復摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實高性能混凝土試驗研究

王成啟，張悅然

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國東海大橋、杭州灣大橋以及洋山深水港等海港碼頭和跨海大橋均采用海工高性能混凝土，以提高混凝土的耐久性[1-4]。在某些情況下，海洋工程的建設對高性能混凝土提出了更高的要求，例如，某些海洋工程的大體積鋼筋混凝土結構荷載大，配筋密集，振搗困難，容易產生蜂窩、麻面、氣泡、空洞等缺陷，從而對混凝土的強度和耐久性產生影響。采用高性能自密實混凝土可使混凝土流動性明顯增大，同時，也具有足夠的塑性黏度，依靠自重自流平、自密實，充滿模板和包裹鋼筋。因此，研究海工自密實高性能混凝土以滿足海洋環境高性能混凝土施工需要，具有顯著的技術和經濟意義。

粉煤灰是配制高性能混凝土最常用的摻合料，摻入粉煤灰可改善混凝土的工作性和耐久性，并可降低混凝土的絕熱溫升，是配制高性能混凝土的主要途徑之一[5-8]，也是配制自密實混凝土的常用礦物摻合料[9-11]。石灰石粉具有減水、填充和顆粒形貌效應，可有效改善混凝土的工作性，石灰石粉具有一定活性[12-13]，也是改善海工自密實混凝土工作性的有效途徑之一。本文通過自密實混凝土原材料的優選，開展復摻粉煤灰和石灰石粉海工自密實高性能混凝土的試驗研究。

1 試驗用原材料

1.1 水泥

采用臺泥句榮52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥。對水泥的強度等級、安定性、細度、凝結時間等指標進行了試驗，其性能指標見表1，其安定性合格，性能達到了GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[14]中52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥的質量標準。

表1 水泥的物理力學性能指標測試結果

1.2 粉煤灰

采用鎮江諫壁發電廠生產的蘇源牌Ⅰ級粉煤灰，其性能指標測試結果如表2所示，達到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[15]的質量要求。

表2 粉煤灰的技術指標測試結果

1.3 石灰石粉

采用浙江省湖州石粉廠生產的400目石灰石粉，其化學組成如表3所示。采用勃氏法，400目石灰石粉的比表面積為495 m2/kg，密度為2.71 g/cm3。

表3 石灰石粉的化學組成 %

1.4 骨料

1.4.1 細骨料

采用河砂，性能指標檢測結果如表4、表5所示。由表4和表5可知，該河砂為細度模數2.76的Ⅱ區中砂，級配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[16]的質量基本要求。河砂中粒徑小于0.16 mm的石粉含量為1.4%。符合國內外對自密實混凝土細骨料的基本要求。

表4 砂的技術指標檢測結果

1.4.2 粗骨料

由于海工自密實高性能混凝土多用于薄壁構件以及鋼筋較為密集的混凝土構件，粗骨料的粒徑不宜過大。同時，國內外自密實混凝土相關標準規定，粗骨料的最大粒徑不宜大于20 mm，否則將增大混凝土拌合物的流動阻力和分層離析的幾率。

表5 砂級配測試結果

試驗采用5～20 mm連續級配的碎石，由5～10 mm和10～20 mm兩級配配制而成，并將兩級配的碎石分別進行比例為1∶9、2∶8、3∶7篩分試驗，其性能指標及篩分試驗結果如表6、表7所示。從表6可以看出，粗骨料最大粒徑小于20 mm，針片狀顆粒含量小于8%，空隙率小于40%，含泥量不大于1%，泥塊含量不大于0.5%，滿足配制自密實混凝土的基本要求。從表7的篩分試驗結果可以看出，由兩級配比例3∶7配制的連續級配的碎石級配良好，滿足《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》級配要求。因此，采用兩級配比例3∶7的碎石配制海工自密實混凝土。

表6 粗骨料的性能指標檢測結果

表7 粗骨料篩分試驗結果

1.5 減水劑

采用巴斯夫有限公司RP25聚羧酸高效減水劑，其性能指標的檢測結果如表8所示，其減水率均達到GB 8076—2008《混凝土外加劑》[17]的質量要求。

表8 聚羧酸高效減水劑檢測結果

2 混凝土配合比與試驗方法

2.1 混凝土配合比

分別配制單摻石灰石粉和復摻粉煤灰和石灰石粉自密實混凝土，粉煤灰與石灰石粉摻量為10%、20%和30%，測試混凝土的拌合物的工作性、強度和耐久性，混凝土的配合比如表9所示。

表9 復摻粉煤灰和石灰石粉自密實混凝土的配合比kg·m-3

2.2 試驗方法

2.2.1 工作性試驗

工作性能主要包括坍落度、坍落擴展度、T500、L型儀、V型儀、U型儀拌合物穩定性跳桌等試驗，工作性試驗方法參照CCES 02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》和CECS 203：2006《自密實混凝土應用技術規程》等標準的有關規定進行。

2.2.2 耐久性試驗

耐久性試驗主要包括電通量、擴散系數和碳化試驗等。電通量試驗按ASTM C 1202《混凝土抗氯離子滲透性標準試驗方法》進行；擴散系數試驗分別按NT BUILD 443《硬化混凝土：快速氯離子侵蝕試驗方法》[18]和GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（RCM法）[19]的有關規定進行。

2.2.3 力學性能試驗

抗壓強度試驗按JTJ 270—98《水運工程混凝土試驗規程》[20]的有關規定進行。

3 試驗結果與討論分析

3.1 拌合物性能

3.1.1 流動性和填充性試驗

測試了粉煤灰混凝土的流動性和填充性參數，坍落擴展度、T500流動時間、V型漏斗通過時間等試驗結果如表10。從表10可以看出，單摻20%的400目石灰石粉自密實混凝土均具有較大的坍落度和坍落擴展度，T500流動時間和V型漏斗通過時間有所降低，當石灰石粉摻量為20%時，復摻粉煤灰和石灰石粉的自密實混凝土具有較高的坍落擴展度，T500流動時間和V型漏斗通過時間最小，混凝土拌合物的流動性和填充性最好；復摻粉煤灰和石灰石粉自密實混凝土的坍落擴展度比單摻石灰石粉自密實混凝土有所增加，T500流動時間和V型漏斗通過時間也有所增加。

表10 復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土流動性和填充性測試結果

3.1.2 間隙通過性試驗

表征自密實混凝土拌合物間隙通過性采用L型儀測試高度比（H2/H1），U型儀測試填充高度。測試結果如表11所示。可以看出，單摻20%石灰石粉自密實混凝土L型儀高度比和U型儀填充高度均較大，間隙通過性能改善。從表11還可以看出，在粉煤灰和石灰石粉總摻量為40%的情況下，當石灰石粉摻量為20%時，復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土L型儀高度比和U型儀填充高度較大，具有較高的間隙通過能力；復摻粉煤灰和石灰石粉自密實混凝土的間隙通過性比單摻石灰石粉自密實混凝土有所提高。3.1.3 抗離析穩定性試驗

表11 復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土間隙通過性測試結果

進行混凝土拌合物穩定性跳桌試驗，判斷自密實混凝土的抗離析穩定性，其測試結果如表12所示。可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，自密實混凝土粗骨料振動離析率均具有不斷降低趨勢，摻入20%的石灰石粉自密實混凝土具有較低振動離析率；從表12還可以看出，復摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實高性能混凝土粗骨料振動離析率在5.0%～7.5%之間，且隨著石灰石粉摻量增加有下降的趨勢，具有較高抗離析穩定性。

表12 復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土抗離析性

3.2 抗壓強度

測試了單摻石灰石粉自密實混凝土的抗壓強度、含氣量和表觀密度，測試結果如表13。表13表明，不同細度和摻量石灰石粉混凝土的含氣量在1.2%～1.6%之間，變化不大；混凝土的表觀密度在2 406～2 437 kg/m3之間，石灰石粉對混凝土含氣量和表觀密度影響不大；隨著石灰石粉摻量的增加，7 d、28 d、56 d和90 d的抗壓強度均有所下降，摻入10%～30%石灰石粉自密實混凝土的28 d抗壓強度均高于60 MPa，在64.3～76.1 MPa之間。

表13 復摻粉煤灰和石灰石粉自密實混凝土的含氣量、表觀密度和抗壓強度

從表13還可以看出，復摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實高性能混凝土的含氣量在0.7%～1.0%之間，表觀密度在2 380～2 400 kg/m3之間，含氣量與表觀密度變化不大；復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土的28 d抗壓強度均大于50 MPa，在52.1～54.1 MPa之間，90 d的抗壓強度還會繼續增加，在60.5～63.1 MPa之間，具有較高的抗壓強度，滿足海工混凝土結構的抗壓強度要求。

3.3 耐久性

開展了粉煤灰自密實混凝土的耐久性試驗，包括電通量、RCM法擴散系數和NTBUILD443擴散系數，28 d、56 d和90 d的電通量和擴散系數的測試結果分別如表14所示。可以看出，隨著齡期的增加，混凝土的電通量逐漸降低；隨著石灰石粉摻量的增加，自密實混凝土的電量沒有明顯的降低，56 d和90 d的電通量均大于1 000 C，表明單摻石灰石粉混凝土的抗氯鹽侵蝕性能不高；混凝土擴散系數的變化規律與電通量基本相同，自密實混凝土的56 d擴散系數均大于3.0×10-12m2/s，90 d擴散系數均大于2.5×10-12m2/s。因此，單摻石灰石粉混凝土的抗氯鹽侵蝕性能不高，需采用復合礦物摻合料配制海工自密實高性能混凝土。

表14 復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土的電通量和擴散系數測試結果

從表14還可以看出，摻入20%石灰石粉自密實高性能混凝土電通量較低，56 d和90 d的電通量均小于1 000 C；擴散系數與電通量基本相同，摻入20%的石灰石粉海工自密實高性能混凝土擴散系數較低，90 d的擴散系數均小于1.5×10-12m2/s。因此，復摻粉煤灰與石灰石粉自密實混凝土的摻合料總摻量宜控制在40%左右，粉煤灰摻量宜為10%～30%，石灰石粉摻量宜為10%～30%。

4 結語

通過優選原材料和配合比的優化設計，研究了復摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實高性能混凝土，包括工作性、抗壓強度和耐久性等性能指標，并優選出復摻粉煤灰和石灰石粉的組成。在粉煤灰和石灰石粉摻量為40%的條件下，摻入10%～30%粉煤灰自密實混凝土具有較高的流動性、填充性、間隙通過性和抗離析性等性能，滿足自密實混凝土的施工要求；同時，具有較高的抗壓強度和抗氯鹽侵蝕耐久性，28 d抗壓強度大于50 MPa，56 d的電通量小于1 000 C，90 d擴散系數小于1.5×10-12m2/s，滿足海洋環境下抗氯鹽侵蝕的耐久性要求。

[1]賀汝強.淺談東海大橋中混凝土結構耐久性及高性能混凝土的應用[J].科技創新導報，2010（7）：42.

[2] 馬穎增.高性能混凝土在東海大橋工程中的應用[J].上海公路，2005（3）：25-27.

[3] 袁緯.杭州灣大橋箱梁高性能混凝土配合比研究[J].北方交通，2009（2）：108-110.

[4]王成啟.抗氯鹽硅酸鹽水泥的研制與在洋山港中的應用[J].中國港灣建設，2006（2）：34-36.

[5]楊斌.大摻量粉煤灰高性能混凝土的試驗研究[J].建筑施工，2007（12）：951-952.

[6] 楊躍，袁杰，王曉博.粉煤灰高性能混凝土氯離子滲透性能研究[J].低溫建筑技術，2008（4）：13-15.

[7] 劉萍華，許志敏，殷波.大摻量粉煤灰高性能混凝土試驗研究[J].揚州大學學報（自然科學版），2007（1）：67-71.

[8] 吳建華，蒲心誠，劉芳.大摻量粉煤灰高性能混凝土配制技術[J].重慶大學學報（自然科學版），2005（5）：54-58.

[9] 劉桂平.粉煤灰自密實混凝土配制技術研究[J].江蘇建筑，2005（2）：34-36.

[10] 趙文蘭，趙軍，周曉.粉煤灰自密實混凝土的配合比優化設計[J].河南科學，2000（1）：70-72.

[11]王成啟，張悅然.粉煤灰海工自密實高性能混凝土配合比參數的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2011（8）：1-7.

[12] 楊華山，方坤河，涂勝金.石灰石粉在水泥基材料中的作用及其機理[J].混凝土，2006（6）：32-35.

[13]熊遠柱，萬慧文.石灰石粉對混凝土性能的影響[J].混凝土，2010（9）：89-91.

[14]GB 175—2007，通用硅酸鹽水泥[S].

[15]GB/T 1596—2005，用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].

[16]JGJ 52—2006，普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準[S].

[17]GB 8076—2008，混凝土外加劑[S].

[18]NT BUILD 443，硬化混凝土：快速氯離子侵蝕試驗方法[S].

[19]GBJ 82—85，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S].

[20]JTJ 270—98，水運工程混凝土試驗規程[S].