甘肃凹凸棒土对UHPC基本性能影响分析

刘乐乐,潘亚磊,杨友军

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

超高性能混凝土(UHPC)是依据颗粒紧密理论设计,通过不同粒径骨料的合理配比,硅灰等超细粉末矿物掺合料和钢纤维等增强增韧材料的加入,以及高温蒸压等养护手段,最终形成的一种水泥基复合材料[1]。UHPC的经典配合比中的硅灰和粉煤灰分别为冶炼钢铁和火力发电的固体废弃物。近年来,国内低产能、高污染的电厂炼铁厂等大批量的淘汰关闭,导致硅灰和粉煤灰等传统矿物掺合料价格飞涨,资源稀缺[2]。所以,探索新的矿物掺合料在UHPC中的应用十分必要。

凹凸棒土是一种甘肃省内特有且储量丰富的含水富镁硅酸盐粘土矿,其具有独特的过渡链层状结构以及包括吸附性、催化性、胶凝性、填充性和火山灰效应等在内的多种特殊的物理化学性能,素有“万土之王”之的美称[3]。目前,已有学者将甘肃凹凸棒土作为矿物掺合料加入普通混凝土当中,有效地改善了普通混凝土的力学性能和耐久性能[4]。因此,如果能充分利用甘肃省的资源优势,将凹凸棒土掺入UHPC中替代部分胶凝材料,在优化UHPC基本性能和降低成本的同时,还可以有效减少传统胶凝材料生产带来的环境压力,进一步提升UHPC的环保性。

因此,本文以机制UHPC为基础,通过试验研究了原矿以及100、400、500、600、750 ℃煅烧改性后的甘肃凹凸棒土作为矿物掺合料,以不同比例取代硅灰后对UHPC工作性能及力学性能的影响。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料

本文选用甘肃省临泽县奋君矿业有限公司生产的凹凸棒土原矿,矿源地为临泽县板桥镇,水泥为永登祁连山水泥厂生产的52.5级水泥,28 d抗折和抗压强度分别为9.1、55.6 MPa;硅灰由甘肃利鑫源微硅粉公司生产,其活性SiO2含量为93.24%,烧失量2.38;矿渣粉为S95 型白色粉末矿渣粉,平均粒径2.8 um,比表面积800 m2/kg;机制砂产地为兰州市皋兰县,由玄武岩破碎而来;钢纤维为圆柱形短细镀铜钢纤维,长度、直径和长径比分别为13、0.2 mm和65;减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率为25%～30%;水为实验室自来水。

1.2 试验方法

根据现有学者的研究结论的热重分析中GT曲线的特点以及现有学者的研究结论[5],同时综合考虑热重分析试验存在的质量损失与相对温度变化的滞后情况,本文将凹凸棒土的煅烧处理温度设定为100、400、500、600、750 ℃ 5个温度。

通过马弗炉煅烧的方法,制备出5种不同煅烧温度处理的甘肃凹凸棒土,其升温速率为10 ℃/min,达到指定温度后持续煅烧时间为2 h。以普通UHPC为基准组,原矿凹凸棒以及个各温度煅烧处理的凹凸棒分别以10%、20%、30%、40%的比率取代硅灰作为试验组制备UHPC试件,在试件制备完成后依据相关规范分别测试各组UHPC的工作性和 28 d 抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度。

表1 凹凸棒UHPC配合比

2 结果与讨论

2.1 甘肃凹凸棒土对UHPC工作性能的影响

图1为甘肃凹凸棒土对UHPC 流动性的影响,可以看出:甘肃凹凸棒土对UHPC的流动度有不利影响,其中以掺入未煅烧原矿凹凸棒土的试验组最为明显。在10%～40%的4个不同掺量中,UHPC浆体流动度相较于基准组分别降低了17.14%、19.18%、25.31%和29.39%。凹凸棒土本身独特的理化性质和微观结构是造成这一现象的主要原因。一方面,凹凸棒土极强的吸水性降低了水胶比,影响了UHPC的流动度;另一方面,凹凸棒土微观结构中存在着大量的由晶束聚集形成的网状结构聚集体,极易聚集成团,将其掺入UHPC中,将增大胶凝材料间的摩擦阻力,即凹凸棒土本身的胶体性使得UHPC浆体变得粘稠,从而降低了浆体的流动度。

(a) 内掺20%甘肃凹凸棒UHPC流动度试验结果

(b) 甘肃凹凸棒土 UHPC 流动度试验结果图1 甘肃凹凸棒土对UHPC流动性的影响

甘肃凹凸棒土经过煅烧处理后,其吸水性和胶体性明显下降,UHPC的流动度较未煅烧前有所提高。在相同掺量下,500 ℃煅烧处理凹凸棒土的UHPC流动度最大。当凹凸棒土掺量为30%时,对应的 UHPC流动度值为210 mm,与相同掺量原矿凹凸棒土的流动度相比提高了14.75%。这是因为500 ℃煅烧处理后凹凸棒土原矿中的坡缕石结构脱水分解,从而有效降低了其对UHPC浆体流动度的影响。

2.2 甘肃凹凸棒土对UHPC抗压强度的影响

图2为甘肃凹凸棒土对UHPC 抗压强度的影响,可以看出:甘肃凹凸棒土对UHPC的抗压强度有不利影响;首先,掺入原矿凹凸土的试验组与基准组相比,其抗压强度有较大程度的降低,掺入10%原矿凹凸棒土的UHPC抗压强度较基准组降低了10.21%;其次,凹凸棒土经煅烧处理后,其对UHPC的抗压强度有不利影响有所降低,当凹凸棒土的掺量为30%时,500、600、750 ℃煅烧处理的试验组UHPC试块的抗压强度与基准组的差距均在5%以内,尤其500 ℃试验组抗压强度仅小于基准组1.22%。

(a) 内掺20%甘肃凹凸棒UHPC抗压破坏性形态

(b) 甘肃凹凸棒土 UHPC 抗压强度试验结果图2 甘肃凹凸棒土对 UHPC 抗压强度的影响

2.3 甘肃凹凸棒土对UHPC抗折强度的影响

图3为甘肃凹凸棒土对UHPC 抗折强度的影响,可以看出:掺入原矿凹凸土的试验组与基准组相比,抗折强度均有所升高。掺入10%原矿凹凸棒土的UHPC抗折强度为30.75 MPa,较基准组升高了4.50%。随着掺量的增加,原矿凹凸土对UHPC抗折强度的提升不断增大,原矿凹凸棒土掺量为20%、30%、40%的3组UHPC抗折强度分别升高了5.56%、7.39%、1.85%。

(a) 内掺20%甘肃凹凸棒UHPC抗折破坏性形态

(b) 甘肃凹凸棒土 UHPC 抗折强度试验结果图3 甘肃凹凸棒土对UHPC抗折强度的影响

凹凸棒土经过煅烧处理后同样可以提高UHPC的抗折强度,且提升程度远大于原矿凹凸土。20%凹凸棒土掺量,500、600 ℃煅烧处理的试验组抗折强度分别为35.28、31.98 MPa,较原矿凹凸棒土分别提高了13.45%、2.82%。当凹凸棒土的掺量增加到30%时,除了600 ℃煅烧处理的试验组外,其他UHPC试块的抗折强度较基准组均有5%以上的提升,尤其500 ℃试验组抗折强度较基准组提升了18.79%,增强效果尤为显著。这可能是因为500 ℃煅烧凹凸棒土的反应活性相较于未煅烧凹凸棒土得到明显提升,其火山灰活性和细长状纤维改善了UHPC细观结构的密实度和粘结强度。

2.4 甘肃凹凸棒土对UHPC劈裂抗拉强度的影响

图4为甘肃凹凸棒土对UHPC 劈裂抗拉强度的影响,可以看出:掺入原矿凹凸土的试验组与基准组相比,其劈裂抗拉强度存在不同程度的降低。掺入10%原矿凹凸棒土的UHPC劈裂抗拉强度为17.97 MPa,较基准组降低了1.21%。随着掺量的增加,原矿凹凸土对UHPC劈裂抗拉强度的降低不断增大,原矿凹凸棒土掺量为20%～40%的3组UHPC劈裂抗拉强度分别降低了2.22%、3.62%、3.22%。

(a) 内掺20%甘肃凹凸棒UHPC劈裂抗拉破坏性形态

(b) 甘肃凹凸棒土 UHPC 劈裂抗拉强度试验结果图4 甘肃凹凸棒土对UHPC劈裂抗拉强度的影响

凹凸棒土经过煅烧处理后则可以小幅提高UHPC的劈裂抗拉强度。20%凹凸棒土掺量,500、600、750 ℃煅烧处理的试验组劈裂抗拉强度较基准组分别提高了8.14%、6.05%、3.12%。当凹凸棒土的掺量增加到30%时,除了原矿以及100煅烧处理的试验组外,其他UHPC试块的劈裂抗拉强度都高出基准组5%～7%左右,尤其600 ℃试验组劈裂抗拉强度比基准组提升7.18%。

3 结论

1) 甘肃凹凸棒土对UHPC的工作性能有不利影响,煅烧处理可以有效改善原矿甘肃凹凸棒土对UHPC浆体流动度的不利影响。500 ℃煅烧处理后的凹凸棒土吸水性较小,在相同掺量下UHPC浆体流动度最高。

2) 甘肃凹凸棒土对UHPC的抗压强度有不利影响,掺入10%原矿凹凸棒土的UHPC抗压强度较基准组降低了10.21%。经煅烧处理后,甘肃凹凸棒土对UHPC的抗压强度有不利影响有所降低。当凹凸棒土的掺量为30%时,500、600、750 ℃煅烧处理的试验组UHPC试块的抗压强度与基准组的差距均在5%以内,尤其500 ℃试验组抗压强度仅小于基准组1.22%。

3) 甘肃凹凸棒土可以增强UHPC的抗折以及劈裂抗拉强度,且煅烧处理后的甘肃凹凸棒土对UHPC的抗折以及劈裂抗拉强度的提升程度远大于原矿凹凸土,20%掺量的500 ℃煅烧处理甘肃凹凸棒土可以将UHPC的抗折以及劈裂抗拉强度提高8%左右。