摘 要: 研究了硅粉高强混凝土的强度、耐磨性和疲劳性等路用性能, 充分论述了硅粉对混凝土路用性能的影响。试验结果表明, 在路面混凝土中掺加适当的硅粉能显著提高混凝土的路用性能。最后, 对硅粉混凝土的施工工艺进行了研究。
关键词: 硅粉; 混凝土; 路用性能; 疲劳性能
暴露在自然环境下的混凝土路面结构承受车轮冲击、振动和疲劳的动载作用和大气水温周期性的重复作用, 因此, 要求路面混凝土具有足够的抗折强度、高的耐磨性能、抗疲劳性能和优良的耐久性。中国公路水泥混凝土路面建设发展速度很快, 截止到2002 年底已建成各级公路水泥混凝土路面接近17 万km。目前, 每年在建水泥混凝土路面里程约为2.5 万km 以上, 建设规模巨大。但是与此同时, 从运营情况来看并不尽人意, 有部分水泥混凝土路面通车没几年, 路面就出现相当严重的病害, 如路面露石、剥落、开裂、断板等, 也即普通水泥混凝土路面的耐久性问题受到了严峻的挑战。
因此, 提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前路面混凝土的发展趋势。为了改变目前普通水泥混凝土路面耐久性不足, 以及适应重载交通运输发展的需要, 本文研究了硅粉对混凝土路用性能的影响。
1 原材料及试验方法
1. 1 原材料
水泥: 42.5 (R) 普通硅酸盐水泥, 检验结果见表1。
集料: 粗集料采用5～ 30 mm 碎石, 细集料采用河砂。
硅粉: 宁夏惠农县天先特种材料研究所生产, 其化学成分和粒径分布见表2 和表3。
减水剂: FDN 萘系高效减水剂, 河南建苑混凝土外加剂有限公司生产, 检测结果见表4。
1. 2 试验方法
混凝土配合比见表5。考虑到路面混凝土是以抗折强度为指标进行设计的, 因此, 本次试验首先考察不同硅粉掺量(内掺法) 下混凝土抗折强度变化规律, 并结合经济性确定硅粉的最优掺量。然后, 研究该硅粉掺量下混凝土的疲劳性、耐磨性、抗冻性和脆性等路用性能。
抗折强度采用15 cm ×15 cm ×55 cm 棱柱体试件, 标准条件下养生至相应试验龄期, 24 h 后, 取出按三分点加载方式进行。疲劳试验采用15 cm ×15 cm ×55 cm 棱柱体试件, 试验在M TS 上进行, 加载波形统一采用正弦波, 以模拟路面板在随机动载下的挠曲状态。依据大应力比小频率的加载频率原则, 荷载作用频率当应力水平S ≥0. 85 时为1 Hz, 当S < 0. 85 时为15 Hz, 加载间隙时间为零。
耐磨试件采用TN S- 04 水泥胶砂耐磨试验机, 试件尺寸为15 cm ×15 cm ×7 cm , 按《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTJ 053- 94) 规定进行。试验前将试件在60℃烘箱中烘至恒重, 然后在水泥胶砂试验机上磨削50 转, 磨损面积为01012 5m 2。计算试件单位面积磨损量, 以此作为标准来描述混凝土的耐磨性能。
抗冻试验采用15 cm ×15 cm ×15 cm 的试件, 标准养护至24 d 后浸入水中养护至28 d 龄期, 使混凝土饱水, 然后将其放入- 15～ - 20℃的冰箱中冷冻, 再取出在15～ 20℃的水槽中融化。冻融时间(24 h 内两次冻融循环) 安排如下: 冻18: 00～ 08: 00, 融08: 00～ 10: 00; 冻10: 00～ 15: 00, 融15: 00～ 18: 00。这样反复进行20 次冻融循环后进行抗压强度试验, 以同样龄期饱水试件的抗压强度作为对比强度, 并以抗压强度损失百分率来表征抗冻性能。
混凝土的脆性目前尚无统一的衡量标准, 工程界普遍采用两种评价指标。一种是压折比(混凝土的抗压强度与抗折强度之比) , 另一种是极限拉伸应变(抗折强度.抗折模量)。
2 试验结果与分析
2. 1 硅粉对混凝土强度的影响
本课题在保证混凝土的胶凝材料总量和工作性相同条件下, 分别研究了不同掺量硅粉对高性能混凝土强度的影响。图1 和图2 分别为硅粉不同掺量对抗压强度和抗折强度的影响。
图1 表明, 随硅粉掺量的增加, 7 d 抗压强度降低, 并且普通混凝土的强度高于掺加硅粉的高性能混凝土; 而28 d 和90 d 抗压强度则随着硅粉掺量的增加而提高, 但增长幅度却随着硅粉掺量增加逐渐变小。图2 表明, 随硅粉掺量的增加, 掺加硅粉的高性能路面混凝土28 d 抗折强度增大, 并较普通混凝土强度有大幅度地提高。当硅粉掺量为0～15kg/m3时, 混凝土抗折强度增长曲线的斜率为3. 3%; 当硅粉掺量为15～ 30 kg/m3时, 混凝土抗折强度增长曲线的斜率为0. 7%。其原因主要是发挥硅粉的火山灰作用必须依赖于水泥的水化热, 若水泥的水化热不能满足硅粉的火山灰反应需要的能量, 一味提高硅粉的用量对提高混凝土强度的作用不明显, 甚至会降低其强度。
试验证明, 对于强度指标而言, 硅粉混凝土存在硅粉最优掺量问题。因此, 对路面混凝土而言, 根据抗折强度试验结果, 并考虑经济性, 建议硅粉的最佳掺量为15～ 20 kg/m3。以下试验中硅粉均采用15 kg/m3进行试验。
2. 2 硅粉对混凝土疲劳特性的影响
对疲劳试验结果进行整理, 按线性疲劳方程进行回归, 可得失效概率在50% 下的双对数直线疲劳方程:
lg S (1- R ) 1- S R = lg11017 9- 01042 1lgN 。
表6 列出了在相同荷载作用前提下硅粉混凝土和普通混凝土的疲劳寿命。
从表6 比较可得: 在相同荷载作用下, 硅粉可以极大地提高混凝土的疲劳寿命。因此, 在重载交通水泥混凝土路面中应选择硅粉高性能路面混凝土材料, 以增强抵抗重轴载的疲劳破坏能力。
2. 3 硅粉对混凝土脆性的影响
硅粉对路面混凝土脆性影响见表7。由试验结果表明, 掺加硅粉可以改善路面混凝土脆性。在掺入适量硅粉后, 混凝土抗压强度、抗折强度及抗折模量都有所增长, 但是抗折强度的增长速率远远大于其抗压强度和抗折模量增长速率, 从而表现为路面混凝土在保证抗压强度基本不变前提下, 大幅度降低混凝土的脆性。
2. 4 硅粉对混凝土耐磨性的影响
硅粉对混凝土耐磨性能的影响见图3。由试验数据可知, 在路面混凝土中掺加硅粉可以显著提高混凝土的耐磨性能。与普通混凝土相比, 掺减水剂混凝土和硅粉混凝土单位磨耗量分别提高28% 和42%。这是由于硅粉的掺入, 球状小颗粒的硅粉可填充在水泥颗粒间的空隙中, 将有效改善水泥颗粒级配和粒径分布, 并与Ca (OH) 2 反应, 生成新物质, 堵塞凝胶孔, 大孔隙减少, 浆体- 集料间的粘结力增强, 从而形成结构致密和过渡区不明显的均匀整体, 在宏观上表现为硅粉混凝土耐磨性能的提高。
2. 5 硅粉对抗冻性能的影响
硅粉对混凝土抗冻性能的影响见表8。试验结果表明, 硅粉混凝土和掺减水剂混凝土在经历了冻融循环20 次的强度损失百分率、质量损失百分率较普通混凝土均有较大幅度的降低。从表8 可以看出, 与普通混凝土相比, 掺减水剂混凝土20 次冻融循环后, 强度损失减少了2 倍, 质量损失减少了3 倍, 由此可以看出高效减水剂FDN 有利于提高混凝土的抗冻性; 而硅粉混凝土经过20 次冻融循环后, 强度损失比普通混凝土降低了11 倍, 质量损失减少了20 倍, 这表明硅粉对提高混凝土的抗冻性性能很有效。
3 硅粉路面混凝土的施工工艺
(1) 配合比设计。
硅粉的掺入方法分为内掺和外掺: ①内掺法, 用硅粉替代水泥, 又分等量替代和部分替代, 等量替代为硅粉掺量替代相等量的水泥, 部分替代为1 kg 硅粉可取代1～ 3 kg 水泥, 水灰比一般保持不变; ②外掺法, 水泥用量不变, 掺加硅粉则显著提高混凝土强度和其他性能。混凝土掺入硅粉时有一定坍落度损失, 因此, 硅粉须与减水剂联合使用。
(2) 搅拌方法。
为改善硅粉混凝土界面结构, 在搅拌中硅粉应在骨料投料之后立即加入搅拌机。加入方式两种: ①投入骨料, 随后投入硅粉搅拌, 然后加入水泥干拌一会, 再加入水和其他外加剂; ②投入粗骨料+ 75% 水+ 硅粉+ 50%细骨料, 搅拌15～ 30 s, 然后投入水泥+ 外加剂+ 50%细骨料+ 25%水+ 外加剂, 搅拌至均匀。搅拌时间比普通混凝土延长20～ 25 s 或50～ 60 s。切忌将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与普通路面混凝土的施工一样, 但施工中良好的组织与振动密实很有必要。硅粉混凝土早强的性能会使终凝时间提前, 在抹面时应加注意; 同时掺加硅粉会提高混凝土的粘滞性和大幅度减少泌水, 使抹面困难, 必要时应采用带振动功能的抹面设备。
(4) 施工安全。
硅粉混凝土施工安全应严格按照混凝土工程的有关国家施工规范进行操作。因硅粉较轻, 严禁高空抛洒材料, 防止硅粉飞扬。
(5) 硅粉的贮存和运输。
硅粉为编织袋套塑料内密封袋包装, 在贮存和运输过程中应防雨防潮。
4 结论
在路面混凝土中掺加硅粉可以充分发挥混凝土的增强效应, 特别是抗折强度和疲劳性能; 同时, 可以极大地改善混凝土的其他路用性能, 如耐磨性能、抗冻性能和脆性, 从而更能胜任目前重载交通发展的需要, 具有较好的发展前景。
参考文献
[ 1 ] 梁峰. 高性能路面混凝土配合比设计及路用性能研究[D ]. 长安大学, 2002.
[2 ] 吴中伟, 廉惠珍. 高性能混凝土[M ]. 北京: 中国铁道出版社, 1999.
