关键词: 石粉; 粉煤灰; 碾压混凝土; 力学性能; 耐久性
摘要: 研究了石粉代替部分粉煤灰对碾压混凝土和易性、抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值等力学性能的影响, 并比较了0、50%两种取代率的碾压混凝土凝结时间、绝热温升、抗剪强度、抗渗、抗冻等性能。试验结果表明, 石粉替代部分粉煤灰对碾压混凝土的和易性, 抗渗、抗冻性能影响较小, 混凝土的凝结时间变短, 绝热温升降低, 但碾压混凝土的力学性能随石粉掺量的增加而减小。
0 概述
随着我国水利水电、公路、工业民用建筑等基础设施建设的发展, 粉煤灰作为水泥混合材及混凝土掺和料的需求急剧增加, 致使粉煤灰供应日趋紧张, 其他品种掺和料及各种粉体材料在碾压混凝土中的应用研究受到了高度重视。
石粉是指石灰岩或其他原岩经机械加工后的小于0.16mm的微细颗粒。其作为掺和料在碾压混凝土中的应用也越来越受到人们的重视, 现在石粉已成为碾压混凝土不可缺少的组成部分, 人工砂中石粉含量的高低直接影响碾压混凝土拌和物性能[1- 2]。我国通过普定、汾河二库、江垭、大朝山、棉花滩、蔺河口、沙牌、百色、索风营、龙滩等工程的碾压混凝土坝的实践, 人们对石粉含量的认识越来越清楚, 石粉含量为18%左右时, 碾压混凝土拌和物性能显著改善, 且可进一步提高, 小于0.08 mm 的微石粉已成为碾压混凝土掺和料的重要组成部分[3]。国外也对此进行了大量研究, 如日本的千屋坝, 即以石粉代替了55%的粉煤灰用于碾压混凝土, 其坝体防渗及强度均能满足设计要求[4]。
在粉煤灰相对匮乏的地区, 以石粉代替部分粉煤灰应用于碾压混凝土, 既可以降低工程造价, 又可以保护环境, 还可以降低混凝土的温升, 提高碾压混凝土的和易性和可碾性,具有良好的经济效益和社会效益, 且对提高大体积碾压混凝土的抗裂性具有重要意义。
1 碾压混凝土性能试验
1.1 试验原材料
试验用水泥为新疆南岗水泥厂生产的42.5 普通硅酸盐水泥, 减水剂为天山建材有限公司生产的FDN 缓凝高效减水剂, 引气剂为山西凯迪外加剂厂生产的KDSF 引气剂, 水泥、粉煤灰、骨料、减水剂、引气剂的品质均满足相应的规范要求, 石粉为石灰石粉磨加工而成。
石粉的物理性能和化学分析试验结果见表1, 水泥、粉煤灰和石粉的粒度分析试验结果见表2。
1.2 碾压混凝土配合比
以某工程碾压混凝土施工配合比为基础, 进行了石粉取代部分粉煤灰的碾压混凝土拌和物性能及硬化混凝土力学性能、耐久性能的对比试验, 石粉掺量及碾压混凝土配合比见表3。减水剂掺量为0.5%, 引气剂掺量为0.055%。
2 试验结果及分析
2.1 凝结时间
对单掺粉煤灰与复掺粉煤灰和石粉的两组混凝土进行了凝结时间对比试验, 试验结果见表4。
由表4 可知, 以石粉替代50%粉煤灰后的碾压混凝土,在20℃温度, 50%相对湿度条件下, 初凝时间缩短了9 h33min, 终凝时间缩短了7 h12 min。
2.2 力学性能
不同石粉掺量的碾压混凝土抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、抗压弹性模量试验结果见表5。
由以上试验结果可知:
( 1) 在用水量相同时, 石粉取代量对碾压混凝土拌和物的VC 值、和易性和含气量影响较小。
( 2) 以石粉取代部分粉煤灰, 碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值均随石粉取代量的增加而下降, 抗压弹性模量变化较小。
( 3) 在0.46 水胶比下, 以石粉取代部分粉煤灰, 取代比例小于50%时, 碾压混凝土7 d 和28 d 龄期的抗压强度与单掺粉煤灰的混凝土较接近, 取代比例大于50%时, 低于单掺粉煤灰的混凝土; 碾压混凝土90 d 和180 d 龄期的抗压强度随石粉掺量的增加而降低。
( 4) 以28 d 龄期的抗压强度为100%, 以石粉取代部分粉煤灰, 碾压混凝土7 d 龄期的抗压强度增长率基本不变,但其90 d 龄期的抗压强度增长率比单掺粉煤灰碾压混凝土平均低20%左右。
2.3 层面结合特性
按DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》对两组混凝土进行了抗剪断强度试验, 分0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 五级加载法向应力, 采用最小二乘法分别计算其剪应力、残余应力、摩擦应力下的摩擦系数和粘聚力, 并计算法向应力为2.5MPa 时的极限抗剪强度, 试验结果见表6。
由试验结果可知, 在相同的层面间隔时间和相同的层面处理措施下, 以石粉取代部分粉煤灰, 碾压混凝土的极限抗剪强度、粘聚力和摩擦系数均有所降低, 且随着龄期的增长,两者差距增大。
2.4 干缩
碾压混凝土干燥收缩试验结果见表7。
由试验结果可知, 以石粉取代粉煤灰, 对碾压混凝土早龄期干缩率影响较小, 但7 d 龄期后, 掺石粉碾压混凝土的干缩率比单掺粉煤灰的混凝土明显增加; 在水胶比和掺和料
总量相同时, 随着掺和料中石粉取代量的增加, 混凝土的干缩率有增加的趋势。
2.5 绝热温升
混凝土绝热温升试验结果见表8。
由表8 可知, 以石粉取代部分粉煤灰, 在初始温度相同时, 碾压混凝土1 d 龄期内的绝热温升值明显升高, 1 d 龄期后绝热温升值开始低于单掺粉煤灰的混凝土, 28 d 龄期的绝热温升值比单掺粉煤灰的碾压混凝土低1.8℃, 最终绝热温升值低2.7℃。
2.6 耐久性
碾压混凝土90 d 龄期的抗渗、抗冻性能试验结果分别见表9、10。由试验结果可知, 在水胶比为0.46, 掺和料掺量为50%～60%条件下, 以石粉全部或部分替代粉煤灰, 对碾压混凝土的抗渗、抗冻性均无不良影响, 且混凝土具有较高的抗渗性能和抗冻性能。
虽然石粉是惰性材料, 不能与水泥完全反应, 但石粉中小于16 μm( 占52%) 的细颗粒较多, 可填充在水泥粒子之间或水泥与骨料的界面之间, 改善混凝土基相材料的颗粒级配,从而改善碾压混凝土的和易性。当C3S 水化时, 释放出大量Ca2+, Ca2+具有比[SiO4]4-离子团高得多的迁移能力, 根据吸附理论, 首先发生CaCO3 微粒表面对Ca2+的吸附作用, 致使Ca(OH)2在CaCO3 表面大量生长, 导致C3S 颗粒周围Ca2+离子浓度降低, 使C3S 水化加速; 其次石粉颗粒作为成核场所, 使溶解状态中的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。而且石粉还可与C3A反应生成碳铝酸盐复合物。
这些因素使石粉对水泥或混凝土强度都是有贡献的[5, 6]。但混凝土中骨料与骨料、骨料与水泥石之间的界面是混凝土中的薄弱环节, 其强度约只有本体强度的1/3, 所以界面区的强度是影响混凝土强度的主要原因。以石粉代替粉煤灰后, 混凝土中胶凝材料相对降低, 使粗细骨料与水泥石之间的粘结强度降低, 从而影响了层面结合、劈拉强度、抗拉强度等力学性能。
石粉的比表面积比水泥和粉煤灰都大, 且多为小于16μm 的细颗粒, 在混凝土中填充了大量孔隙, 故以石粉代替部分粉煤灰对混凝土的抗渗性能影响甚微, 而在保证含气量为3%以上时, 对混凝土的抗冻性能也影响较小[7]。
3 结语
粉煤灰在混凝土中的作用主要是与水泥水化生成的Ca(OH)2 发生二次水化反应, 产生后期强度和填充空隙, 改善混凝土和易性。因此, 可以考虑将其填充空隙作用由其他粉体代替, 同样达到改善和易性的目的。在粉煤灰资源比较匮乏的地区修建碾压混凝土坝, 或长距离运输粉煤灰影响碾压混凝土筑坝经济性的情况下, 考虑采用石粉作为碾压混凝土的掺和料代替部分粉煤灰, 设计出满足施工要求的配合比,是完全可行的。
参考文献:
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