摘 要:介绍了粉煤灰,外加剂对混凝土各种性能的影响,以及郑西铁路客运专线耐久性混凝土采用粉煤灰、外加剂双掺技术在施工中的应用。
关键词:粉煤灰;外加剂;对混凝土影响;铁路客运专线;耐久性;混凝土;双掺技术
前言
郑西铁路客运专线ZXZQ05 /07标段共有钻孔灌注桩9225根;桩长平均53～55m;混凝土方量大,质量要求高,水下灌注桩混凝土以耐久性为前提,要求满足设计要求的力学性能,同时要求新拌混凝土具有良好的工作性,即高流动性而不离析、不泌水; 承台1112座,为大体积混凝土,要求硬化后混凝土无裂缝、渗透性低、体积稳定、抗裂性能好。桩基、承台混凝土所处的环境类别及作用等级为T1 (长期在水下或土中) ;墩台1112座,混凝土所处的环境类别及作用等级为T2、D1 (根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》确定) ,为大体积混凝土同时有较高的抗冻融要求。以上混凝土根据耐久性设计要求决定采用粉煤灰和外加剂双掺技术。
1 粉煤灰对混凝土的影响
1．1 粉煤灰对新拌混凝土的影响
(1)需水量:对于坍落度要求一定的混凝土,使用优质粉煤灰比只用水泥需要较少的拌合用水,优质的粉煤灰掺量越高混凝土单位用水量越少。
(2)工作性能:粉煤灰能改善同坍落度混凝土的工作性能,大量的球状玻璃体在混凝土的泵松、振捣过程中起润滑作用;粉煤灰补偿了细骨料中细屑的不足,截断了浆体中的泌水通道的连续性,减少离析、泌水,提高混凝土的粘聚性和保水性;粉煤灰还能有效分散水泥颗粒,释放出更多浆体来润滑骨料,改善和易性,改变流变性质,提高流动性。
(3)凝结时间:掺加粉煤灰会延长混凝土的凝结时间,缓凝程度取决于水泥用量、粉煤灰掺量、需水量比、活性指数和混凝土的温度;这对水下灌注桩和大体积混凝土施工有利。
(4)水化热:粉煤灰的水化热比水泥低,可以用来降低混凝土结构中所蓄积的水化热,对降低混凝土的温升特别有利。
(5)含气量:使用粉煤灰后,混凝土要获得一定的含气量一般要增加引气剂的用量。混凝土需要引气时,所需引气剂用量与粉煤灰细度、烧失量、碱含量、杂质含量、有机物含量有很大关系。
1．2 粉煤灰对硬化混凝土的影响
(1)强度:粉煤灰混凝土与单用水泥配制的混凝土相比强度有高有低,取决于环境温度、龄期和水胶比,主要因为二次水化在混凝土浇筑很长时间后才开始进行(温度低时,所需时间更长) 。
(2)抗裂性:收缩与拌合用水量和浆体体积有关,优质的粉煤灰需水量比小于100%,水的减少使浆体混凝土的自生收缩和干燥收缩都小;同时粉煤灰降低水化热作用十分明显,可使大体积混凝土的水化热峰延缓,有效防止混凝土产生温缩裂缝。
(3)早期抗碳化能力稍差:水泥用量减少,水化产物Ca (OH) 2 减少,而且火山灰反应消耗一部分Ca(OH) 2 ,使PH值降低,会增加碳化速度,特别是在早期粉煤灰—水泥体系结构疏松的时候;随着龄期增加,火山灰反应形成的致密水化产物改善了混凝土的微结构,提高了混凝土的密实度,增加了不透水性,使抗碳化能力提高。
(4)抗渗性:粉煤灰混凝土的渗透性比单用水泥配制混凝土要低,渗透性随水化物数量的增加和水胶比的降低而下降。
(5)抑制碱- 集料反应性能: 粉煤灰可以抑制碱硅酸盐反应,特别是F类低钙粉煤灰;适当掺量可最大限度降低碱集料反应。
(6)抗冻性能: 28天以前,混凝土的孔结构较普通混凝土粗大,故早期抗冻性下降,掺量增加,下降幅度增大,随着龄期的增长,下降幅度减小。
2 复合外加剂对混凝土性能的影响
2．1 复合外加剂对新拌混凝土性能的影响复合型外加剂一般具有减水、缓凝、引气等功能,可大大改善新拌混凝土的性能:
(1)引气剂对改善混凝土的工作性能有显著作用,还可以减少或消除拌合物的离析和泌水;并具有减水作用。
(2)高效减水剂的减水率可达30%以上;它能显著减少单位用水量和水泥用量,降低水胶比,拌制出具有更好和易性、低水胶比的高性能混凝土,用水量的减少使得泌水现象减少
(3)塑化剂本质上也是一种高效减水剂,它主要掺到低水胶比或略低于正常坍落度的混凝土中,来拌制大坍落度的流动性混凝土,使混凝土像流体一样流动但工作性能很好的混凝土;同时不会产生严重泌水和离析,不需振动就可密实。
(4)缓凝剂主要用于延缓混凝土的凝结时间,也可以用来减少坍落度损失和改善工作性,特别适用于环境温度较高时混凝土、大体积混凝土的浇注和水下灌注桩混凝土的灌注。
2．2 复合外加剂对硬化混凝土性能的影响
(1)强度:减水剂的加入降低了水胶比,提高了强度;引气剂使混凝土含气量适当增大,若保持粗集料用料和水泥量不变,强度一般也不会降低,主要因为水泥和坍落度不变时,引气混凝土可以减少砂和水的用量,通过降低水胶比来减少由引气导致的强度降低;当水胶比不变时,强度随引气量增加成比例降低。缓凝剂一般也有减水作用,也能提高混凝土的后期强度。
(2)抗渗性:减水剂减少了水胶比,减少了毛细孔的数量和尺寸,从而大大降低了渗透性。引气剂引入的封闭微小气泡隔断了混凝土的毛细通道,减少了泌水时形成的渗水孔隙,改善了混凝土的孔结构,使混凝土抗渗性显著提高。
(3)抗冻融性能:引气剂通过引入封闭微小气泡可是硬化混凝土在潮湿环境下抗冻融性得到明显改善;对高强混凝土来说,减水剂减小了水胶比,提高了混凝土的强度和密实性,使得抗冻性能提高。
(4)抗硫酸盐侵蚀:引气剂引入封闭微小气泡后混凝土的抗硫酸盐性能有所提高,如同时低水胶比会有更好的效果。
(5)抗碱集料反应:引气剂引入封闭微小气泡后,碱集料反应引起的膨胀破坏会有所减少。
3 粉煤灰、外加剂双掺技术对工作性能、力学性能和耐久性能的影响
3．1 对工作性能的影响
粉煤灰、外加剂都对混凝土的工作性能起着显著改善的作用,都能减少离析和泌水。但要注意外加剂、粉煤灰和水泥之间的相容性:粉煤灰对引气剂用量的影响非常大,有时候不需调整引气剂用量,有时可能需掺加几倍常用量的引气剂;随着坍落度和用水量的不同,减水剂和缓凝剂一般又会使其引气剂效率提高50～100%。由于粉煤灰与外加剂或水泥的不相容以及外加剂之间的不相容会引起新拌混凝土性能的波动,可能会造成新拌混凝土的坍落度损失大、引气量变化大、早期硬化异常和影响新拌混凝土的其他性能
3．2 对力学性能的影响
减水剂的加入降低了水胶比,提高了强度;单掺粉煤灰混凝土早期强度较低;采用双掺技术,通过减水剂的减水作用减小水胶比,提高了粉煤灰的火山灰效应和微集料效应。粉煤灰的存在改善了低水胶比混凝土水泥颗粒最初的水化环境,使水化产物Ca(OH) 2 增多,有利于二次水化,提高混凝土的早期强度。
3．3 对耐久性能的影响
(1)抗冻融循环:粉煤灰混凝土早期抗冻性差,采用掺加高效减水剂降低混凝土的水胶比和掺加引气剂引入足够的含气量来提高混凝土的抗冻能力。
(2)抗碱集料反应:粉煤灰的火山灰反应能抑制碱集料发生的可能性;引气剂引入的细微气泡能有效地减少碱集料反应引起的膨胀破坏。
(3)抗碳化:粉煤灰混凝土早期抗碳化性能差,可掺加高效减水剂降低水胶比来提高混凝土的抗碳化能力。
(4)抗氯离子侵蚀和钢筋锈蚀:粉煤灰火山灰反应降低了碱度,减弱了碱性环境对钢筋的保护作用;采用高效减水剂降低混凝土的水胶比,同时利用粉煤灰的火山灰效应、填充效应增加混凝土的密实性;防止腐蚀物质的侵入。
(5)抗硫酸盐侵蚀:引气剂通过引入微小气泡,减水剂通过降低水胶比提高密实性,粉煤灰通过火山灰效应、填充效应降低了混凝土的渗透性和减少硫酸盐膨胀性反应所需的水泥石的含量,减少了硫酸盐的侵蚀性。
(6)抗裂性能:粉煤灰通过减水和降低水化热增加混凝土的抗裂性;外加剂通过减水作用降低了拌合用水的量,降低了水胶比,降低了胶凝材料用量,从而减少了自生收缩和干燥收缩; 胶凝材料总量的减少同时减少了的水化热,增加了抗裂性能。
4 工程实例
郑西铁路客运专线ZXZQ05 /07 标段的桩基、承台、墩柱均采用了粉煤灰和外加剂双掺技术;控制混凝土的入模含气量(混凝土无抗冻要求≥2%;混凝土有抗冻要求≥4% ) 、坍落度、入模温度、最大水胶比、最小胶凝材料用量、碱含量、氯离子含量。采用56d的立方体抗压强度检验混凝土力学性能;采用ASTMC1202 - 97混凝土氯离子渗透电量快速测定方法检验混凝土的抗渗性能;采用GBJ82 - 85快冻法检验混凝土的抗冻性能;采用受约束的混凝土圆环试件评价混凝土的抗裂性能。
现场施工发现:混凝土的工作性能良好,无泌水、离析现象,混凝土的流动性良好。实体取芯检测: 混凝土力学性能均满足设计要求;耐久性指标氯离子电通量小于1500库仑。混凝土试件检测:抗冻融性能大于F300;抗裂性能对比试件合格。工程主体:墩柱、承台无肉眼可见裂纹。
5 结论
(1)适当的引气、较低的水胶比、适宜的粉煤灰掺量和长时间的潮湿养护是外加剂、粉煤灰双掺技术混凝土具有良好耐久性能的前提。
(2)考虑混凝土所处的环境类别及作用等级,通过复合外加剂和粉煤灰双掺技术,完全可以实现按性能要求设计高性能耐久性混凝土的目标。
(3)高度重视外加剂和粉煤灰、水泥等的适应性问题;否则可能影响到混凝土塑化阶段的性能和硬化混凝土的长期性能。
