不同级配机制砂超高性能水工混凝土性能影响研究_李德丰.pdf

24 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）不同级配机制砂超高性能水工混凝土性能影响研究李德丰（辽宁省黑山县水利事务服务中心，辽宁 锦州 121400）摘 要：随着水利工程领域超高性能水工混凝土应用的不断增多，如何解决投资成本较高问题逐渐成为工程技术人员关注的重点。文章通过室内试验，研究机制砂细度和级配对超高性能水工混凝土工作性能、抗折强度、抗压强度以及微观形貌的影响特征。研究表明：试验配制的超高性能水工混凝土 28d 抗折强度达到 35MPa，28d 抗压强度达到 150MPa，其工作性能良好；水泥石基体能够与机制砂紧密结合，水泥石基体中的钢纤维均匀分布，这种均匀致密的结构明显改善了混凝土力学性能。关键词：机制砂；水工混凝土；超高性能；微观形貌；力学性能中图分类号：TU528文件标识码：B随着科学技术及水利事业的快速发展，工程建设对原材料的要求不断提高，多功能性、高韧性、强耐腐蚀性和高耐久性建筑材料必将成为未来的发展方向。超高性能混凝土(UHPC)凭借其高抗拉性能和优异的耐久性能被广泛应用于道路、桥梁及水利等工程领域1,2。这种新型高性能水泥基复合材料对养护条件和原材料品质要求较高，加之利用高钢纤维掺量、高胶材掺量、低水胶比的设计配合比，使得混凝土生产成本高、黏度大、工艺较复杂，大规模应用及现场浇筑受到一定限制3-7。为降低工程成本，有学者利用粗骨料及河砂开展了试验研究，但对超高性能水工混凝土性能受机制砂级配的影响研究还鲜有报道。鉴于此，本文利用常规养护方法，采用机制砂替代石英砂配制超高性能水工混凝土，深入探讨了机制砂细度和级配对试样工作性能、抗折强度、抗压强度以及微观形貌的影响，并进一步揭示其高耐久高强的作用机理。1 试验方法1.1 原材料准备本试验所用水泥为中国葛洲坝集团生产的P 52.5 级水泥，所用粉煤灰漂珠 200 目，硅灰的活性二氧化硅含量不低于 90%，比表面积19150m2/kg；将普通工程用机制砂剔除 2.36mm以上的颗粒，紧密、松散堆积密度 1650kg/m3和1482kg/m3，各级筛余见表 1。试验选用长径比70 的端钩钢纤维，长度 12mm，抗拉强度不低于2880MPa；外加剂用苏博特 PCA-聚羧酸高效减水剂，减水率 30%，拌合水用当地自来水。表 1 试验用机制砂各级筛余粒级/mm1.182.360.31.150.30.60.30.15筛底各级筛余/%32.421.031.69.25.81.2 试验方案鉴于现有研究较少利用机制砂制备超高性能水工混凝土的实际情况，本研究结合前期的探索性试验数据初步设计几组配合比，如表 2 所示。表 2 超高性能水工混凝土配合比设计试验编号材料用量/g水水泥 C粉煤灰漂珠 F硅灰 S减水剂 J机制砂 M钢纤维G1#1857844914719.5821.51202#185784989819.5821.51203#1856869829419.5821.5120收稿日期 2022-12-01作者简介李德丰（1970-），男，辽宁锦州人，工程师。文章编号:1007-7596（2023）01-0024-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.039 25 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）试验过程中，先按设计配合比预先精准称量粉料，把粉料加入搅拌机预拌 60s 均匀混合，然后倒入减水剂和水的混合液搅拌 120s，再加入称量好的机制砂搅拌 120s，最后向搅拌机内加入端钩钢纤维搅拌 180s。本试验选用 160mm40mm40mm 试模装入拌和好的混合料，为了保证试样密实性振动30 次成型，室内静置 24h 后脱模放入标养室养护。仪器采用天辰 YAW-300C 全自动抗折抗压试验机和赛默飞 AxiaChemiSEM 扫描电子显微镜测试混凝土的力学性能及微观结构特征。2 结果与分析2.1 不同机制砂细度一般机制砂主要存在中间粒径颗粒少、粗颗粒多、级配差和粒型粗的问题，结合表 1 中各 级 筛 余，将 粒 径 大 于 2.36mm 的 颗 粒 剔 除后，0.30.15mm(50100 目)颗 粒 占 比 较 小，而0.30.6mm(3050 目)、0.61.18mm(1630 目)颗粒占比较大，所以需要较多次筛分才能获取 50100目颗粒机制砂。为了保证混凝土施工效率，本试验选用粒径0.30.6mm(3050目)和0.61.18mm(1630目)机制砂进行研究，单一粒径机制砂试样的工作性能如图 1 所示，力学性能如图 2 所示。2102202302402502601#2#3#试验编号1630目3050目工作性能/mm图 1 单一粒径水工混凝土工作性能从图 1 可以看出，超高性能水工混凝土中掺单一粒径范围机制砂的工作性能良好，各组试样的工作性能均不低于 215mm，除了 3#1630 目机制砂超高性能水工混凝土外均可实现自流平，胶材相同情况下掺 3050 目机制砂试样的工作性能优于1630 目机制砂试样；掺粒径范围相同的机制砂，超高性能水工混凝土工作性能随粉煤灰漂珠掺量的提高而增大，随硅灰掺量的提高而降低，并且降幅较为明显。0102030401#2#3#1#2#3#试验编号3d7d28d抗折强度/MPa1630目3050目(a)抗折强度0204060801001201401601802001#2#3#1#2#3#试验编号3d7d28d抗压强度/MPa1630目3050目(b)抗压强度图 2 单一粒径水工混凝土力学性能从图 2(a)可以看出，各组水工混凝土 28d 抗折强度整体较高，3#试样 28d 抗折强度最低也达到 28.5MPa。从图 2(b)可以看出，各组试样的抗压性能比较优异，除 3#1630 目机制砂超高性能水工混凝土 28d 抗压强度较低为 132.5MPa，其它各组试样均达到 150MPa 以上。总体而言，超高性能水工混凝土力学性能最优的是 2#掺 1630 目机制砂组，其 28d 抗折、抗压强度达到了 36.0MPa 和160.6MPa，故选用单一粒径范围机制砂能够满足超高性能水工混凝土应用要求。超高性能水工混凝土力学性能较差的为 3#掺 1630 目机制砂组，这是由于所拌混凝土工作性能较差，水泥基体中的钢纤维难以均匀分布，在一定程度上削弱了钢纤维的紧箍搭接作用。2.2 不同机制砂级配对 5010 目、3050 目和 1630 目粒径范围机制砂按照最紧密堆积原理进行试验，从而探讨剔除 2.36mm 以上颗粒和紧密状态下机制砂对超高性能水工混凝土性能的影响。首先，通过二级配处理3050 目和 1630 目机制砂，合理确定最紧密状态下两者的质量比例，然后在最紧密状态的混合砂中掺入 50100 目机制砂，计算确定三者的质量比，如表 3 所示。26 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）表 3 二级配和三级配机制砂堆积密度 kg/m31630 目：3050 目3：74：65：56：47：3紧密堆积密度155015421545154015351630 目：3050 目：50100 目3：6：12：5：34：4：23.5：3.5：35：5：0紧密堆积密度15561660156215641545松散堆积密度14081422143014461405注：胶材配合比按试验编号 2#设计。结果表明，1630 目、3050 目机制砂按照 3：7 混合时紧密堆积密度达到最大 1550kg/m3，其次是按 55 混合时的 1545kg/m3，故二级配混合比例取 37 达到最佳。然后将 50100 目机制砂与二级配最佳混合比例机制砂按55混合，测定1630目、3050 目、50100 目三级配机制砂紧密堆积密度，结果显示 253 时三级配机制砂紧密堆积密度达到最大 1660kg/m3。结果显示，当掺入较多的50100目机制砂时，1630 目、3050 目机制砂按 11 或者 37 混合时三级配混合砂紧密堆积密度均较高，但配置超高性能水工混凝土的工作性能较低（见图 3），与单一粒径范围机制砂试样相比复配机制砂所制备的水工混凝土工作性能稍差。这是因为在复配机制砂时，较细颗粒受外力作用易出现微裂纹，并且颗粒越细表面出现的微裂纹越多，从而导致细颗粒存在一定的水分吸附作用，所以掺入 50100 目机制砂特别是在低水胶比情况下，细颗粒对水分的吸附作用大于紧密堆积的“密实填充效应”，致使新拌混凝土工作性能有所下降9-10。200210220230一般机制砂3:06:012:05:034:04:023.5：3.5：35:05:00机制砂级配工作性能/mm图 3 复配机制砂水工混凝土工作性能通过对比图 2、图 4 可知，与掺单一粒径范围机制砂试样相比复配机制砂配制的水工混凝土力学性能增长并不明显，究其原因是微细颗粒具有一定的水分吸附作用，在一定程度上降低了水泥水化生成的 C-S-H 凝胶含量，但这部分负面作用被“紧密堆积密实填充效应”所抵消。因此，在保证水工混凝土工作性能的情况下可以适当掺入 50100 目机制砂，不宜引入更小粒径机制砂。010203040一般机制砂3:06:012:05:034:04:023.5：3.5：35:05:00机制砂级配3d7d28d抗折强度/MPa(a)抗折强度020406080100120140160180一般机制砂3:06:012:05:034:04:023.5：3.5：35:05:00机制砂级配3d7d28d抗压强度/MPa(b)抗压强度图 4 复配机制砂水工混凝土力学性能从图 3、4 可以看出，与直接掺剔除 2.36mm以上颗粒机制砂试样相比复配机制砂制备的水工混凝土工作性能及力学性能更优，究其原因是剔除 2.36mm 以上颗粒的机制砂含有较多的微细颗粒，并且其级配较差。复配机制砂配制的水工混凝土 28d 抗折强度均不低于 35MPa，28d 抗压强度不低于 150MPa。总体而言，按 442 混合 1630目、3050 目、50100 目机制砂配制的混凝土工作性能及力学性能最优，28d 抗折、抗压强度达到40.0MPa 和 168.6MPa。2.3 SEM 扫描电镜为进一步探讨不同龄期水化产物微观形貌以及水泥石与集料、基体与纤维的结合情况，采用赛默飞 AxiaChemiSEM 扫描电子显微镜测试 442三级配机制砂试样的微观结构,可以看出在水泥基体中钢纤维能够连续错向搭接分布，对于微裂纹的形成及扩展产生有效的抑制作用，并且纤维的环箍搭接效应有利于降低混凝土干缩。龄期 3d 时水泥 27 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）石与端钩钢纤维就可以紧密结合，在钢纤维表面黏附的 C-S-H 凝胶可以减少水泥石基体中的微裂缝及原始孔，早期水化生成的基体结构比较致密；随着龄期的延长大量的 C-S-H 凝胶附着于钢纤维表面，水泥石基体与钢纤维之间未发现明显的微细裂缝，足够的水化产物可以非常紧密地包裹两者，所以钢纤维的错向搭接分布可以有效提升混凝土的力学性能11-12。水泥石集料的界面过渡区是混凝土结构的最薄弱区域，两者的结合程度在很大程度上决定了混凝土的整体耐久性及力学性能。研究发现，在标准养护条件下浆体的早期水化产物以 CH 晶体和C-S-H 凝胶为主，龄期 3d 时水泥