時,混凝土28 d抗壓強度最大,前期強度也最高。因此,對本試驗而言,最優力學性能硅灰替換水泥量為4.5%。

圖4 硅灰替換水泥對抗壓強度的影響

表5 力學性能試驗結果

2.2.2 力學性能試驗結果分析

硅灰主要化學成分是SiO2(占85%～98%),粒徑為0.1～1.0 μm,是水泥顆粒粒徑的1/50～1/100,比表面積約為20～25 m2/g。硅灰具有非常完美的球形狀態,具有極強的火山灰特性,當摻入水泥基材料時,硅灰和水接觸,發生火山灰反應,改變了漿體的孔結構,使結晶細化,并使其定向程度變弱。細顆粒的硅灰填充在水泥顆?？障堕g,也使漿體更密實。硅灰的摻入還可排除骨料-水泥界面過渡區中許多較大的孔,使孔結構均勻、密實,具有很好的填充效應,能提高漿體-集料的黏結強度,使新拌混凝土的流變性能得到改善,間隙通過性能和混凝土密實度得到很好提高,增大混凝土強度。

3 結論

(1)適量的硅灰摻加能改善自密實混凝土的工作性能,縮短擴展時間,增加擴展度,加快拌合物流速。當硅灰摻量為6.0%時,擴展時間最短。(2)混凝土中摻加硅灰能明顯提高自密實混凝土拌合物的保坍性能,當硅灰摻量為6.0%時,1 h坍落度甚至增加,保坍性能最優。(3)硅灰的摻加,能明顯改善自密實混凝土的密實成型性能。摻加硅灰后,混凝土成型更均勻且密實度更高,試塊裝模和脫模都更容易。(4)在自密實混凝土中適當摻加硅灰能提高混凝土抗壓強度,但是必須注意其應用條件,應用前需在實驗室試驗基礎上方可使用。(5)對本試驗而言,最佳工作性能硅灰替換水泥摻量為6.0%,最佳力學性能硅灰替換水泥摻量為4.5%。