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材料組成對常溫養(yǎng)護UHPC基體性能的影響

發(fā)布時間: 2022-09-02    作者:東藍星
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超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,簡稱UHPC)是一種強度高、韌性好、具有優(yōu)異耐久性的水泥基復(fù)合材料,由Larrard和Sedran在1994年.先提出。本文研究了不同品種水泥、硅灰、減水劑,及硅灰摻量、水膠比對常溫養(yǎng)護UHPC基體的流動度及強度的作用。本實驗結(jié)果有助于提高UHPC的工程實用性,進一步改善UHPC的常溫制備技術(shù)。

1 試驗及原材料

1.1 原材料

a. 水泥。C1:P.O52.5級普通硅酸鹽水泥;C2:磨細的P.O42.5級中熱水泥。水泥的化學(xué)組分及膠砂強度見表1,表2。

b. 硅灰。SF1:原狀硅灰,灰色粉末狀; SF2:半增密硅灰,灰色粉末狀; SF3:鋯質(zhì)硅灰,白色粉末狀; SF4:英國生產(chǎn)的白硅灰,白色粉末狀。硅灰的化學(xué)組分見表3。

c. 減水劑。E1:聚羧酸高效減水劑,粉體;E2:液體減水劑,固含量30%; E3:西卡減水劑,粉體。3種減水劑的減水率均大于30%。

d. 石英粉。325目,平均粒徑為50.6um,密度為2.644g/cm3。

1.2 試驗方案設(shè)計

結(jié)合文獻中UHPC各組分的摻量范圍考慮,試驗選取水膠比為0.16~0.22; 硅灰采用內(nèi)摻法,摻量范圍為0.15~0.30; 其余材料摻量均為與膠凝材料質(zhì)量的比值。具體配合比設(shè)計見表4。故試驗共有水泥品種、硅灰品種、減水劑品種、硅灰摻量和水膠比5個變量。

1.3 試驗制備與試驗方法

按表4試驗設(shè)計配合比,將稱量好的各粉體材料依次倒入水泥膠砂攪拌機內(nèi)進行慢攪2min,之后加入稱量好的水,慢速攪拌3min,如果是使用液體減水劑,先將其溶于水中,再和水一起加入攪拌機內(nèi),攪拌5min后結(jié)束。之后進行流動度測試試驗,裝入40mm×40mm×160mm的鋼模中。將模具放入溫度(20±2)℃的室內(nèi),48h后拆模,拆模后將試件放入標準水養(yǎng)室中的水箱里進行水養(yǎng)到28d即可。流動度試驗參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T8077-2012)中水泥凈漿流動度測試方法進行,采用上口直徑36mm,下口直徑60mm,高度60mm的截錐圓模。強度試驗步驟參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T17671-1999)進行,加載速率為2.4kN/s至試件破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1水泥種類及水膠比對UHPC基體性能的影響

為簡明分析,取均選用原狀硅灰SF1,且摻量為20%,減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果進行討論。

由圖1可見,水膠比從0.16到0.22,新拌基體流動性顯著增加,52.5級水泥新拌基體流動度在0.22時比0.16時要高出近100mm。而42.5級中熱水泥新拌基體流動度要明顯好于52.5級硅酸鹽水泥基體,這種現(xiàn)象在使用另外3種硅灰時也明顯存在。這是由于52.5級水泥的顆粒粒徑要小于42.5級中熱水泥,比表面積大,進而水化反應(yīng)需水較多,降低其流動性。

圖2表示2種水泥制備基體的抗壓強度隨水膠比的變化。水膠比0.16時,雖然膠凝材料含量較高,但由于缺少水分,阻礙了水泥的水化反應(yīng); 另一方面因為水膠比過低,使攪拌過程中帶入到水泥漿體里的空氣不能有效排出,增多了試件內(nèi)部的缺陷,因而導(dǎo)致強度并沒有得到提升。在攪拌過程中可以明顯看到基體十分粘稠,裝模困難,需要振動成型。因此,要提高UHPC的強度,必須在確保良好工作性能的條件下,降低水膠比。在水膠比為0.18和0.20的情況下,保證了基體的流動性,減少了內(nèi)部孔隙,強度有所提高。水膠比為0.22時,攪拌過程中可以看到不斷有氣泡冒出。

對照圖1、圖2可知,52.5級硅酸鹽水泥制備的基體在流動度為175mm,42.5級中熱水泥制備的基體在流動度為180mm時強度達到.高。綜合2種水泥分別在不同硅灰及硅灰摻量的全部實驗結(jié)果來看,較好強度的組別見表5,表明水泥本身的強度等級對UHPC能達到的.大強度的影響并不明顯,但不同品種的水泥通過對基體流動度的作用,進而很大程度上影響了不同配比下UHPC基體試件的抗壓強度。2種水泥制備基體均在流動度180mm左右時抗壓強度達到.高,此時混凝土強度與工作性協(xié)調(diào).好。可以推測摻白硅灰的UHPC基體在水膠比0.17強度更高。

2.2 硅灰摻量對UHPC基體性能的影響

纖維種類、摻量、長度對蒸汽養(yǎng)護UHPC抗壓、抗折強度的影響分別如圖2、3所示。

2.2.1 硅灰摻量對水泥1制備UHPC基體性能的影響

為簡要說明,均取摻原狀硅灰SF1,減水劑為聚羧酸粉體減水劑E1的組別結(jié)果為例。

由圖3可知,硅灰摻量從15%到30%,基體流動度整體表現(xiàn)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。尤其從摻量15%到25%,流動度下降明顯。因為硅灰顆粒較水泥顆粒小近兩個數(shù)量級,故細度和比表面積大得多,所以隨著硅灰摻量的增加,基體需水量加大。摻量大于25%之后,對流動度的影響不明顯,甚至有些組別出現(xiàn)了略微增大的情況。因為硅灰顆粒除了填充在較大的孔隙中,隨著摻量進一步的增多,硅灰顆粒也存在于比較大的水泥顆粒間,起到了潤滑的作用,從而改善了基體流動性。

硅灰從兩個方面起作用提高UHPC的強度: 一是因為本身顆粒很細而產(chǎn)生的微填充效應(yīng),硅灰顆粒填充在孔隙及較大的水泥顆粒間,減少了基體的大孔數(shù)量,優(yōu)化了膠凝材料級配,加強了體系密實度; 二是硅灰的火山灰效應(yīng),改變了UHPC膠凝組分的水化進程,減少了強度薄弱的Ca(OH)2,使生成的C-S-H凝膠物質(zhì)含量得到顯著提高。圖4為硅灰摻量對52.5級硅酸鹽水泥基體抗壓強度的影響。摻量為15%時,基體抗壓強度達到.高,之后隨著硅灰摻量的加大,抗壓強度整體呈下降趨勢。因為在常溫條件下,硅灰的火山灰反應(yīng)很弱,很大一部分硅灰并沒有發(fā)生反應(yīng),不能有效發(fā)揮出提高強度的效果。對比52.5級硅酸鹽水泥的凈漿,在0.16~0.22水膠比時的抗壓強度均在112~114MPa間,可見摻入硅灰后,UHPC基體的抗壓強度均比凈漿有所提高。

52.5級硅酸鹽水泥摻入半增密硅灰的試驗中流動度、強度規(guī)律與原狀硅灰結(jié)果一致。而在摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時,摻入量為15%與20%時流動度變化不大,已經(jīng)具備很好的流動性,尤其是鋯質(zhì)硅灰,0.16水膠比時流動度已達到175mm。之后隨著硅灰摻量的增加,流動度又有明顯的提高;4種硅灰均在摻量15%時UHPC基體抗壓強度達到.高。因此,在52.5硅酸鹽水泥制備的UHPC中硅灰的.優(yōu)摻量為15%。

2.2.2 硅灰摻量對水泥2制備UHPC基體性能的影響對42.5級中熱水泥制備的基體流動性,試驗結(jié)果如圖5所示,隨硅灰摻量增加,流動度逐漸減小。這與水泥1制備基體硅灰摻量為30%時流動性轉(zhuǎn)好的結(jié)果不一致,證明不同水泥與硅灰作用的整體效果不同。

硅灰摻量對42.5級中熱水泥制備UHPC基體抗壓強度的影響與水泥1制備基體也有所不同。如圖6所示,在硅灰摻量為20%時,4種水膠比下基體的抗壓強度相對摻量15%與25%都有一個明顯的提高,達到.高。抗壓強度.高出現(xiàn)在水膠比0.18,硅灰摻量20%時,為136.2MPa,比相同水膠比的凈漿強度提高了18.2MPa,此時新拌基體流動度為181mm。

在42.5級中熱水泥中摻入半增密硅灰的試驗中,流動度、強度規(guī)律與摻原狀硅灰結(jié)果一致。摻入鋯質(zhì)硅灰、白硅灰時,隨摻量的增加,流動度逐漸增加,試件強度在摻量為15%和20%時差別不大,在20%時略高。因此,綜合考慮,在42.5級中熱水泥制備的基體中硅灰的.優(yōu)摻量為20%。

2.3 硅灰種類對UHPC基體性能的影響

2.3.1 硅灰種類對水泥1制備UHPC基體性能的影響根據(jù)上述硅灰摻量的研究結(jié)果,討論硅灰種類對UHPC基體影響時,選取52.5級硅酸鹽水泥不同硅灰摻量為15%的組別,42.5級中熱水泥不同硅灰摻量為20%的組別。

在相同水膠比豎向比較方面,如圖7,對52.5級硅酸鹽水泥,在增大基體流動性方面,鋯質(zhì)硅灰>白硅灰>原狀硅灰>半增密硅灰。原狀與半增密硅灰的組成成分雖然相同,但半增密硅灰的堆積密度大得多,硬化漿體中的分散程度較差,從而流動度較小。而鋯質(zhì)硅灰與白硅灰相較于2種灰色硅灰流動度有顯著提高,尤其是鋯質(zhì)硅灰。雖然鋯質(zhì)硅灰流動性大,有助于在保證工作性能的情況下降低水膠比,但是摻鋯質(zhì)硅灰的UHPC基體強度并沒有達到預(yù)想的高強度,在0.16水膠比下的摻鋯質(zhì)硅灰UHPC基體抗壓強度僅為121.6MPa。說明鋯質(zhì)硅灰本身對提高UHPC強度的貢獻很小。

白硅灰對流動度的改善要優(yōu)于2種灰色硅灰,且由于白硅灰的SiO2含量.高,參與反應(yīng)的活性.高,對UHPC強度的提高作用在4種硅灰中.大。圖8可以看出,.大的抗壓強度出現(xiàn)在水膠比0.18的摻15%白硅灰的配比上,強度為141.7MPa,相對于水泥凈漿提高了26.5%。摻半增密硅灰的.大強度出現(xiàn)在流動度為180mm組中,符合之前的結(jié)論: 基體在180mm左右流動度時具有較好的工作性,有利于提高強度。

2.3.2 硅灰種類對水泥2制備UHPC基體性能的影響

對42.5級中熱水泥制備的基體,改善流動性方面也是鋯質(zhì)硅灰>白硅灰>原狀硅灰>半增密硅灰; 強度方面,除摻鋯質(zhì)硅灰的基體外,其余組的.高強度均出現(xiàn)在水膠比0.18時,此時基體的流動度也.接近理想。鋯質(zhì)硅灰在0.16水膠比時強度.高,因為之后基體流動度過大。摻4種硅灰基體.高強度: 白硅灰(142.6MPa)>原狀硅灰(138.4MPa)>半增密硅灰(134.2MPa)>鋯質(zhì)硅灰(126.9MPa) ,相對于凈漿強度分別提升了18.8%、15.3%、11.8%、5.8%。進一步證明了白硅灰對UHPC強度的貢獻.大,原狀硅灰次之。

從硅灰種類對2種不同水泥的基體性能影響,可以得出結(jié)論,對于制備UHPC,白硅灰優(yōu)于原狀硅灰優(yōu)于半增密硅灰優(yōu)于鋯質(zhì)硅灰。

2.4 減水劑種類對UHPC基體性能的影響

根據(jù)實驗結(jié)果,減水劑對UHPC性能影響主要與所摻硅灰的種類有關(guān)。對于摻原狀及半增密硅灰的試件,西卡減水劑和液體減水劑比聚羧酸粉體減水劑E1的減水效果稍好一點,流動度稍大但差別不大,抗壓強度也幾乎沒有影響。但對摻白硅灰的試件,減水劑E1的效果要明顯好于另外2種減水劑。在水膠比0.18,白硅灰摻量為15%的條件下,見圖11,摻聚羧酸粉體減水劑E1 的基體流動度為190mm左右,摻另外2種減水劑的基體流動度只有145~158mm??梢姡苽銾HPC時選用減水劑不僅要與水泥有良好的適應(yīng)性,還要注意與硅灰作用的匹配。故對摻白硅灰的UHPC,應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

3 結(jié)論

研究了2種水泥,4種硅灰,3種減水劑及不同硅灰摻量、水膠比對常溫制備UHPC基體流動性及強度的影響,得出以下主要結(jié)論:

a.水膠比是影響UHPC基體性能的.大要素,使基體流動度達180mm左右時UHPC的強度.高。

b.水泥種類對UHPC的基體流動性影響更大,通過流動性進而影響強度。水泥顆粒越細,UHPC流動度越小。

c.對于52.5級普通硅酸鹽水泥制備的基體,隨著硅灰摻量增加,流動度逐漸降低至摻量為30%時開始回升; 對于42.5級中熱水泥制備的基體,隨著硅灰摻量的增加流動度逐漸降低。不同水泥制備的UHPC,硅灰在不同摻量使其強度達到.高。52.5級硅酸鹽水泥制備的基體抗壓強度在硅灰摻量15%時.大,42.5級中熱水泥在硅灰摻量20%時抗壓強度.高。

d.試驗所用硅灰在增大基體流動性方面: 鋯質(zhì)硅灰>白硅灰>原狀硅灰>半增密硅灰。其中白硅灰對UHPC基體的強度提高作用.大,原狀硅灰次之,鋯質(zhì)硅灰.小。

e.選用減水劑要注意與硅灰的適應(yīng)性,對摻白硅灰的UHPC應(yīng)選用聚羧酸粉體減水劑。

來源:黃政宇,等