粉煤灰掺量对泡沫混凝土路用性能的影响研究

罗金凤

(广西公路检测有限公司,广西 南宁 530024)

0 引言

近年来,随着我国公路建设的迅猛发展,公路建设总里程已位居世界首位,但也存在诸多工程病害。例如,在路桥过渡段,桥头跳车是高速公路质量的通病之一,严重影响行车舒适性,甚至危及行车安全。桥头跳车的主要原因有:台背处施工作业面积小,回填施工质量难以保证;刚度差异大,易产生不均匀沉降[1]。为降低这一病害带来的影响,业内提出了使用泡沫混凝土回填。新型工程材料泡沫混凝土具有轻质、良好的抗冲击性、不可压缩、保温、隔音、无毒等优良特性,常用来作为桥台背面的回填材料[2-3]。

宋强等[4]从泡沫混凝土的宏观性能和微观结构特征进行了其抗压强度和导热系数之间规律的研究。SHE等[5-6]将粉煤灰掺入用于高铁路基回填的泡沫混凝土中,发现粉煤灰的掺入能够有效提升泡沫混凝土的强度。庞超明等[7-8]采用(X-CT)技术分析了粉煤灰对泡沫混凝土孔隙的影响,发现粉煤灰有细化混凝土内部孔径和优化孔结构的作用。CHEN等[9]探究了粉煤灰细度对泡沫混凝土力学性能的影响,发现细粒度的粉煤灰分布在气泡表面更均匀,提高泡沫混凝土强度的作用更明显。但是过高地掺入粉煤灰会影响泡沫混凝土的早期水化程度,从而导致泡沫混凝土性能的下降[10]。

综上所述,粉煤灰对泡沫混凝土性能的提升起重要影响。而对粉煤灰改性的泡沫混凝土路用性能研究较少,尤其是粉煤灰掺量对路用耐久性能的影响方面,从而阻碍了泡沫混凝土在不同环境状态和工况下桥台回填施工中的推广应用。为此,本文针对不同掺量粉煤灰对泡沫混凝土力学性能、抗渗性能及抗冻融循环性能的影响规律开展了一系列研究,为泡沫混凝土在不同工况和环境下桥台回填施工中的应用提供一定参考和借鉴。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料

试验的主要原材料包括:普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)、硫铝酸盐水泥(SAC)、Ⅰ级粉煤灰、松香发泡剂、稳泡剂(白色粉末)、聚丙烯纤维、聚羧酸高效减水剂(减水率25%)。

1.2 配合比

试验设计的容重为600 kg/m3和700 kg/m3;采用的水胶比为0.42;其中粉煤灰用量按水泥质量的0、10%、20%、30%计算;减水剂用量按胶凝材料质量的0.5%掺入;聚丙烯纤维用量和稳泡剂用量按胶凝材料质量的0.1%掺入。泡沫混凝土基准配合比见表1。

表1 基准配合比表

1.3 试验方法

试样成型。将一定比例的水和稳泡剂加入发泡机中,启动气泵加压,由发泡机制备符合要求的气泡。然后按试验操作规程进行搅拌均匀,将制备好的泡沫混凝土拌和料浇筑成型静置24 h后脱模。

抗压强度试验。将试样在标准养护室中养护7 d、28 d后取出,参照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)试验规程进行泡沫混凝土抗压强度试验。

抗弯拉强度试验。将成型脱模后的试样养护至28 d,参照《混凝土物理力学性能试验方法》(GB/T50081-2019)中的试验方法进行抗弯拉强度试验。

泡沫混凝土吸水率试验。试样养护龄期为28 d,试验方法参照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)试验规程进行泡沫混凝土吸水率试验。

泡沫混凝土抗渗性能试验。采用的试样为圆柱形试模,尺寸为直径100 mm、高度100 mm。试样成型后,养护到28 d进行抗渗测试。试验过程中应注意确保水柱水面高出试件200 mm,并记录水柱的下降高度。

泡沫混凝土冻融循环试验。采用的试样尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体,参照相关试验规程进行冻融循环试验。

2 试验结果分析及讨论

2.1 粉煤灰掺量对抗压强度的影响

设计容重为600 kg/m3、700 kg/m3的泡沫混凝土7 d、28 d无侧限抗压强度随粉煤灰掺量而变化的试验结果如图1所示。由图1可知,在同一容重和相同龄期的系列中,当粉煤灰掺量由0增至30%时,泡沫混凝土无侧限抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈明显增大趋势,说明适量掺量的粉煤灰对泡沫混凝土强度有一定的提升作用。

图1 无侧限抗压强度随粉煤灰掺量的变化曲线图

图1中,当粉煤灰掺量由10%增至20%时,泡沫混凝土强度增幅最大,而当掺量由20%增至30%时,强度增大趋势逐渐趋于平缓,说明泡沫混凝土中粉煤灰的最佳掺量为20%。究其原因,适量粉煤灰的加入,会与水泥颗粒之间的微集料发生填充效应,可细化孔径和优化孔隙结构,使泡沫混凝土的微观结构更致密,当粉煤灰掺量超过最佳界限时,填充效应减弱,对强度贡献作用降低,甚至使泡沫混凝土强度下降。从图1还可看出,泡沫混凝土容重与其抗压强度呈正相关关系。养护龄期为7～28 d,泡沫混凝土抗压强度有较大的增长,7 d抗压强度可达到28 d抗压强度的45.8%～66.9%。

2.2 粉煤灰掺量对抗弯拉强度的影响

泡沫混凝土28 d抗弯拉强度随粉煤灰掺量的变化规律如图2所示。由图2可知,泡沫混凝土抗弯拉强度随粉煤灰掺量的增大呈逐渐增大趋势。当粉煤灰掺量在0～20%时,其抗弯拉强度最大增幅可达83.3%;当煤粉灰掺量>20%时,抗弯拉强度增长速度趋于平缓。结果表明,适量粉煤灰的掺入能在一定程度上提升泡沫混凝土的抗弯拉强度。分析主要原因是水泥水化生成的大量CH与粉煤灰中的SiO2和Al2O3等活性物质发生反应,生成更多呈纤维状晶体或网络状的C-S-H胶凝体,而C-S-H、CH、AFt相互交错、粘结、贯穿,形成致密的结晶结构,填充微小空隙,表现为强度逐渐提高。另外,由于粉煤灰的“填充效应”和“微集料效应”,将起到细化内部孔径和优化孔结构的作用,使单位孔壁厚度增加,受拉面积增大,降低应力集中效应,在宏观上表现为抗弯拉强度的增加。

图2 不同粉煤灰掺量下的抗弯拉强度变化曲线图

2.3 粉煤灰掺量对吸水率的影响

泡沫混凝土吸水率随粉煤灰掺量的变化规律如图3所示。由图3可知,泡沫混凝土吸水率随粉煤灰掺量的增加呈指数下降,拟合度分别可达0.97、0.99。两个系列的泡沫混凝土吸水率分别在37.8%～64.3%、34.3%～55.2%;当粉煤掺量在0～10%时,泡沫混凝土吸水率下降最明显;当粉煤灰掺量在10%～30%时,吸水率下降逐渐趋于平缓。说明降低泡沫混凝土吸水率的最佳粉煤灰掺量在10%～20%。究其原因,粉煤灰颗粒相较于水泥颗粒更细,掺入适量的粉煤灰后能填补内部孔隙结构,使泡沫混凝土结构更加致密,宏观上表现为吸水率下降。但是,当粉煤灰超过最佳界限,此时C-S-H、CH之间的空隙处于填充饱和状态,过多的粉煤灰颗粒相互堆积产生不规则的空隙结构,进一步增大孔隙率,从而弱化最佳粉煤灰掺量细化孔径和优化孔结构的作用,宏观上表现为随粉煤灰掺量的增加,泡沫混凝土吸水率逐渐趋于平缓。

图3 粉煤灰掺量对吸水率的影响曲线图

2.4 粉煤灰掺量对抗渗性能的影响

泡沫混凝土渗透性能随粉煤灰掺量的变化规律如图4所示。图4水柱法试验结果表明,泡沫混凝土渗透性能随粉煤灰掺量的增加呈二项式曲线下降,拟合度为0.957。当粉煤灰掺量由0增至30%,水柱下降的高度范围在13～23 mm,抗渗性能分别提升了26.1%、34.7%、43.5%;抗渗性能提升最明显的区间对应的粉煤灰掺量在0～20%。结果表明,粉煤灰对泡沫混凝土抗渗性能的提升具有重要影响作用。由于粉煤灰呈光滑的球状颗粒,具有较好的填充效应,将大孔隙细化,从而延长了水流的渗透路径,宏观上表现为,水柱下降的高度更低,抗渗性能更优越。

图4 粉煤灰掺量对渗透性能的影响拟合曲线图

2.5 粉煤灰掺量对抗冻性能的影响

泡沫混凝土抗冻融循环性能随粉煤灰掺量的变化规律如图5所示。图5冻融循环试验结果表明,泡沫混凝土抗冻融循环性能随粉煤灰掺量的增加呈先上升后下降的趋势;设计容重为600 kg/m3系列的泡沫混凝土最大冻融循环次数为16次,对应的粉煤灰掺量为20%,相比于基准组的抗冻融循环性能提升了33.3%;设计容重为700 kg/m3系列的泡沫混凝土最大冻融循环次数为16次,对应的粉煤灰掺量为10%,相比于基准组的抗冻融循环性能提升了38.4%。结果表明,适量粉煤灰的掺入有利于提升泡沫混凝土的抗冻融循环性能,且粉煤灰最佳掺量在10%～20%。

图5 冻融循环次数随粉煤灰掺量的变化规律曲线图

3 结语

综上所述,泡沫混凝土在公路工程项目施工中应用较为普遍,为了更大化地发挥泡沫混凝土的特性。本文以不同掺量粉煤灰的泡沫混凝土开展力学性能和路用耐久性能方面的研究,得出以下结论:

(1)在同一容重下,粉煤灰掺量的增加对泡沫混凝土力学性能有明显的提升作用。7 d抗压强度在0.92～3.96 MPa,28 d抗压强度在2.01～5.92 MPa,28 d抗弯拉强度在0.17～0.41 MPa;粉煤灰的最佳掺量在10～20%;容重大的泡沫混凝土相比于容重小的泡沫混凝土力学性能更优。

(2)随粉煤灰掺量的增加泡沫混凝土吸水率整体呈指数下降趋势。当粉煤灰掺量为10%时,泡沫混凝土吸水率降幅最大为600 kg/m3,对应的吸水率下降幅度为30.3%,对应的吸水率在37.8～64.3%,700 kg/m3对应的吸水率下降幅度为29.8%,对应的吸水率在34.3%～55.2%。

(3)粉煤灰的掺入能够有效提升泡沫混凝土的抗渗性能。粉煤灰掺量由0增至30%,抗渗性能分别提升了43.5%。

(4)泡沫混凝土干密度越大,抗冻融循环性能越优异;泡沫混凝土抗冻融循环性能随粉煤灰掺量的增加呈先上升后下降的趋势,粉煤灰掺量在0～20%能有效提升泡沫混凝土的抗冻融循环性能,且最佳掺量在10%～20%。