超细矿粉对喷射混凝土力学性能的影响研究

朱 成 陈健斌 赵 丹

(1.中交四航局第二工程有限公司,广东 广州 510310;2.浙江工商职业技术学院建筑与艺术学院,浙江 宁波 315000)

高掺量粉煤灰混凝土(High Fly Ash Content Concrete,HFAC)是指采用水泥取代率高于30%的粉煤灰配制的混凝土材料[1-3]。HFAC 混凝土在力学性能和耐久性方面,较普通的混凝土构件虽然并无明显差异,但是属于一种更符合环境保护与可持续发展要求的建筑材料[4-6]。近年来,HFAC 混凝土在建筑工程中得到广泛应用,但在道路工程中应用较少[7-8]。究其原因,主要是因为采用普通的HFAC 混凝土铺设公路的路面,存在易开裂、耐磨性较差、早期强度低等不足[9-10]。

近年来,很多学者采用纳米微粉材料对HFAC 混凝土进行改性,并取得了良好的效果[11-15]。潘丽君等[16]研究表明:经过纳米颗粒改性的HFAC 混凝土在节约水泥用量的同时,还可以使混凝土内部结构变得更为紧密,缩短混凝土的终凝时间。毕瑞枭等[17]通过微观图像分析发现,纳米矿粉的加入使C—S—H 絮状物与Ca(OH)2晶体充分胶结,使混凝土的微观结构变得更紧密,从而起到改善力学性能的目的。张芳等[18]研究表明:适量纳米矿粉的掺入,可以提升混凝土材料的力学性能和耐久性。叶青等[19]研究发现:将纳米矿粉添加至混凝土中可以很好地以颗粒形式均匀分布于水泥水化物之间的孔隙;徐庆磊[20]研究发现:纳米矿粉的掺入可以改善混凝土材料的工作机理,增强其耐久性能,可在道路工程中加以推广。

上述研究表明,现阶段对于HFAC 混凝土的分析和应用比较深入,但对于经过纳米矿粉改性的HFAC混凝土其表面磨损程度的演变规律和相关变化机理尚未明确。本研究分别从力学性能、抗磨损性、抗冻融耐久性和微观结构等方面讨论经过纳米改性后的HFAC 混凝土工作性能变化规律,在此基础上,对纳米矿粉所引起HFAC 混凝土工作性能改变的内在机理进行研究。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

本研究用于配置混凝土的水泥为复合硅酸盐水泥,标号P.C 42.5,比表面积为352.5 m2/kg。采用燃煤发电厂生产的二级粉煤灰,粉煤灰的烧失量为2.05%(＜ 5%),符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)要求。粉煤灰与水泥颗粒的粒径分布曲线如图1 所示。

图1 颗粒粒径分布曲线Fig.1 Distribution curves of particle size

用于混凝土改性的纳米微矿粉由江苏辉迈粉体科技有限公司提供,纳米矿粉的主要化学成分为CaCO3颗粒,其粒度小于1 μm,平均粒径为0.25 μm。纳米CaCO3的材料特征参数取值见表1。由表1 可知:该型材料的比表面积较大,表面羟基含量高,具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等特殊性质,纳米CaCO3颗粒的形状为球体,不团聚、分散性好、流动性好,作为外掺料,有助于提升水泥基材料制品的强度、耐磨性和耐久性[21]。

表1 纳米矿粉基本参数Table 1 Basic parameters of nano mineral powder

制备混凝土的细骨料选用天然河砂,最大颗粒等效直径为5.12 mm,细度模数为2.8;粗骨料选用经过筛分后的碎石,最大颗粒等效直径为23.1 mm。采用实验室的自来水进行拌和,拌和前在自来水中添加含量为1%的聚羧酸型减水剂。

1.2 材料配合比设计

本研究混凝土采用正交试验法进行配比设计,其中粉煤灰的取代率(质量分数)为25%、30%、35%、40%,纳米矿粉的掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%,减水剂按水泥、粉煤灰和矿粉总质量的1%掺加。同时设置1 组空白对照组,共设计了13 组混凝土的配合比见表2。

表2 混凝土掺和比Table 2 Mix proportion of concrete

2 试验结果

2.1 强度测试结果

本研究采用MST-023 型伺服式万能强度试验机进行强度试验,按照尺寸为150 mm×40 mm×40 mm的棱柱体制备试件。参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999),通过试验机对经过标准养护28 d 的混凝土试样施加弯曲荷载,测试其抗折强度;然后将折断的两段试样分别进行抗压强度检测试验。对于混凝土路面的工作性能而言,主要关注混凝土试件的抗折强度,兼以参考试件的抗压强度。不同配合比的混凝土抗折、抗压强度测试结果见表3。混凝土试件的抗折强度、抗压强度变化曲线如图2 所示。

表3 混凝土试件抗压和抗折强度指标Table 3 Compressive and flexural strength index of concrete specimen

图2 混凝土试件抗压抗折强度性能变化曲线Fig.2 Variation curves of compressive and flexural strength of concrete specimens

由图2 可知:混凝土的抗折强度、抗压强度随着粉煤灰取代率增加呈先增后降趋势。在一定的粉煤灰取代率下,混凝土的抗折强度和抗压强度均随着纳米矿粉掺量增加呈上升趋势,并且强度值在纳米矿粉掺量为0.5%时增长幅度最大,超过了17%。抗折强度、抗压强度在粉煤灰取代率为25%、矿粉掺量为0.5%时达到峰值。当HFAC 混凝土的粉煤灰取代率为25%～35%时,抗折强度、抗压强度均高于基准试件;而当掺入取代率为40%粉煤灰时,抗折强度、抗压强度小于基准试件,说明一定掺量的耐磨矿粉可以有效提高HFAC 混凝土的力学性能,有利于提升混凝土路面早期强度。

2.2 表面耐磨性

使用混凝土旋转磨耗试验机对养护28 d 的试件进行磨损试验检测,先称取混凝土试件原始质量;随后将仪器的磨面与混凝土试件表面平行紧贴,通过夹具进行固定;再启动仪器使刀片在0.25 kN 力的作用下以2 r/s 的转速对试件进行磨损,整个磨损过程持续5 min;最后将磨损的粉尘称重。磨损率h计算公式为

式中,x1、x2分别为混凝土的初始质量和磨损试验后质量,g。

混凝土表面磨损率试验结果如图3 所示。由图3 可知:与基准混凝土试样相比,混凝土磨损率随着粉煤灰掺入先小幅降低后快速上升,经过纳米矿粉改性后,混凝土的表面耐磨性能显著上升。当纳米矿粉的掺量超过0.5%时,HAFC 混凝土的耐磨性明显优于基准混凝土;随着掺量继续增加,混凝土的耐磨性能增加幅度越来越小,逐渐趋于稳定。这主要是由于掺入纳米矿粉后增加了材料密实度,进而提升了材料的耐磨性能。

图3 混凝土表面磨损率变化曲线Fig.3 Variation curves of concrete surface wear rate

2.3 抗冻融耐久性

本研究采用质量变化率评价混凝土的受冻融循环影响的结构完整性,质量变化率越大,混凝土抗冻融耐久性越差。对粉煤灰取代率为25%的混凝土进行了120 次冻融循环检测质量变化率,测试结果如图4 所示。由图4 可知:基准混凝土在120 次冻融循环后的质量损失率约为0.5%,即普通混凝土的结构完整性受到冻融循环破坏的影响较为明显。掺入矿粉后,HAFC 混凝土试件的质量损失率明显低于基准试件,经过120 次循环后,矿粉掺量为1.5%的混凝土质量变化率较基准混凝土下降了28%,表明纳米矿粉可以有效提高HAFC 混凝土的抗冻融耐久性。究其原因,主要是因为在混凝土掺入纳米矿粉后,形成了C—S—H 凝胶体,对混凝土骨料之间的裂隙起到填充作用,从而大幅减轻了由于冻融循环中的膨胀—收缩过程造成的损伤,有效改善了HAFC 混凝土的抗冻融耐久性[21-22]。

图4 不同冻融次数下的质量变化率变化曲线Fig.4 Variation curves of mass change rate under different freeze-thaw times

2.4 收缩性能

在混凝土棱柱体试件养护28 d 成形后,对其干缩率y进行了测试。干缩率y计算公式为

式中,d0为混凝土试件浇筑成型后的初始长度,m;d为试件养护后的长度,m。

本研究分析了粉煤灰取代率为25%、30%、35%、40%;外掺0.5%、1.0%、1.5%纳米矿粉的混凝土干缩率。混凝土试件的干缩变化分别在0、7、14、21、28 d 龄期测定,试验结果如图5 所示。由图5 可知:在粉煤灰取代率相同的情况下,随着纳米矿粉含量增大,混凝土干缩率明显下降,且下降幅度在矿粉含量在0～0.5%时最显著。当矿粉掺量为1.0%和1.5%时,改性混凝土的干缩率较为接近,说明纳米矿粉对于效果粉煤灰混凝土的收缩稳定性具有一定的效果。

图5 混凝土干缩率随养护时间变化曲线Fig.5 Variation curves of concrete shrinkage with curing time

为分析深入分析HAFC 混凝土的纳米矿粉改性机理,分别对基准试件、粉煤灰取代率为25%的混凝土和外掺0.5%纳米矿粉的HAFC 混凝土(粉煤灰取代率为25%)材料进行了1 000 倍放大的扫描电镜(SEM)试验,结果如图6 所示。图6(a)所示的基准试件材料中团粒孔隙结构发育,使得混凝土试件的强度和抵抗变形特性不易发挥;掺入取代率为25%的粉煤灰后,混凝土材料内部可见球形粉煤灰颗粒离散地分布在骨料裂隙中,混凝土内部多孔结构不仅没有得到明显改善,水泥砂浆的密实度反而有所下降。经过纳米矿粉改性的HAFC 混凝土微观结构如图6(c)所示,可以看出规则的粉煤灰颗粒紧密地黏结在一起,形成了黏结强度,孔隙结构得到有效改善,使得材料整体密实度大大增加。究其原因,主要是纳米矿粉是一种活性外掺料,在碱性激发剂作用下发生火山灰反应而生成少量C—S—H 凝胶体,填充在骨料的裂隙中,提升了水泥砂浆硬化体的密实程度。因此,在混凝土基本物料中掺入纳米矿粉具有提升强度的作用。但当纳米颗粒的含量过高时,水泥熟料发生水化反应而生成的Ca(OH)2总量下降,减少了C—S—H凝胶体生成比例。有些矿粉颗粒没有发生火山灰反应,无法生成足够的凝胶而填充裂隙。因此,当纳米矿粉含量超过一定范围时,混凝土强度不会随着掺量增加而继续提升,逐渐达到稳定状态。因此,综合考量各方面的因素,粉煤灰取代率为25%、纳米矿粉掺量为0.5%的改性混凝土性能最佳。

图6 不同混凝土试件的微观结构SEM 图Fig.6 SEM images of microstructures of different concrete specimens

3 结 论

(1)混凝土的抗折强度、抗压强度随粉煤灰取代率增加呈先增后降趋势,当HFAC 混凝土的粉煤灰取代率为25%～35%时,抗折强度、抗压强度均高于基准试件,抗折强度、抗压强度在粉煤灰取代率25%、矿粉掺量0.5%时达到峰值。

(2)混凝土试件的磨损率随着粉煤灰掺入先减后增,经过纳米矿粉改性后,混凝土的表面耐磨性能显著上升,变化幅度在矿粉掺量为0.5%时最明显,当矿粉掺量进一步增加时,混凝土的耐磨性能增加幅度越来越小,逐渐趋于稳定。

(3)矿粉掺量为1.5%的混凝土试件经过120 次冻融循环后,质量变化率较基准混凝土试件下降了28%,表明纳米矿粉可以有效提高HAFC 混凝土的抗冻融耐久性。

(4)在粉煤灰取代率相同的情况下,增加纳米矿粉的含量,混凝土干缩率将明显下降,且下降幅度在矿粉含量为0～0.5%时最显著。

(5)经过纳米矿粉改性的HAFC 混凝土,发生了火山灰反应生成少量C—S—H 凝胶体,将原本离散的粉煤灰颗粒紧密有序地黏结,增加了材料密实度,提升了黏结强度,改善了孔隙结构和各方面的性能。