低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究与应用

广东公路交通

摇摇

GuangdongHighwayCommunications

摇摇摇摇摇

Vol郾44No郾5Oct郾2018

文章编号:1671-7619(2018)05-0001-07

低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究与应用

(1.广东工业大学土木与交通工程学院,广州510006;2.广州市公路勘察设计有限公司,广州511430)摘要:依托广惠高速公路西延线凤凰山隧道标段新旧混凝土桥梁拼接工程,研发一种用于行车振动环境下桥梁拼接缝的低碱度硫铝酸盐水泥混凝土。试验了10组对比试验,分析了硼砂、硫酸铝掺量、减水剂类型以及钢纤维对快硬混凝土的影响及作用机理。根据对快硬低碱度硫铝酸盐水泥混凝土试配情况以及现场施工实际情况,对技术和产品进行优化改进并应用。

关键词:拼接工程;低碱度硫铝酸盐水泥混凝土;强度;优化改进

中图分类号:U444摇摇摇文献标志码:A

王添龙1,陈湘华2,施瑞欣2,姜海波1,刘志东1,麦摇哲1

0摇概述

混凝土,1h抗压强度能够达到15~20MPa,主要运用于应急抢修工程。在日本广泛运用的喷射水泥(又称调凝水泥),在混凝土中掺入缓凝剂后,使其初凝时间约为40min,1d抗折强度和抗拉强度可达4.1MPa和2.5MPa,可在12h内恢复通车。

缝高性能混凝土进行研发与应用。何亚雄[3]、梁志广[4]、鲁昌河[5]研究了特快硬钢纤维混凝土在高速公路桥梁新旧结构纵缝连接过程中的应用,特快硬混凝土采用的主要材料有快硬硫铝酸盐水泥、CNL型特快硬混凝土促硬剂、高效缓凝减水剂以及钢纤维,效果较好,4h抗压强度大于20MPa,无裂缝现象。

巫向忠[6]研究了在沪宁高速公路江苏扩建工程中全线桥梁拼接部位采用公路UEA补偿收缩混凝土,基本解决了在保证全线通车条件下进行施工,全线桥梁众多,工期紧,一年四季均有桥梁施工所导致桥梁拼接部位的湿接缝出现收缩或者不均匀沉降产生的裂缝的问题,保证了扩建工程桥梁拼接的施工质量。

马光琮[7]就应用于新旧桥梁拼接施工配置了一种早强快硬型补偿收缩混凝土,该配合比在水灰比为0.32时,20h最大抗压强度可达到30MPa。邓安仲[8]研究了在硫铝酸盐水泥和硅酸盐

近些年来,我国很多研发部门也开始对拼接

自80年代我国开始建设高速公路以来,至今

已先后建成了12.3万多km的高速公路,这些高速公路中较多的是4车道高速公路,并均是经济发达地区的交通干线,随着经济的快速发展,高速公路的交通量日益增长,很多高速公路出现了服务水平质量明显下降,扩建、扩容的问题逐渐突出。对原有道路的改扩建施工是未来几年公路建设的重要组成部分。在高速公路扩建过程中,新旧桥梁结构的拼接是改扩建项目的一个关键技术问题。较早期的新旧桥梁拼接均采用在新旧桥连接位置设置伸缩缝,或在拼接部位采用铰缝连接。近几年新旧桥梁拼接大多采用刚接拼接,其优点是行车舒适,耐久性好,不用经常养护。

现有的技术中,在对新旧桥进行湿接缝拼接施工时,考虑到旧桥通车振动会导致湿接缝拼接混凝土开裂,影响施工质量,通常会采取封闭交通或半封闭交通措施,但这严重影响道路运营。为解决这一难题,对行车振动环境下桥梁拼接缝高性能混凝土的研发日趋重要。在符合接缝的各项指标规范条件下,如何在短时间内,快速完成新旧混凝土桥梁接缝的建造,并使其抗压强度达到通车要求的20MPa,对实际生产中具有重要意义。

国外(如美国、日本、英国等)发达国家均先后对超早强混凝土进行研究,并取得了一定成果[1-2]。美国波波维奇研究了一种特种水泥快硬

水泥中添加促进水泥水化的矿物外加剂的新型水

基金项目:广东省交通运输厅科技项目(编号:2011-02-046)

作者简介:王添龙(1993-),男,工科学士,在读研究生,研究方向:桥梁与隧道工程,E-mail:1334849633@qq.com

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2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇泥基复合胶凝材料,其具有快硬早强、初凝结时间适中、长期强度好及大流动度等特点。

许多学者如李华[9]、黄美德[10]、职雨风[11]、叶

摇摇摇摇总第158期

聚羧酸减水剂:江门市强力建材科技有限公司,型号为QL-PC5,是具有梳形支链结构的聚羧酸盐类产品,接枝小分子早强基团。

缓凝高效减水剂:江门市强力建材科技有限公司生产的萘系缓凝高效减水剂,型号为QL-2。

硼砂:采用鹊佗养生堂生产的优质硼砂粉。硫酸铝:采用的是由金泰环保出售。

钢纤维:采用上海真强纤维有限公司生产的微丝端钩形钢纤维,规格尺寸:RS65/25-2000,长径比65。

细骨料:普通河砂,表观密度为2.52g/m3,细粗骨料:普通碎石,粒径为5~15mm,连续级1.2摇试件制作配。

文[12]、蒲心诚[13]、盛松涛[14]、左永强[15]和张洪波[16]研究了在普通硅酸盐水泥中加入早强剂、矿物掺合料和各种外加剂,使其具有快硬早强、收缩小、工作性能好、新旧混凝土粘结强且耐磨等优点。

除上述对早强混凝土的研究之外,目前针对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究较少。低碱度硫铝酸盐水泥混凝土集快硬和低碱度于一体,具有早强、高强、碱度低、抗渗性好、抗硫酸盐侵蚀性强等优点,其耐久性已达到国际先进水平,是目前较为理想的新型建筑材料,可用于一般建筑、抢修、堵漏、地下、隧道、海工、蓄水池、抗硫酸盐侵蚀等其他需要早强和微膨胀性能的工程中,并可在冬季负温条件下施工[17-19]。因此,本文依托广惠高速公路西延线凤凰山隧道标段新旧混凝土桥梁拼接工程,研发行车振动环境下桥梁拼接缝高性能混凝土,并根据现场实际情况,对技术和产品进行优化改进并应用。

度模数为2.43,含水率为0.25%。

本试验总共配制了10组新型快硬缓凝混凝土

对比试验,研究了硼砂、硫酸铝掺量、减水剂类型以及钢纤维对快硬混凝土的影响,混凝土配合比见表1。每一组混凝土均需要制作21个100mm伊100mm伊100mm的立方体试件,用来测试6h、10个时间点各测3个立方体试件。6个150mm伊150h、12h、1d、3d、7d和28d时间点的抗压强度,每mm伊300mm的标准圆柱体试件,用来测试28d的圆柱体抗压试验与劈裂抗拉试验,每种试验各测试3个圆柱体试件。同时加入高效减水剂,能够使混凝土的坍落度控制在60mm~100mm之间,从而符合施工要求。

1摇试验设计

1.1摇原材料

低碱度硫铝酸盐水泥:广西云燕特种水泥建快硬硫铝酸盐水泥:海运特种水泥公司,pH

材有限公司,pH值为10.3,强度等级为42.5。值不大于11.0,强度等级为42.5。

表1摇混凝土配合比摇摇(单位:kg/m3)

第一组第二组第三组第四组第五组第六组第七组第八组第九组第十组

低碱度硫铝酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥聚羧酸减水剂

高效缓凝减水剂+钢纤维+硼砂

硫酸铝砂碎石水水灰比施工温度/益相对湿度/(%)

55008.2506.0565011651760.3231.572.5

47608.2506.0565011651760.3731.572.5

55004.406.0565011652040.3718.078.0

55004.404.9565011652040.3718.078.0

55004.403.8565011652040.3718.078.0

55004.402.7565011652040.3718.078.0

05500

55000

55005.50065011652040.3719.150.1

55005.50+65+06.0565011652040.3720.360.0

10+65+3.35+0+0

065011652150.3910.063.0

065011652040.3721.457.8

·2·

2018年第5期王添龙,等:低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究与应用

总第158期

摇式搅拌机拌制摇混凝土拌合物采用。投料顺序为“HJW-100冶:先将碎石型混凝土强制、干砂和快硬水泥干拌,混合搅拌2min,然后在搅拌的过程中加入钢纤维,再混合搅拌2min;由于减水剂及硼砂的量少,应先加入到水中,充分搅拌,使其均匀分布;并且硼砂的溶解度较低,应充分搅拌,使其充分溶于水中;最后将水、减水剂和硼砂的混合液加入搅拌机,搅拌3min,其搅拌后混凝土形态如图1所示。待搅拌完成后,利用标准立方体模具和圆柱体模具将试件浇筑成型,24h后拆模,并在自然条件下洒水养护。浇筑养护过程如图2所示。

图1摇低碱度硫铝酸盐水泥混凝土

图2摇浇筑试件

1.3摇本试验采用试验方案

100mm伊100mm伊100mm的立方

体试件,运用MATESTC088-01材料压缩试验机测试6h、10h、12h、1d、3d、7d和28d时间点的抗压强度,同时也测试了每组配合比混凝土28d的圆柱体轴压试验和劈裂抗拉试验,如图3~图4所示。每组配合比混凝土在每个时间点均测试三个试件,三个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值,若三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时,则把最大及最小值一并舍除,取中间值作为该组试件的抗压强度值;若最大值和最小值与中间值的差值均超过中间值的15%,则该组试件的试验结果无效[20]。

图3摇圆柱体轴压试验

图4摇圆柱体劈拉试验

2摇试验结果与分析

本次总共试验了10组配合比,其力学性能试

验结果如表2所示。

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2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇

表2摇混凝土的试验结果抗压强度/MPa

6h

10h

12h

1d

3d

7d

28d

劈拉

摇摇摇摇总第158期

弹性模量/MPa28d

混凝土第一组第二组第三组第四组第五组第六组第七组第八组第九组第十组

47.440.322.014.412.711.2未凝结14.03.723.4

51.242.339.037.637.832.8未凝结25.417.842.6

51.3.046.044.4.953.9未凝结34.225.948.0

强度/MPa28d

泊松比28d

51.744.450.453.2.3.336.743.059.355.1

62.253.351.555.356.857.451.046.366.456.0

68.056.452.556.357.862.656.559.073.258.6

76.7.058.762.1.068.659.865.073.465.8

6.124.9.334.745.295.626.025.415.5.98

33835310203063531245320683109832981302963356833156

0.2180.2010.1940.2040.2110.1960.2100.1860.2140.209

2.1摇硼砂对快硬硫铝酸盐水泥混凝土的影响及作用机理

如表2第七组配合比中,快硬硫铝酸盐水泥混凝土的初凝时间非常短,无法达到正常所需的施工时间,因此需要加入缓凝剂硼砂来增加其初凝时间。但是,硼砂量稍微控制不好,则会导致其终凝时间较长,12h内,试件表面均未凝结。快硬硫铝酸盐水泥混凝土凝结较快,是钙矾石在该水泥浆体中与其他水化产物连接,形成网络结构,钙矾石数量越多,在空洞内生长越密集,则水泥的早期强度越大。而加入硼砂后,在硫铝酸盐水泥熟料表面会形成硼酸钙包裹层,从而抑制了水化。但是硫铝酸盐水泥熟料颗粒形状复杂多变,表面凹凸不平,硼酸钙包裹层的厚度不好控制,若加入的硼砂量过少,会导致有些部位没有硼酸钙包裹层从而达不到缓凝效果;若硼砂掺加量太大,也会造成缓凝过度,甚至不凝,所以造成硼砂对硫铝酸盐水泥的缓凝效果不稳定。

由于快硬硫铝酸盐水泥混凝土初凝时间较快,并且缓凝剂硼砂缓凝效果不好控制,不适合现场施工浇筑,因此为解决这一问题,研究低碱度硫铝酸盐水泥混凝土。低碱度硫铝酸盐水泥是以硫铝酸盐水泥熟料和硬石膏按一定比例经粉磨后制得,其矿物组成主要是无水硫铝酸钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙和硫酸钙,其水化产物主要是钙矾石、二水石膏和水化氧化铝凝胶。硬石膏的加入,降低了硫铝酸盐的碱度,可增加混凝土的耐久性。同时,在低碱度的条件下,钙矾石的生长速率较·4·

2.2摇硫酸铝对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的影响及作用机理

硫酸铝对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土影响的试验结果如表2第三~六组和图5所示。低碱度硫铝酸盐水泥混凝土6h、10h抗压强度随着硫酸铝掺量的增加而增加,而12h、1d、3d、7d和28d抗压强度则表现出随硫酸铝掺量的增加呈现逐步递减的趋势。加入硫酸铝后,水泥浆体的总孔隙大幅降低,结构更加密实,缩短了水泥水化反应诱导期并加速水泥水化,导致早期的强度增强;然而由于水泥水化过快,形成的主要水化产物钙矾石晶体粗大,且来不及在水泥浆体中均匀分布,造成区域产物数量不均衡,从而形成薄弱点,而导致强度降低。28d圆柱体劈裂抗拉强度也随硫酸铝掺量的增加呈现逐步递减的趋势。

慢,延长了硫铝酸盐水泥的初凝时间,便于施工。

图5摇不同硫酸铝掺量下抗压强度-龄期

2018年第5期王添龙,等:低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究与应用总第158期

的影响及作用机理

2.3摇不同减水剂对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土

本实验试验了萘系减水剂和聚羧酸减水剂对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的影响,其结果如表2第八~九组和图6所示。掺入聚羧酸减水剂的混凝土在6h、10h和12h的抗压强度小于掺入萘系减水剂的混凝土,但是1d、3d、7d和28d抗压强度则表现大于掺入萘系减水剂的混凝土。同时掺入聚羧酸减水剂的混凝土的工作性能比掺入萘系减水剂的混凝土的好。

图6摇不同减水剂抗压强度-龄期

在低碱度硫铝酸盐水泥水化初期,减水剂除了具有吸附分散作用外,减水剂分子链中的活性基团(如-COO-和-SO质中与水化生成离子3-(如)会在水泥水化的碱性介Ca2+

物,从而抑制C)生成不稳定络合

最初相的析出和减少水化产物3S,C3A,C2S水化CH,晶体的生成进而阻碍矿物,这样可以减缓浆体结构的发展,并且降低水化放热和减小化学收缩。

萘系减水剂的憎水主链会吸附在水泥颗粒的表面,从而阻止其与水接触。萘系减水剂的磺酸基(-SO并且-SO3-)可以提供静电排斥力3-会与Ca2+结合,从而形成了增加水化层,让颗粒分散开,

稳定性的富钙保护层。

聚羧酸减水剂的分子结构中具有羧基(-COO-羟基(-OH),聚乙氧基(-OCH),

,和萘系减水剂一样,其主链也会吸附在水泥2CH2-),-SO3-等官能团颗粒表面,从而阻止水泥颗粒与水接触,并且具有高接枝密度的-COO-和-SO3-会与Ca2+结合,从而形成了较萘系减水剂更稳定的富钙保护层CH。同时,-OCH22-长侧链和少量-OH也会与水形成

氢键,从而产生空间位阻效应和水膜立体保护,极大地增加水化层厚度,从而延缓水泥水化。

因此,掺入聚羧酸减水剂的混凝土的早期抗压强度小于掺入萘系减水剂的混凝土。而掺入聚羧酸减水剂的混凝土后期抗压强度增大则可能是因为其水泥水化慢,形成的主要水化产物晶体较小,且在水泥浆体中均匀分布,较密集。同时,掺入聚羧酸减水剂的混凝土28d劈裂抗拉强度、弹性模量和泊松比均比掺入萘系减水剂的混凝土的大,所以宜选用聚羧酸减水剂掺入到低碱度硫铝酸盐水泥混凝土中2.4摇钢纤维对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土。的影响及作用机理

钢纤维对低碱度硫铝酸盐水泥混凝土影响的试验结果如表2第四、第九组和图7所示。当掺入65kg/m3钢纤维时,能够提高其抗压强度,前期提高的幅度不大;后期提高较大,28d抗压强度提高了12.1%,并且其28d劈拉强度也提高了38.1%缝。,并且分布较均匀掺有钢纤维的构件破坏时有较多的细小裂,拥有“裂而不碎冶的特点,具

有较好的延性;而无钢纤维的构件破坏时则会表现出开裂式破坏,拥有一条几乎贯穿整个构件的裂缝,裂缝较少,并且宽度较大。这表明钢纤维能够提高混凝土的抗压强度,较显著地提高劈拉强度,具有很好的延性。因为低碱度硫铝酸盐水泥混凝土是一种多孔脆性材料,抗拉、抗弯和抗剪强度低,抗疲劳性能也差,而钢纤维在混凝土中是乱向分布的,能够阻碍混凝土内部微裂缝的开展和阻滞宏观裂缝的发生和发展,从而提高混凝土抗拉强度,改善抗剪、抗弯强度以及延性。从破坏的构件中可看出,当构件破坏时,钢纤维并未被剪断,而是从混凝土中拔出,这是因为荷载通过混凝土基体和钢纤维的界面传给了纤维,而纤维和基体在应变上存在差异,在纤维周围沿着纤维轴向产生剪应力,且分布不均匀,两端大,中间为零;而拉应力分布则相反,中间最大,两端为零,而端部的剪应力需要经过一定的传递长度后,才能使纤维中的应力达到恒定值,而纤维长度小于其临界值,纤维最大应力小于其极限值,从而界面粘结应力达到其粘结强度,导致纤维表现出拔出破坏而没有被剪断。

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2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第158期

3摇特快硬钢纤维低碱度硫铝酸盐水泥混凝土在工程中的应用

摇摇根据先前实验室对快硬钢纤维低碱度硫铝酸浇筑环境,最终确定了浇筑配合比。具体的配合比如表3所示,已应用于广惠高速公路西延线凤凰山隧道标段新旧混凝土桥梁拼接工程,拼接缝如图8所示。

图7摇不同钢纤维掺量抗压强度-龄期

表3摇特快硬钢纤维低碱度硫铝酸盐水泥混凝土配合比低碱度硫铝

水灰比

水/(kg/m3)

155

酸盐水泥/(kg/m)

3

盐水泥混凝土试配情况以及结合现场施工的实际

聚羧酸高

砂/(kg/m3)

696

石/(kg/m3)

10

性能减水剂/(kg/m)

3

钢纤维/(kg/m3)65

硫酸铝/(kg/m3)2.75

0.3317.758

很好的工作性能。该配合比混凝土的力学性能如表4所示。

表4摇特快硬钢纤维低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的试验结果

抗压强度/MPa

序号1

图12摇新旧桥拼接缝

6h

12h

1d

3d

7d

容重/

坍落

15.944.8.556.858.762.3

3

28d(kg/m)度/mm

2470100

4摇结论

本文试验了10组对比试验,研究了硼砂、硫酸

铝掺量、减水剂类型以及钢纤维对快硬混凝土的影响及作用机理。通过对试验结果的分析,得到以下结论:

(1)低碱度硫铝酸盐水泥混凝土早期抗压强

度随着硫酸铝掺量的增加而增加,而后期抗压强度则表现出随硫酸铝掺量的增加呈现逐步递减的趋势。28d圆柱体劈拉强度也随硫酸铝掺量的增加呈现逐步递减的趋势。

图13摇浇筑完成

在浇筑前,测量了旧桥车辆动载对拓宽新桥的影响,旧桥在正常通车的情况下,在新桥将产生的最大挠度为0.432mm。全部检测完成后,对新旧桥试验跨的连接部进行正式浇筑。现场浇筑时未封闭旧桥交通,现场浇筑效果与试验情况较一致,未出现裂缝,效果良好,具有·6·

泥混凝土在6h、10h和12h的抗压强度小于掺入萘系减水剂的混凝土,但是1d、3d、7d和28d抗压强度则表现出大于掺入萘系减水剂的混凝土。

(3)低碱度硫铝酸盐水泥混凝土掺入钢纤维(4)特快硬钢纤维低碱度硫铝酸盐水泥混凝

(2)掺入聚羧酸减水剂的低碱度硫铝酸盐水

其抗压强度提高较小,劈拉强度提高较大,能够较好地提高其延性。

2018年第5期王添龙,等:低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的研究与应用

民交通出版社,1995.

总第158期

土成功地应用于广惠高速公路西延线凤凰山隧道标段新旧混凝土桥梁拼接工程,满足在不封闭交通的情况下进行施工,并且其工作性能良好,无不良病害。

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DevelopmentandApplicationofLowAlkalinitySulphoaluminateCementConcrete

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006;

2.GuangzhouHighwaySurveyandDesignCo.,Ltd.,Guangzhou511430)

WANGTianlong1,CHENXianghua2,SHIRuixin2,JIANGHaibo1,LIUZhidong1,MAIZhe1

Abstract:BeingreliedonthenewandoldconcretebridgesplicingengineeringattheFenghuangshanTunnelofWesterExtensionLineofGuanghuiExpressway,inthispaper,lowalkalinitysulphoaluminatecementconcreteforbridgestitchingofbridgesindrivingvibrationenvironmentshasbeenstudied.Inthispaper,tengroupsofcomparativetestswereconductedtostudytheeffectsofborax,aspectratioofaluminumsulfate,typeofwater-reducingagent,andsteelfiberonfast-hardconcreteandthemechanismofaction.Finally,beingasedonprevioustrialsoffast-hardlowalkalinitysulphoaluminatecementconcretetrialsandtheactualconditionsinsite,thetechnologyandproductshavebeenoptimizedandimprovedandsuccessfullyapplied.

Keywords:splicingengineering;lowalkalinitysulphoaluminatecementconcrete;strength;optimizationandimprovement

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