掺火山灰碾压混凝土的耐久性研究.pdf

掺火山灰碾压混凝土 的耐久性研究术 左俊卿 1 上海建工集团股份有限公司 上海 2 0 0 0 8 0 2 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 2 0 1 1 1 4 摘要：以大体积混凝土工程为背景，研究了单掺火山灰、双掺火山灰和磷矿渣二元体系碾压混凝土的抗渗和抗冻耐久 性能。工程应用结果表明，掺火山灰碾压混凝土抗渗性能随着混凝土强度等级的提高而提高，各强度等级掺火山灰碾 压混凝土抗冻性能均满足工程设计要求，对结构稳定性及工程使用寿命均有良好的效果，可在类似工程中进行推广。 关键词：掺火山灰碾压混凝土 抗渗性能 抗冻耐久性 结构稳定性 中图分类号：T U 5 2 8 1 1 7 文献标志码：B DOI ：1 0 1 4 1 4 4 4 c n k i j z s g 2 0 1 5 1 1 0 2 6 Re s e a r c h o n Dur a b i l i t y o f Ro l l e r Co mpa c t e d Co n c r e t e M i x e d wi t h Po z z uo l a n a * zuo J u n q i n g 1 Sh a n g h a i Co n s t r u c t i o n Gr o u p Co ， L t d Sh a n g h a i 2 0 0 0 8 0 ； 2 Sh a n g h a i E n g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Me g a St r u c t u r e Hi g h Pe rf or ma n c e Con c r e t e S h a n g h a i 2 0 1 1 1 4 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e ma s s c o n c r e t e c o n s t r u c t io n， t h i s p a p e r s t u die s O 13 t h e i mp e r me a b l e p e r f o r ma n c e a n d t h e f r o s t r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y o f RCC mi x e d wit h s i n g l e p o z z u o l a n a a n d mi x e d wi t h b o t h p o z z u ola n a a n d p h o s p h o r u s s l a g T h e res u l t s o f t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n p r o v e d t h a t t h e f r o s t r e s i s t a n c e d u r a b il i t y b e c o me s b e t t e r wi t h t h e i n c r e a s i n g s t ren g t h g r a d e o f RCC mix e d wit h p o z z u o l a n a An d t h e f r o s t r e s is t a n c e d u r a b i l it y o f a l l s t ren g t h g r a d e RCC ca n me e t t h e d e s i g n req u i reme n t s o f t h e p r o j e c t ， w h i c h h a s g o o d e ff e c t o n t h e s t r u c t u r a l s t a b i l i ty a n d t h e s e r v i c e l i f e a n d can b e p o p u l a r iz e d t o t h e s i mi l a r p r o j e c t s K e y wo r d s ： roll e r c o mp a c t e d c o n c ret e mi x e d w i t h p o z z u o l a n a imp e r me a b l e p e r f o r ma n c e f r o s t res i s t a n ce d u r a b il i ty s t r u c t u r a I s t a b il i ty O 引言 近年来 ，一些路 、桥 、坝 等混凝 土构筑物 因环境 变 化 、材质劣化等因素而致使其性能失效 ，导致构架倒塌 、 沉 陷等事故时有发生。一些大型工程 ，未达到设计使用年 限便老损退化 ，对老损建筑物的修缮补救工作达到高峰 ， 人力 、物力 、财力损失重大。考虑到混凝土 的耐久性是其 长期性能的最重要部分 ，世界各 国都对混凝土耐久性进行 了大量的研究 ，以期不断提高混凝土的耐久性 ，延长工程 使用寿命 ，确保结构的稳定性和 良好的服务安全性 。 碾压混凝土 ( R o l l e r C o m p a c t e d C o n c r e t e ，简称RC C)是 一 种通过振动碾压工艺而达到高密实度 、高强度的水泥混 注 ：本 项 目为 国家 自然科 学 基金委 员会 资助 项 目，项 目编 号 为5 1 5 0 8 3 2 0；本 项 目为先进土木工程材料教 育部重点实验 室 ( 同济大学 )开放基金资助项 目，项目骗号为2 0 1 5 0 3 ；本 项 目为 “ 十二五”国家科技支撑计划项 目课题，课题编号为 2 0 1 4 B A J 0 3 B 0 2 ；本项目为上海市科学技术委员 会资助项目， 圃建 筑 祀 工 第 3 7 卷 第 l 1 朗 凝土 ( 或沥青混凝土 )。碾压混凝土可以使用搅拌设备进 行拌 和，用传统的施工设备进行运装 、铺筑 、压实，硬化 后的性能也 与传统方式浇筑成型的常规混凝土基本相 同。 因此 ，碾压混凝土的施工工序简单 、机械化使用效率高 、 工程周期短 ，同时 ，它还具备常规混凝土的强度和耐久性 的优点 。本文根据大体积混凝土工程对碾压混凝土耐久性 要求 的实际情况 ，对C l 0 、C 1 5 、C 2 0 碾压混凝土进行 了抗 渗 、抗冻性能试验研究。 1 试验过程 1 1 试验原材料及试件制备 试验所用水泥为P 0 4 2 5 水泥 ，掺合料为火山灰及磨 细磷矿渣 ，试验细骨料为天然砂 ，粗骨料为天然河卵石 ， 试验用水为饮用水 ，外加剂为瑞沃H C 一 3 缓凝高效减水 剂 和HC 一 9 引气剂 ，试件配 比见表1 。配合比编号 中的大写字 母 “ A ”表示强度等级为C 1 0 ， “ B ”表示强度等级为C l 5 ， “ C ”表示强度等级为C 2 0 ；大写字母后 的数字 “ l ”表示 为单掺天然火 山灰 ， “ 2 ”表示为双掺火山灰和磷 矿渣 ； “ 一 数字”为试验配合 比编号。试验前采用H I T A C H I 一 3 4 0 0 N ； ； 垄 堡 堡 垄 垦 望 鳖 圭 堕 竺 窒 ： 型扫描电子显微镜测试掺合料微观形貌。试验混凝土拌和 采用机械搅拌 ，设计V C 值5 7 S 。试件成型2 4 h 后拆模 ， 并将试件放置标准养护室 ( 温度2 2 3 c I = ，相对湿度 9 0 )养护至9 0d 龄期。 表1 碾压混凝土的试验配合比 单位材料用量( k g mI 。) 减水剂 引气剂 编号 火山 磷矿 H C一 3 ， HC一 9 ， 水泥 水 砂 小石 中石 大石 灰 渣 A1 1 55 1 O3 8 7 6 51 46 0 61 5 4 60 O 7 0 001 A2 1 55 52 51 8 7 6 51 46 0 61 5 4 60 O 7 0 OO1 B1 21 68 96 7 9 6 69 45 2 6 0 4 4 52 Ol 7 0 0O2 B1 2 2 67 9 9 8 8 6 45 4 56 60 9 456 0 7 0 002 B1 -2 3 75 91 8 8 6 45 4 56 60 9 4 56 0l 7 0 002 B2-21 68 47 4 7 7 9 6 54 4 57 60 9 4 57 0l 7 O OO2 C1 21 91 1 26 9 8 71 0 6 54 7 2 3 0l 7 O O03 C1 -22 82 1 O7 9 4 6 78 68 5 7 5 6 0 7 O 003 C2 -21 68 7 4 2 5 8 0 7 33 67 6 7 4 6 0I 7 O O03 C2 -22 82 53 5 3 9 4 6 78 6 85 7 5 6 O_ 7 O O03 1 2 试验 方法及测试 本 试 验根 据 水工 混凝 土试 验 规程 ( S L 3 5 2 2 0 0 6)中 “ 碾压混凝土抗渗试验 ”进行 ，试 验仪 器采用 H S 一 4 0 X 型混凝土渗透仪。试验过程中，应控制好装模 时的 压力 ，以免试件被压坏 ，对于2 个抗渗面要用毛刷将表面的 l 层水 泥浆体薄膜刷毛。同时 ，要注意在试验前期往备水 箱加水 ，以保证渗透压力的递增 。试验分别将C I O 、C 1 5 各 组试件加压到0 9 0 M P a ，C 2 0 各组试件加压到 1 1 0 M P a ，此 时，观察所有试件抗渗表面均未出现渗水的现象 ，停止试 验 。对抗渗试件进行劈拉 ，将其劈开测试各试件的渗水高 度 ，最终混凝土抗渗性能以抗渗等级和渗水高度来综合评 价。 碾压混凝土抗冻性能试验主要根据工程的设计抗冻要 求 ，对C 1 0 、C 1 5 、C 2 0 碾压混凝土进行9 0 d 抗冻性能试验 。 试验依据S L 3 5 2 -2 0 0 6 中 “ 碾压混凝土抗冻试验”进行 ， 采用快冻法。 试验过程中，当达到下Y U 3 种情况之一时，即可停止试 验 ： 1 )已达到3 0 0 次循环； 2 ) 相对动弹模量下降到6 0 以下 ； 3 ) 质量损失率达5 。 由于本次试验 的c 1 0 、C 1 5 试件只进行 1 0 0 次循环 ，而 C 2 0 试件进行1 5 0 次循环 ，因此，试验主要参照后2 个条件对 结果进行分析 ，满足其中任意1 条，则停止试验 ，并认为混 凝土 已经冻坏 ，记录下对应的抗冻循环次数。混凝土试件 的相对动弹模量可按下式 ( 1 ) 计算 ： P ： 1 0 0 ， 0 式中： 经n 次冻融循环后试件的相对动弹模量 ，； 次冻融循环后试件的横向基频 ，H z ； f n 一冻融循环试验前测得的试件横向基频初始值 ， Hz 。 混凝 土试件冻融后的质量损失率应该按下式 ( 2) 计 算 ： ： X 1 0 0 ( 2) 1 - 0 式中： 啊 次冻融循环后试件的质量损失率 ，； 一 冻融循环试验前的试件质量 ，k g ； 卫 次冻融循环后的试件质量 ，k g 。 混凝土耐快速冻融循环次数应以同时满足相对动弹模 量值不小于6 0 和质量损失率不超过5 时的最大循环次数 来表示。 混凝土耐久性系数应按下式 ( 3 ) 计算 ： N I 3 0 0 ( 3) 式中： 混凝土耐久系数 ； 、 乙 _ 一 达到规定要求时的冻融循环次数 ； 经n 次冻融循环后试件的相对动弹模量 ，。 因频率为周期的倒数 ，故在本试验 中，可以将相对动 弹模量的计算公式作如下变形，方便计算 ： P ：喜 1 0 0 ： 粤 1 o 0 ( 4 ) 2 试验结果与分析 2 1 掺合料微观形貌 火山灰质掺合料不但 能改善新拌水泥基材料 的性能 ， 且能改善其硬化水泥基材料的性能。而在这一系列的作用 过程中，火山灰质材料的形貌效应则主要针对新拌水泥基 材料的流动性及硬化后基材料 的强度起影响 。传统的掺合 料粉煤灰的球形形貌具有助滑减水作用 ，而矿渣 的表层光 滑致密玻璃体状外观则不利于其减水 ，甚至影响到其拌合 物 的和易性。图1( a )为试验所用磷矿渣的S E M图像 ，其 外貌光滑致密 ，具玻璃体状外观 ，颗粒棱角分明 。 相 比于粉煤灰 和磷 矿渣 的外貌特征 ，天然火 山灰没 有粉煤灰那样 的球形圆滑外貌，也没有磷矿渣棱角分明的 光滑外貌特点 ，它的外貌介于二者之 间，呈现为大量的不 规则体 ，外观粗糙 ，较多的棱角 ，大多为玻璃体状 ，具有 较大的不等度性。如图1( b ) 所示 ，因为天然火山灰多是 由火山石经粉磨生产工艺加工而得 ，故而其颗粒表面存在 着一定量的微屑 ，有些微屑没有脱离母体 ，附着在颗粒表 面 ，使得母体表面外观参差不齐 ，有的棱角较为分 明，有 的则较为圆滑 ，基本没有棱角。 2 2 混凝土抗渗性能 表2 所示为各组碾压混凝土试件抗渗性能试验结果。 2 0 1 5 1 1 B u i ld in g C o n s t r u c t i 。 n 衄 、 垄 堡 堡 塑 圭 竺 竺 窒 ： ( a) 磷矿漓颗粒形貌 ( 1) )灭然火 I4 扶颥糙形貌 图1 掺合料微观形貌对比 表2 C 1 0 、C 1 5 和C 2 0 碾压混凝土抗渗试验结果 编号 抗渗等级 平均渗水高度 mm A1 1 W 8 75 3O A2 1 W8 68 40 B1 -21 W8 698O B1 22 W8 69 2O B1 -23 W 8 728O B2 21 W 8 6240 C121 W 1 0 782O C1- 22 W 1 0 796O C2-21 W 1 0 709O C2 -22 W 1 0 73 5O 由表中数据分析可知 ： 1 ) c l 0 、C 1 5 各组试件的抗渗等级均大于W8 ，C 2 0 组 试件的抗渗等级 大于Wl O ，说明各组配合 比碾压混凝土的 抗渗等级均能满足工程设计的要求。 2 )比较C 1 0 、C I 5 和C 2 0 碾压混凝土的抗渗性能，明显 可 以看出，随着混凝土强度等级的提高 ，其抗渗性能也得 到一定的改善。研究表 明，硬化水泥浆体的孔结构是影响 其抗渗性能的重要因素 ，其孔 隙主要 由凝胶孔 、毛细孔和 大孑 L 3 部分组成。相 比而言 ，凝胶孔的孔径要 比其他2 种小 得多 ，且多为封 闭孔 ，故对渗透性影响不大 ，有时也称之 为无害孔 ，而毛细孔和大孑 L 则是水迁徙的主要通道 ，是造 成混凝土渗水的主要原因。水胶 比的降低能有效地减少这2 种孔的数量 ，同时会使水泥浆基体和骨料之间的过渡区黏 结地更加密实 ，所 以能显著地提高混凝土的抗渗性能 ，这 在数据上表现为水胶 比较小的，其抗渗性能也较优。 3 ) 对C l O 、C I 5 、C 2 0 各组单掺料和双掺料的抗渗性能 进行 比较 ，发现双掺料 的抗渗性能都要稍好于单掺料的， 但二者相差不是很明显 ，可见 ，双掺料的颗粒级配以及填 充密实性能都要好于单掺料的，而单掺料的抗渗等级也能 满足试验设计的要求值。 2 3 混凝 土抗 冻性能 表3 所示为混凝土抗冻试验结果及计算结果。 由表中数据可以看出，各组试件的最终动弹模量及质 量损失率均较小 ，c 1 0 、C 1 5 的质量损失率均不超过2 ， C 2 0 的动弹模量损失不超过5 0 ，质量损失不超过2 5 0 。 可见 ，各强度等级碾压混凝土均具有较好 的抗冻性能 ，能 匝 圆 建 筑 祀 工 ： lg 3 7 J g ：J ig 1 1 ；lI 1 表3 混凝土抗冻试验及计算结果 冻融 A1 1 试件 B1 2 2 试件 C1 2 2 试件 循环 相对动弹 质量损 相对动弹 质量损 相 对动 弹 质量损 次数 模量 失率 模量 失率 模量 失率 初始值 1 0 O 0 O 0 1 0 O 0 O O 1 O O O 0 O 2 5 次 8 8 4 5 O 1 9 8 9 2 4 O 1 6 9 0 6 7 O 1 0 5 0 次 7 9 2 7 0 l 7 9 7 8 1 4 0 8 1 8 2 4 3 O 6 8 7 5 次 7 1 1 8 1 3 4 6 9 9 8 1 2 7 7 7 _ 2 6 1 1 5 1 0 0 次 5 2 3 7 1 _ 7 5 5 5 2 O 1 5 3 7 1 _ 7 9 1 4 7 1 2 5 次 6 6 3 1 2 1 O 1 5 0 次 5 3 4 0 2 2 8 耐久性 0 1 7 7 9 5 0 1 7 4 9 5 0 2 7 6 2 9 系数 够满足工程设计提出的C 1 0 、C 1 5 要求F 5 0 ，C 2 0 要求F 1 0 0 的 抗冻等级要求。碾压混凝土的抗冻性能可随着火 山灰的掺 人而提高 ，究其原因 ，主要是掺加火 山灰后改善 了混凝土 的引气量和水泥的水化程度。火山灰混凝土的抗冻性能高 于普通混凝土的 ，并且随着磷矿渣 、胶凝材料总用量的增 加，碾压混凝土抗冻性能提高效果更为明显l6 _ 。 3 结语 从耐久性试验结果可 以看出，掺火山灰碾压混凝土抗 渗 、抗冻性能在规定龄期的等级均能满足设计的要求 ，且 有所富余 。在抗渗性能方面 ，各试件在达到规定的抗渗压 力情况下 ，其抗渗深度平均值都不超过8 0 m m，C I O 、C I 5 混凝土抗渗等级大于W8 ，C 2 0 混凝土则超过WI O ；1 8 0 d 抗 冻性能试验的各试件质量 、动弹模量损失值均较小 ，分别 不超过3 、5 0 ，C 1 0 、C 1 5 抗冻等级达 lJ r 7 5 ，c 2 o 抗冻等 级达到F 1 5 0 。 参 考 文 献 1 吴 科 如 ， 张 雄 土木 工 程材 料 【 M上 海： 同济 大学 出版 社 ， 2 0 0 8 【 2 Y e r r a ma l a A ， B a b u K G T r a n s p o r t P r o p e r t ie s o f Hi g h V o l u me F ly As h R o l l e r Co mp a c t e d Co n c r e t e J Ce me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s it e s ，2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 1 0 5 7 - 1 0 6 2 3 方坤河 碾压混凝土的耐久性 J 湖北水力发电， 1 9 9 7 ( 4 ) ： 3 4 - 4 2 4 雍本特种混凝土设计与施工 M 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 4 5 姜福 田碾压混凝 - I- M 北京： 中国铁 道出版社 ， 1 9 9 1 6 】贾金生 碾压混凝土坝发展水平和工程实例 M】 北京： 中国水利水电 出版社， 2 0 0 6 7 Z u o J， Y a o W ， Wu K S e e b e c k E ff e c t a n d M e c h a n i c a l P r o p e r t ie s o f C a r b o n Na n o t u b e C a r b o n F ib e r Ce me n t N a n o c o mp o s it e s J Fu J I e r enes Nanot Ubes and Ca r bOn Nanos t r uct U r es 2 O 1 5 ( 5 ) ： 3 8 3 3 9 1 8 】 Z u o J Q， Y a o W ， L i u X Y S e n s i n g P r o p e r t i e s o f Ca r b o n Na n o t u b e C a r b o n F ib e r C e me n t Na n o c o mp o s it e s J J o u r n a l o f T e s t in g a n d E v a lu a t i o n ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 8 3 8 8 4 3