超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能的影响分析

骆俊晖,黄 河,郝天之,刘豪斌,明 阳

(1.广西北投交通养护科技集团有限公司,广西 南宁 530029;2.长沙市建设工程质量安全监督站,湖南 长沙 410016;3.桂林理工大学,广西 桂林 541004;4.广西建筑新能源与节能重点试验室,广西 桂林 541004)

0 引言

我国幅员辽阔,气候复杂多样,如青藏高原地区较大的昼夜温差,使得大量的混凝土工程需要在一定的负温条件下使用,甚至某些混凝土工程需要在负温下进行施工[1]。混凝土是一种典型的多孔非均匀材料,受冻时拌和水结冰后体积膨胀约9%,通常情况硬化初期强度较低,冰冻膨胀会产生膨胀应力使混凝土内部出现损伤,从而降低混凝土强度和抗渗等性能[2-3]。

随着我国全面小康社会的建成,目前全国已经基本实现“村村通公路”的总体目标,道路养护维修面临重大挑战和机遇,道路养护维修的主要的特点是安全、高效、绿色、可持续。相关研究表明,硅灰和粉煤灰复合掺入混凝土,通过密实填充,可以改善浆体的孔结构,进而增强混凝土的抗冻性能[4]。目前各国学者逐渐认识到低温条件下混凝土幼龄期性能对后期性能的影响至关重要,并对混凝土幼龄抗冻性能进行了一系列研究[5-7]。为保证混凝土早期受冻后强度不受损失,混凝土在冻前的强度必须超过抗冻临界强度。鉴于此,本文主要针对青藏高原昼夜较大温差的气候环境,采用一次冻结法,研究自制三元固废超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能的影响,并对其幼龄抗冻机理进行分析,为高原地区道路养护快速施工方案提供参考和试验依据,具有重要的实际意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥:广西云燕特种水泥建材有限公司生产的快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC 425,以下简称R·SAC),主要性能指标见表1。

表1 R·SAC的基本物理力学性能表

超细矿物掺合料(Ultrafine mineral admixture,UMA):由钢渣、矿渣、粉煤灰经过粉磨后按3∶5∶2混合而成,粒径分布为2～10μm,平均粒径为3.64μm,28 d活性指数为103%,流动度比为100%[8]。主要化学成分见表2。

促凝剂:碳酸锂,罗恩牌,AR,99.5%,分析纯试剂。

细集料:广西桂林某混凝土厂生产石灰岩机制砂,密度为2 693 kg/m3,细度模数为3.32,石粉含量为11.2%,MB值为0.75。

减水剂:聚羧酸高效减水剂,固含量为30%,减水率>40%。

水:日常饮用水。

表2 超矿物掺合料主要化学组成表

1.2 方法与配合比

在普通混凝土中,混凝土破坏的本质是裂缝的生成与发展,内部损伤始于裂缝尖端附近的奇异应力场,混凝土的破坏与裂缝密切相关。一般认为普通混凝土存在三级裂缝,即净浆裂缝、净浆与细集料之间的界面裂缝、砂浆与粗集料之间的界面裂缝,三级裂缝量级递增。因此,为了获得相对较高的力学性能,考虑到经济效应,本试验采用剔除出骨料的方法将裂缝控制在第二级。早强型细集料混凝土配合比如表3所示。

根据研究目的,本试验采用两种养护制度。养护制度一:一次冻结。试件成型后,在室温20 ℃条件预养6 h,立即转入负温恒-18 ℃条件下冻养3 d,然后移入标准养护室养护至-3 d+4 d、-3 d+11 d、-3 d+25 d。养护制度二:正常养护。试件成型后,在室温20 ℃条件预养6 h,然后移入标准养护室养护至7 d、14 d、28 d。

试件制备工艺:(1)将水泥、超细矿物掺合料、机制砂、碳酸锂在胶砂搅拌锅内低速干拌2 min;(2)加入水和减水剂混合液体继续低速搅拌30 s,停拌10 s,高速搅拌30 s;(3)注模成型,塑料薄膜覆盖试件,在试验室20 ℃下放置养护6 h后拆模,根据养护制度养护至规定龄期进行强度测试。

力学性能测试参照《水机胶砂强度试验方法(ISO法)》(JTG 3420-2020 T—2005)进行,试件成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,标准养护室:温度为20±2 ℃,湿度>95%。

表3 早强型细集料混凝土配合比表

2 结果与讨论

2.1 养护制度对早强型细集料混凝土力学性能的影响

测试既定配合比早强型细集料混凝土在不同养护制度下,不同超细矿物掺合料掺量早强型细集料混凝土力学性能,试验结果如表4所示。由表4可知,预养6 h,所有试件强度均已超过混凝土幼龄抗冻临界强度。

图1 超细矿物掺合料对抗折强度的影响曲线图

图1为不同养护制度下,超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土抗折强度的影响曲线图。由图1可以看出,养护龄期为7 d时,两种养护制度下抗折强度变化规律保持一致,均随着超细矿物掺合料的增加,抗折强度先增加后减小,超细矿物掺合料掺量为5%是该龄期对应的最佳掺量,“养护制度一”明显优于“养护制度二”;养护龄期为14 d时,在“养护制度一”中,抗折强度随着超细矿物掺合料掺量的增加表现为先增加后减小,超细矿物掺合料掺量为10%是该龄期对应的最佳掺量。在“养护制度二”中,抗折强度随着超细矿物掺合料掺量的增加而减小,超细矿物掺合料掺量由0增加至20%时,抗折强度减小9.1%;养护龄期为28 d时,两种养护制度下抗折强度随着超细矿物掺合料掺量的增加表现为先增加后减小,超细矿物掺合料掺量为10%是“养护制度一”对应的最佳掺量,超细矿物掺合料掺量为5%是“养护制度二”对应的最佳掺量,说明超细矿物掺合料掺量对后期抗折强度影响的饱和点因养护制度而异,在早期受冻条件下应该适量增加超细矿物掺合料的掺量。

下页图2为不同养护制度下,超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土抗压强度的影响曲线图。由图2可以看出,养护龄期为7 d时,在“养护制度一”中,超细矿物掺合料对抗压强度影响保持平稳状态。而在“养护制度二”中,抗压强度随着超细矿物掺合料掺量的增加表现为先增加后较小,超细矿物掺合料掺量为5%是其对应的最佳掺量;养护龄期为14 d时,在“养护制度一”中,抗压强度随着超细矿物掺合料掺量的增加而逐渐减小,超细矿物掺合料掺量由0增加至20%时,抗压强度减小2.67%。在“养护制度二”中,抗压强度随着超细矿物掺合料掺量的增加表现为先增大后减小,超细矿物掺合料掺量为10%是“养护制度二”对应的最佳掺量;养护龄期为28 d时,两种养护制度下,随着超细矿物掺合料掺量的增加,抗压强度的变化趋势保持一致,其中超细矿物掺合料掺量为15%是“养护制度一”对应的最佳掺量,超细矿物掺合料掺量为10%是“养护制度二”对应的最佳掺量,说明超细矿物掺合料对后期抗压强度影响的饱和点因养护制度而异,在早期受冻条件下应适当增加超细矿物掺合料掺量。

图2 超细矿物掺合料对抗压强度的影响曲线图

2.2 超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能的影响

在混凝土中通常以抗压强度和抗折强度来评价其力学性能。混凝土的抗压强度形成机理较为复杂,是水泥石应力场、水泥与骨料界面应力场、骨料之间嵌挤应力场等多场模态的耦合作用,而抗折强度一般取决于水泥与骨料的界面相性能,强度形成机理相对单一。因此,本文以抗折强度为指标来评价早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能,定义一个幼龄抗冻系数Kd,具体表达式如下:

(1)

式中:Kd——表示养护龄期为d时对应的幼龄抗冻系数;

R1——表示“养护制度一”下的抗折强度值;

R2——表示“养护制度二”下的抗折强度值。

Kd的值越大,说明其幼龄抗冻性能越好。

图3为超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能的影响曲线图。由图3可以看出:养护龄期为7 d时,早强型细集料混凝土幼龄抗冻系数区间为1.02～1.04,均>1,超细矿物掺合料掺量为10%时幼龄抗冻系数为最大值1.04;养护龄期为14 d时,早强型细集料混凝土幼龄抗冻系数区间为0.88～1.02,超细矿物掺合料掺量为10%时幼龄抗冻系数为最大值1.02;养护龄期为28 d时,早强型细集料混凝土幼龄抗冻系数区间为0.95～1.01,超细矿物掺合料掺量为10%时幼龄抗冻系数为最大值1.01。由此,可以得出超细矿物掺合料掺量为10%是早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能最佳掺量,适量的超细矿物掺合料可以改善和提高早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能。

图3 超细矿物掺合料对幼龄抗冻系数的影响曲线图

3 幼龄抗冻机理分析

3.1 超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土宏观内部构造的影响

图4为不同超细矿物掺合料掺量下早强型细集料混凝土断截面图。由图4可以看出:随着超细矿物掺合料掺量的增加,早强型细集料混凝土断截面的颜色由浅变深,主要是超细矿物掺合料原材料在细集料混凝土内部均匀分布和填充所致。断截面内可以明显用肉眼看到气孔的存在,且气孔数量随着超细矿物掺合料掺量的增加而逐渐增加,说明超细矿物掺合料可以调节早强型细集料混凝土内部气孔含量和分布,提高和改善其工作性能。通过对截面的观察,可以明显看到超细矿物掺合料掺量为10%的试件断截面内气孔和细集料分布较为均匀,而由图3可知超细矿物在该掺量下各龄期幼龄抗冻系数最大,这进一步说明适量的超细矿物掺合料可以提高早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能。

图4 超细矿物掺合料对宏观内部构造的影响示意图

3.2 温度对早强型细集料混凝土的损伤

快硬硫铝酸盐水泥在凝结硬化过程中释放大量的水化热,混凝土在变温过程中会产生不均匀的温度场。因为水泥浆体与骨料的热膨胀系数存在差异,所以无论是升温还是降温,水泥浆体与骨料之间的界面过渡区首先出现损伤;当温度梯度增大到一定数值后,混凝土内部就会产生温度应力微裂纹乃至宏观裂缝,宏观上表现为混凝土强度降低。相关研究表明,本试验所用的超细矿物掺合料[8]可以等效替代水泥,抑制水化热效应强,能够有效降低胶凝材料水化热,减小温度应力,降低混凝土内部的初始损伤度。

3.3 毛细孔与气孔对早强型细集料混凝土的协同作用效应

孔结构是混凝土微观结构的重要组成部分,对混凝土宏观性能具有重要影响,适量的超细矿物掺合料改善了早强型细集料混凝土内部微孔结构[9]。杨人和等[10]根据孔径大小,将孔分为无害孔、少害孔、有害孔、多害孔,前两者称为凝胶孔,后两者称为毛细管孔。在毛细管孔中,不饱和电荷会使孔表面产生表面能,水渗入这些毛细孔,由于毛细管孔表面引力克服水的表面张力使水分子形成密度较小的定向有序结构,产生毛细管孔效应(如图5所示),这会对抗冻性能产生不利影响[11-12]。

图6为毛细管孔与气孔冰冻机理分析示意图。水束缚得越牢,冰点就越低,因此结冰对水泥浆体产生损伤的水一般为毛细管孔中的水,水在结冰时会产生9%左右的体积膨胀,从而会对孔壁产生膨胀应力使水泥浆体产生损伤,结冰位置的不同会对孔壁产生不一样的效应。如图7(a)所示,当结冰的位置发生在毛细孔内,冰晶会挤压毛细管壁或产生水压使水泥浆体产生损伤,造成水泥浆体刚度损失,气孔可以提供有效的逃逸边界,有效减小冰压或水压[13];如图7(b)所示,当结冰的位置发生在气孔位置,冰晶不会对气孔孔壁产生压力,毛细孔中的高能水和气孔处的低能水会产生热力学不平衡,形成冰冻抽吸效应,驱使毛细孔水流向低能的气孔处,促进冰晶生长,有效减轻毛细孔水压,进而有效防止水泥浆体产生损伤[14]。

图5 毛细管孔效应示意图

图6 毛细管孔与气孔冰冻机理分析示意图

(a)结冰在毛细孔内

(b)结冰在气孔

4 结语

(1)经一次冻结试验可知,既定配合比早强型细集料混凝土预养6 h后强度均已超过幼龄抗冻临界强度,满足青藏高原地区昼夜温差施工要求。

(2)超细矿物掺合料可以提高和改善早强型细集料混凝土的力学性能,当掺量为10%时,其幼龄抗冻性能最佳。一次冻结7 d、14 d、28 d试件抗压强度为分别为正常养护条件下的97.4%、98.7%、98.9%,抗折强度为正常养护条件下的103.8%、101.8%、100.8%。超细矿物掺合料更有利于提高幼龄抗折强度。

(3)适量的超细矿物掺合料不仅可以降低水泥水化热,而且还可以改善早强型细集料混凝土内部构造,从而增强其幼龄抗冻性能,大大降低青藏高原地区施工成本。