王浩 譚鹽賓 張國(guó)然 葛昕 鄭永杰 許大海 楊魯

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊 050227

隨著高速鐵路、水電工程、工民建等的快速發(fā)展，對(duì)廣泛應(yīng)用于混凝土的粉煤灰需求量增加［1］，我國(guó)多地出現(xiàn)粉煤灰緊缺局面，亟待開(kāi)發(fā)替代材料。在我國(guó)西南地區(qū)，特別是在云南、四川兩省和西藏自治區(qū)，由于水力資源豐富，電力供應(yīng)主要以水力發(fā)電為主，火力發(fā)電廠極少，粉煤灰極度緊缺，外運(yùn)粉煤灰價(jià)格居高不下且質(zhì)量難以保證；西南地區(qū)地處歐亞板塊地震活躍帶，古火山分布多，具有豐富的天然火山灰和火成巖資源［2-3］。與粉煤灰相似，火成巖的化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3等為主，將其磨細(xì)加工至一定細(xì)度后具有較好的潛在水化活性，能有效改善混凝土拌和物性能并提高耐久性能，可作為混凝土用礦物摻和料［4-8］。目前火山灰質(zhì)材料在水利工程和公路工程中有一定規(guī)模應(yīng)用，鐵路工程中初步應(yīng)用于我國(guó)承建的肯尼亞蒙內(nèi)鐵路［9-10］。流紋巖微粉在鐵路工程預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用甚少。本試驗(yàn)選取粉煤灰和流紋巖微粉兩種礦物摻和料，對(duì)比其對(duì)梁體混凝土性能的影響，探討用流紋巖微粉替代粉煤灰的可行性。

1 原材料與混凝土配合比

1.1 原材料

水泥為北京金隅北水環(huán)保科技有限公司P·O 42.5級(jí)水泥；粉煤灰（Fly Ash，F(xiàn)A）為天津國(guó)華盤(pán)山發(fā)電有限責(zé)任公司F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰；流紋巖微粉（Micropowder of Rhyolite，MR）由甘肅立之林建材有限公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。礦粉為三河天龍新型建材有限公司S95 級(jí)礦粉；砂為曲陽(yáng)縣達(dá)銘建材有限公司提供的中砂，細(xì)度模數(shù)2.5；碎石為淶水縣順合建材有限公司生產(chǎn)的5 ～20 mm 級(jí)配碎石；外加劑為北京市成城交大建材有限公司生產(chǎn)的減水劑和引氣劑。

表1 流紋巖微粉性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 混凝土配合比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，具體配合比見(jiàn)表2。其中：FA-30 表示粉煤灰質(zhì)量摻量為30 kg/m3，其他以此類(lèi)推。混凝土入模坍落度為200 ～220 mm，含氣量2%～4%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位于北京東郊試車(chē)線Ⅰ線大橋13#—14#墩處，于2020年4月1日至4月14日在梁體混凝土?xí)r摻加了流紋巖微粉。T梁采用高性能聚氨酯防水層、2 000 MPa級(jí)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系。

2.2 混凝土性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

混凝土工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土坍落度和含氣量；混凝土力學(xué)性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量；耐久性能和體積穩(wěn)定性按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土電通量、抗凍性、收縮以及徐變。

2.3 T梁混凝土溫升及應(yīng)變測(cè)試

分別測(cè)試T梁跨中截面、單側(cè)梁端截面的頂板、腹板和下翼緣馬蹄處混凝土內(nèi)部溫升和應(yīng)變。其中跨中截面埋設(shè)8 個(gè)溫度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，單側(cè)梁端截面埋設(shè)5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 T梁混凝土內(nèi)溫度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流紋巖微粉對(duì)新拌混凝土工作性能的影響

摻加不同礦物摻和料新拌混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3?？芍簝煞N礦物摻和料摻量相同時(shí)，混凝土對(duì)外加劑的需求量基本相同，其中摻加流紋巖微粉混凝土減水劑摻量略高，而引氣劑摻量略低；流紋巖微粉摻量增加時(shí)，須提高減水劑用量才能使混凝土工作性能滿(mǎn)足要求。這是因?yàn)榱骷y巖微粉呈不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)［11］，摻入混凝土后需水量增加，若保持混凝土坍落度不變，需增加減水劑的摻量。

表3 新拌混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果

3.2 流紋巖微粉對(duì)硬化混凝土性能的影響

1）力學(xué)性能

摻加不同礦物摻和料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量隨齡期變化情況見(jiàn)圖2 和表4。由圖2 和表4 可知：摻加不同礦物摻和料混凝土力學(xué)性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。摻量相同時(shí)，摻加流紋巖微粉混凝土各齡期力學(xué)性能均高于摻加粉煤灰混凝土，且硬化混凝土的力學(xué)性能隨流紋巖微粉摻量增加而提高。

圖2 摻加不同礦物摻和料混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

表4 摻加不同礦物摻和料混凝土抗折強(qiáng)度和彈性模量對(duì)比

2）耐久性能

摻加不同礦物摻和料混凝土的電通量和抗凍性能對(duì)比見(jiàn)圖3。可知：①隨著齡期增加，混凝土電通量顯著降低；粉煤灰和流紋巖微粉摻量相同時(shí)混凝土電通量相差不大，90 d時(shí)摻加粉煤灰混凝土電通量略高；混凝土電通量隨流紋巖微粉摻量增加而降低。②隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，摻加不同礦物摻和料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于93%，凍融循環(huán)275 次時(shí)三種混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量相差不大，超過(guò)275 次后摻加粉煤灰混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸小于摻加流紋巖微粉混凝土，說(shuō)明摻加流紋巖微粉混凝土抗凍性能優(yōu)于摻加粉煤灰混凝土。

圖3 摻加不同礦物摻和料混凝土電通量和抗凍性能對(duì)比

3）體積穩(wěn)定性

摻加不同礦物摻和料混凝土收縮率與徐變度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖4?？芍孩匐S著齡期增加，三種混凝土的收縮率均呈逐漸增加趨勢(shì)，相同摻量時(shí)摻加粉煤灰混凝土收縮率大于摻加流紋巖微粉混凝土。120 d前流紋巖微粉摻量6%（30 kg/m3）的混凝土收縮率明顯大于摻量12%（60 kg/m3）的混凝土，150 d 時(shí)兩者相差不大。②流紋巖微粉摻量12%的混凝土徐變度總體上大于摻加粉煤灰混凝土，28 ～45 d時(shí)前者徐變度顯著增加，而后增幅漸緩。相同摻量（6%）時(shí)摻加流紋巖微粉混凝土徐變度與摻加粉煤灰混凝土相差不大，60 d 前摻加粉煤灰混凝土徐變度稍大，之后摻加流紋巖微粉混凝土稍大。

圖4 摻加不同礦物摻和料混凝土收縮率與徐變度隨齡期變化曲線

3.3 T梁混凝土溫升和應(yīng)變

不同礦物摻和料混凝土溫度和應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖5。其中，圖5（a）為梁端截面4#測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，圖 5（b）為跨中截面 6#、7#、8#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變均值隨時(shí)間變化曲線，試驗(yàn)從完成混凝土澆筑后開(kāi)始測(cè)試?？芍孩倭憾私孛?4 h 時(shí)摻加流紋巖微粉混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值52.75 ℃，混凝土澆筑時(shí)入模溫度為22.50 ℃，混凝土溫升為30.25 ℃；18 h 時(shí)摻加粉煤灰混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值43.00 ℃，混凝土入模溫度為13.50 ℃，混凝土溫升為29.50 ℃?？梢?jiàn)，摻加流紋巖微粉混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值的時(shí)間比摻加粉煤灰混凝土提前4 h，而兩者溫升相差不大。②兩種混凝土的拉應(yīng)變均隨著測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加。測(cè)試時(shí)間為10.5 d 時(shí)，摻加流紋巖微粉混凝土應(yīng)變?yōu)?3.30×10-6，摻加粉煤灰混凝土應(yīng)變?yōu)?27.38×10-6，前者明顯小于后者；測(cè)試時(shí)間為90 d 時(shí)兩種混凝土應(yīng)變相差不大，摻加流紋巖微粉混凝土的應(yīng)變略大于摻加粉煤灰混凝土。

圖5 摻加不同礦物摻和料混凝土溫度和應(yīng)變時(shí)程曲線

4 結(jié)論

1）摻量相同時(shí)，兩種礦物摻和料混凝土對(duì)外加劑的需求量基本相同，減水劑的摻量隨流紋巖微粉摻量增大而增加。

2）摻量相同時(shí)，摻加流紋巖微粉混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均較摻加粉煤灰混凝土有所提高，且隨著流紋巖微粉摻量增加，混凝土更密實(shí)，力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)一步提高。

3）摻量相同時(shí)摻加粉煤灰的混凝土收縮率大于摻加流紋巖微粉混凝土。120 d 前流紋巖微粉摻量12%的混凝土收縮率明顯小于摻量6%的混凝土，150 d 時(shí)兩者收縮率相差不大。流紋巖微粉摻量12%的混凝土徐變度總體上大于摻加粉煤灰混凝土，28 ～45 d 時(shí)前者徐變度顯著增加，而后增幅漸緩。兩種礦物摻和料摻量相同時(shí)混凝土徐變度相差不大，60 d 前摻加粉煤灰混凝土徐變度稍大，之后摻加流紋巖微粉混凝土徐變度稍大。

4）摻加流紋巖微粉混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值的時(shí)間比摻加粉煤灰混凝土提前4 h，而兩者溫升相差不大。10.5 d時(shí)摻加流紋巖微粉混凝土應(yīng)變明顯小于摻加粉煤灰混凝土，90 d 時(shí)摻加流紋巖微粉混凝土的應(yīng)變略大于摻加粉煤灰混凝土。

綜上，相同摻量時(shí)，摻加流紋巖微粉混凝土的拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能基本與摻加粉煤灰混凝土相當(dāng)，可替代粉煤灰應(yīng)用于T梁。