硅粉對混凝土路用性能的影響

摘　要: 研究了硅粉高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度、耐磨性和疲勞性等路用性能, 充分論述了硅粉對混凝土路用性能的影響。試驗結(jié)果表明, 在路面混凝土中摻加適當(dāng)?shù)墓璺勰茱@著提高混凝土的路用性能。最后, 對硅粉混凝土的施工工藝進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞: 硅粉; 混凝土; 路用性能; 疲勞性能

　　暴露在自然環(huán)境下的混凝土路面結(jié)構(gòu)承受車輪沖擊、振動和疲勞的動載作用和大氣水溫周期性的重復(fù)作用, 因此, 要求路面混凝土具有足夠的抗折強(qiáng)度、高的耐磨性能、抗疲勞性能和優(yōu)良的耐久性。中國公路水泥混凝土路面建設(shè)發(fā)展速度很快, 截止到2002 年底已建成各級公路水泥混凝土路面接近17 萬km。目前, 每年在建水泥混凝土路面里程約為2.5 萬km 以上, 建設(shè)規(guī)模巨大。但是與此同時, 從運(yùn)營情況來看并不盡人意, 有部分水泥混凝土路面通車沒幾年, 路面就出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的病害, 如路面露石、剝落、開裂、斷板等, 也即普通水泥混凝土路面的耐久性問題受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

       因此, 提高混凝土的抗折強(qiáng)度與耐久性是當(dāng)前路面混凝土的發(fā)展趨勢。為了改變目前普通水泥混凝土路面耐久性不足, 以及適應(yīng)重載交通運(yùn)輸發(fā)展的需要, 本文研究了硅粉對混凝土路用性能的影響。

1　原材料及試驗方法

1. 1　原材料

水泥: 42.5 (R) 普通硅酸鹽水泥, 檢驗結(jié)果見表1。

集料: 粗集料采用5～ 30 mm 碎石, 細(xì)集料采用河砂。

硅粉: 寧夏惠農(nóng)縣天先特種材料研究所生產(chǎn), 其化學(xué)成分和粒徑分布見表2 和表3。

減水劑: FDN 萘系高效減水劑, 河南建苑混凝土外加劑有限公司生產(chǎn), 檢測結(jié)果見表4。

1. 2　試驗方法

      混凝土配合比見表5。考慮到路面混凝土是以抗折強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的, 因此, 本次試驗首先考察不同硅粉摻量(內(nèi)摻法) 下混凝土抗折強(qiáng)度變化規(guī)律, 并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性確定硅粉的最優(yōu)摻量。然后, 研究該硅粉摻量下混凝土的疲勞性、耐磨性、抗凍性和脆性等路用性能。

     抗折強(qiáng)度采用15 cm ×15 cm ×55 cm 棱柱體試件, 標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生至相應(yīng)試驗齡期, 24 h 后, 取出按三分點加載方式進(jìn)行。疲勞試驗采用15 cm ×15 cm ×55 cm 棱柱體試件, 試驗在M TS 上進(jìn)行, 加載波形統(tǒng)一采用正弦波, 以模擬路面板在隨機(jī)動載下的撓曲狀態(tài)。依據(jù)大應(yīng)力比小頻率的加載頻率原則, 荷載作用頻率當(dāng)應(yīng)力水平S ≥0. 85 時為1 Hz, 當(dāng)S < 0. 85 時為15 Hz, 加載間隙時間為零。

      耐磨試件采用TN S- 04 水泥膠砂耐磨試驗機(jī), 試件尺寸為15 cm ×15 cm ×7 cm , 按《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 053- 94) 規(guī)定進(jìn)行。試驗前將試件在60℃烘箱中烘至恒重, 然后在水泥膠砂試驗機(jī)上磨削50 轉(zhuǎn), 磨損面積為01012 5m 2。計算試件單位面積磨損量, 以此作為標(biāo)準(zhǔn)來描述混凝土的耐磨性能。

      抗凍試驗采用15 cm ×15 cm ×15 cm 的試件, 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至24 d 后浸入水中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期, 使混凝土飽水, 然后將其放入- 15～ - 20℃的冰箱中冷凍, 再取出在15～ 20℃的水槽中融化。凍融時間(24 h 內(nèi)兩次凍融循環(huán)) 安排如下: 凍18: 00～ 08: 00, 融08: 00～ 10: 00; 凍10: 00～ 15: 00, 融15: 00～ 18: 00。這樣反復(fù)進(jìn)行20 次凍融循環(huán)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗, 以同樣齡期飽水試件的抗壓強(qiáng)度作為對比強(qiáng)度, 并以抗壓強(qiáng)度損失百分率來表征抗凍性能。

      混凝土的脆性目前尚無統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn), 工程界普遍采用兩種評價指標(biāo)。一種是壓折比(混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之比) , 另一種是極限拉伸應(yīng)變(抗折強(qiáng)度.抗折模量)。

2　試驗結(jié)果與分析

2. 1　硅粉對混凝土強(qiáng)度的影響

      本課題在保證混凝土的膠凝材料總量和工作性相同條件下, 分別研究了不同摻量硅粉對高性能混凝土強(qiáng)度的影響。圖1 和圖2 分別為硅粉不同摻量對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。

　　圖1 表明, 隨硅粉摻量的增加, 7 d 抗壓強(qiáng)度降低, 并且普通混凝土的強(qiáng)度高于摻加硅粉的高性能混凝土; 而28 d 和90 d 抗壓強(qiáng)度則隨著硅粉摻量的增加而提高, 但增長幅度卻隨著硅粉摻量增加逐漸變小。圖2 表明, 隨硅粉摻量的增加, 摻加硅粉的高性能路面混凝土28 d 抗折強(qiáng)度增大, 并較普通混凝土強(qiáng)度有大幅度地提高。當(dāng)硅粉摻量為0～15kg/m³時, 混凝土抗折強(qiáng)度增長曲線的斜率為3. 3%; 當(dāng)硅粉摻量為15～ 30 kg/m³時, 混凝土抗折強(qiáng)度增長曲線的斜率為0. 7%。其原因主要是發(fā)揮硅粉的火山灰作用必須依賴于水泥的水化熱, 若水泥的水化熱不能滿足硅粉的火山灰反應(yīng)需要的能量, 一味提高硅粉的用量對提高混凝土強(qiáng)度的作用不明顯, 甚至?xí)档推鋸?qiáng)度。

      試驗證明, 對于強(qiáng)度指標(biāo)而言, 硅粉混凝土存在硅粉最優(yōu)摻量問題。因此, 對路面混凝土而言, 根據(jù)抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果, 并考慮經(jīng)濟(jì)性, 建議硅粉的最佳摻量為15～ 20 kg/m³。以下試驗中硅粉均采用15 kg/m³進(jìn)行試驗。

2. 2　硅粉對混凝土疲勞特性的影響

     對疲勞試驗結(jié)果進(jìn)行整理, 按線性疲勞方程進(jìn)行回歸, 可得失效概率在50% 下的雙對數(shù)直線疲勞方程:

 lg S (1- R ) 1- S R = lg11017 9- 01042 1lgN 。

      表6 列出了在相同荷載作用前提下硅粉混凝土和普通混凝土的疲勞壽命。

      從表6 比較可得: 在相同荷載作用下, 硅粉可以極大地提高混凝土的疲勞壽命。因此, 在重載交通水泥混凝土路面中應(yīng)選擇硅粉高性能路面混凝土材料, 以增強(qiáng)抵抗重軸載的疲勞破壞能力。

2. 3　硅粉對混凝土脆性的影響

      硅粉對路面混凝土脆性影響見表7。由試驗結(jié)果表明, 摻加硅粉可以改善路面混凝土脆性。在摻入適量硅粉后, 混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗折模量都有所增長, 但是抗折強(qiáng)度的增長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗壓強(qiáng)度和抗折模量增長速率, 從而表現(xiàn)為路面混凝土在保證抗壓強(qiáng)度基本不變前提下, 大幅度降低混凝土的脆性。

2. 4　硅粉對混凝土耐磨性的影響

      硅粉對混凝土耐磨性能的影響見圖3。由試驗數(shù)據(jù)可知, 在路面混凝土中摻加硅粉可以顯著提高混凝土的耐磨性能。與普通混凝土相比, 摻減水劑混凝土和硅粉混凝土單位磨耗量分別提高28% 和42%。這是由于硅粉的摻入, 球狀小顆粒的硅粉可填充在水泥顆粒間的空隙中, 將有效改善水泥顆粒級配和粒徑分布, 并與Ca (OH) 2 反應(yīng), 生成新物質(zhì), 堵塞凝膠孔, 大孔隙減少, 漿體- 集料間的粘結(jié)力增強(qiáng), 從而形成結(jié)構(gòu)致密和過渡區(qū)不明顯的均勻整體, 在宏觀上表現(xiàn)為硅粉混凝土耐磨性能的提高。

2. 5　硅粉對抗凍性能的影響

      硅粉對混凝土抗凍性能的影響見表8。試驗結(jié)果表明, 硅粉混凝土和摻減水劑混凝土在經(jīng)歷了凍融循環(huán)20 次的強(qiáng)度損失百分率、質(zhì)量損失百分率較普通混凝土均有較大幅度的降低。從表8 可以看出, 與普通混凝土相比, 摻減水劑混凝土20 次凍融循環(huán)后, 強(qiáng)度損失減少了2 倍, 質(zhì)量損失減少了3 倍, 由此可以看出高效減水劑FDN 有利于提高混凝土的抗凍性; 而硅粉混凝土經(jīng)過20 次凍融循環(huán)后, 強(qiáng)度損失比普通混凝土降低了11 倍, 質(zhì)量損失減少了20 倍, 這表明硅粉對提高混凝土的抗凍性性能很有效。

3　硅粉路面混凝土的施工工藝

(1) 配合比設(shè)計。

      硅粉的摻入方法分為內(nèi)摻和外摻: ①內(nèi)摻法, 用硅粉替代水泥, 又分等量替代和部分替代, 等量替代為硅粉摻量替代相等量的水泥, 部分替代為1 kg 硅粉可取代1～ 3 kg 水泥, 水灰比一般保持不變; ②外摻法, 水泥用量不變, 摻加硅粉則顯著提高混凝土強(qiáng)度和其他性能?；炷翐饺牍璺蹠r有一定坍落度損失, 因此, 硅粉須與減水劑聯(lián)合使用。

(2) 攪拌方法。

      為改善硅粉混凝土界面結(jié)構(gòu), 在攪拌中硅粉應(yīng)在骨料投料之后立即加入攪拌機(jī)。加入方式兩種: ①投入骨料, 隨后投入硅粉攪拌, 然后加入水泥干拌一會, 再加入水和其他外加劑; ②投入粗骨料+ 75% 水+ 硅粉+ 50%細(xì)骨料, 攪拌15～ 30 s, 然后投入水泥+ 外加劑+ 50%細(xì)骨料+ 25%水+ 外加劑, 攪拌至均勻。攪拌時間比普通混凝土延長20～ 25 s 或50～ 60 s。切忌將硅粉加入已拌和的混凝土中。

(3) 施工方法。

      硅粉路面混凝土施工基本與普通路面混凝土的施工一樣, 但施工中良好的組織與振動密實很有必要。硅粉混凝土早強(qiáng)的性能會使終凝時間提前, 在抹面時應(yīng)加注意; 同時摻加硅粉會提高混凝土的粘滯性和大幅度減少泌水, 使抹面困難, 必要時應(yīng)采用帶振動功能的抹面設(shè)備。

(4) 施工安全。

     硅粉混凝土施工安全應(yīng)嚴(yán)格按照混凝土工程的有關(guān)國家施工規(guī)范進(jìn)行操作。因硅粉較輕, 嚴(yán)禁高空拋灑材料, 防止硅粉飛揚(yáng)。

(5) 硅粉的貯存和運(yùn)輸。

    硅粉為編織袋套塑料內(nèi)密封袋包裝, 在貯存和運(yùn)輸過程中應(yīng)防雨防潮。

4　結(jié)論

      在路面混凝土中摻加硅粉可以充分發(fā)揮混凝土的增強(qiáng)效應(yīng), 特別是抗折強(qiáng)度和疲勞性能; 同時, 可以極大地改善混凝土的其他路用性能, 如耐磨性能、抗凍性能和脆性, 從而更能勝任目前重載交通發(fā)展的需要, 具有較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ]　梁峰. 高性能路面混凝土配合比設(shè)計及路用性能研究[D ]. 長安大學(xué), 2002.

[2 ]　吳中偉, 廉惠珍. 高性能混凝土[M ]. 北京: 中國鐵道出版社, 1999.