礦物摻合料對海工自密實(shí)高性能混凝土收縮性能的影響

王成啟，張悅?cè)?/p>

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

自密實(shí)混凝土比振搗混凝土的流動(dòng)性更高，具有更優(yōu)良的填充性和穿過鋼筋間隙的能力[1-2]。此外，通過工作性、力學(xué)性能和耐久性的研究，已成功開發(fā)了海工自密實(shí)高性能混凝土[3]。自密實(shí)混凝土不僅提高混凝土施工管理水平，而且還節(jié)約了成本，具有一定經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在工程中應(yīng)用越來越多。

自密實(shí)混凝土在應(yīng)用過程中也面臨著一些問題，主要表現(xiàn)在混凝土收縮開裂。與振搗密實(shí)混凝土相比，自密實(shí)混凝土中膠凝材料含量較大，達(dá)到450～550 kg/m3，必將導(dǎo)致混凝土收縮變形增大。同時(shí)，強(qiáng)度較高的海工自密實(shí)高性能混凝土，水膠比較低，也會(huì)產(chǎn)生較大的自收縮。研究表明，水膠比低于0.30的高強(qiáng)混凝土的自收縮率高達(dá)200×10-6～400×10-6[4]。目前，通常采用膨脹劑和外加劑等技術(shù)手段，來改善自密實(shí)混凝土收縮性能[7-8]。本文采用粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉、硅灰等礦物摻合料，研究礦物摻合料對海工自密實(shí)高性能混凝土自收縮和干燥收縮的影響，以優(yōu)選礦物摻合料配制出低收縮海工自密實(shí)高性能混凝土，提高混凝土抗裂性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 水泥

采用臺(tái)泥句榮52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥。對水泥的膠砂強(qiáng)度、安定性、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，其性能指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示，其安定性合格，性能達(dá)到了GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果

1.1.2 粉煤灰

采用鎮(zhèn)江諫壁發(fā)電廠生產(chǎn)的蘇源牌Ⅰ級粉煤灰，其性能指標(biāo)測試結(jié)果如表2所示，達(dá)到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。

表2 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果%

1.1.3 礦渣粉

采用寶山鋼鐵有限公司寶田S95礦渣粉，其性能指標(biāo)測試結(jié)果如表3所示，達(dá)到了GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。

表3 礦渣粉的技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

1.1.4 石灰石粉

采用浙江省湖州石粉廠生產(chǎn)的400目的石灰石粉，其化學(xué)組成如表4所示。采用勃氏法，測得石灰石粉的比表面積為495 m2/kg。

表4 石灰石粉的化學(xué)組成%

1.1.5 硅灰

采用?？瞎旧a(chǎn)的硅灰，其化學(xué)組成和物理性能指標(biāo)測試結(jié)果如表5所示，其比表面積為18000 m2/kg，28 d的活性指數(shù)為95%，達(dá)到GB/T 18736—2002《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表5 硅灰的化學(xué)組成與物理性能指標(biāo)

1.1.6 骨料

1）細(xì)骨料。采用河砂，其有關(guān)性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表6、表7和圖1所示。由表可知，該河砂為細(xì)度模數(shù)2.76的Ⅱ區(qū)中砂，級配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的質(zhì)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(nèi)外自密實(shí)混凝土的基本要求。

表6 砂的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表7 砂級配測試結(jié)果

圖1 砂的篩分曲線

2）粗骨料。由于海工自密實(shí)高性能混凝土多用于薄壁構(gòu)件以及鋼筋較為密集的混凝土構(gòu)件，粗骨料的粒徑不宜過大。同時(shí)，國內(nèi)外自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dòng)阻力和分層離析的幾率。試驗(yàn)采用5～20 mm連續(xù)級配的碎石，由5～10 mm和10～20 mm兩級配配制而成，將5～10 mm和10～20 mm的碎石分別進(jìn)行比例為1∶9、2∶8、3∶7篩分試驗(yàn)，其性能指標(biāo)及篩分試驗(yàn)結(jié)果如表8、表9和圖2所示。從表8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(shí)混凝土的基本要求。從表9和圖2的篩分試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由5～10 mm和10～20 mm比例3∶7配制的連續(xù)級配的碎石級配良好，滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》級配要求。因此，采用5～10 mm和10～20 mm比例3∶7的碎石配制海工自密實(shí)混凝土。

表8 粗骨料的性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表9 粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖2 碎石的篩分曲線

1.1.7 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(biāo)的檢測結(jié)果如表10所示，其減水率均達(dá)到GB 8076—2008《混凝土外加劑》的質(zhì)量要求。

表10 聚羧酸高效減水劑檢測結(jié)果

1.2 配合比

本試驗(yàn)配制了6種海工自密實(shí)高性能混凝土，包括單摻粉煤灰、復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉、復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉、復(fù)摻礦渣粉與石灰石粉、復(fù)摻礦渣粉與硅灰、復(fù)摻粉煤灰與硅灰，海工自密實(shí)高性能混凝土配合比如表11所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1）工作性能試驗(yàn)

工作性能主要包括坍落度、坍落擴(kuò)展度、T500、L型儀、V型儀、U型儀、拌合物穩(wěn)定性跳桌等試驗(yàn)，工作性試驗(yàn)方法參照CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和CECS 203：2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

表11 典型海工自密實(shí)高性能混凝土配合比kg·m-3

2）含氣量和凝結(jié)時(shí)間

混凝土拌合物含氣量和凝結(jié)時(shí)間測定按JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3）收縮試驗(yàn)

干燥試驗(yàn)按JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。自收縮試驗(yàn)采用自動(dòng)采集測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，混凝土澆筑前在試模底部及四周先襯1層3 mm厚的聚四氟乙烯板，再用潤滑油粘貼1層塑料薄膜，以減小測量時(shí)的摩擦力，并為試件密封做準(zhǔn)備。然后將自密實(shí)混凝土分兩次裝入試模中自密實(shí)，蓋上塑料薄膜，即刻移入溫度為20℃±2℃、濕度為45%±5%的試驗(yàn)室內(nèi)，初凝前抽取試件四周的聚四氟乙烯板，使其與模壁脫離，裝千分表測量自密實(shí)混凝土的收縮變形。成型試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，如圖3和圖4所示。

圖3 自收縮試驗(yàn)

圖4 自收縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1 拌合物性能

測試了6種海工自密實(shí)高性能混凝土的拌合物性能，主要包括反映自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和填充性的坍落擴(kuò)展度、T500流動(dòng)時(shí)間；反映自密實(shí)混凝土間隙通過能力L型儀和U型儀填充高度；反映自密實(shí)混凝土抗離析性能的粗骨料振動(dòng)離析率以及含氣量、凝結(jié)時(shí)間、坍落度和坍落擴(kuò)展度保持性能。試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

表12 6種海工自密實(shí)高性能混凝土的拌合物性能

表12的測試結(jié)果表明，6種海工自密實(shí)高性能混凝土的坍落擴(kuò)展度在700～740 mm，滿足一級自密實(shí)混凝土的技術(shù)要求，具有較高的流動(dòng)性能和填充性；L型儀高度比在0.88～0.91之間，均大于0.80，U型儀填充高度在328～355 mm之間，均大于320 mm，具有較高間隙通過能力；粗骨料振動(dòng)離析率在4.8%～8.7%，均小于10%，具有較高的抗離析能力。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，6種海工自密實(shí)高性能混凝土工作性良好，滿足海工混凝土結(jié)構(gòu)施工要求。表12的試驗(yàn)結(jié)果還表明，6種海工自密實(shí)高性能混凝土含氣量在0.7%～2.1%之間；表觀密度在2305～2400 kg/m3；初凝時(shí)間在11 h 20 min～16 h 10 min之間，終凝時(shí)間13 h 10 min～19 h 20 min之間，均在較為合適的范圍內(nèi)。

2.2 收縮

2.2.1 自收縮

6種海工自密實(shí)高性能混凝土的自收縮測試結(jié)果如表13和圖5所示。從表13和圖5可見，6種海工自密實(shí)高性能混凝土的 72 h 自收縮在 66.1×10-6～257.7×10-6之間，而水膠比低于0.30的高強(qiáng)混凝土的自收縮高達(dá)200×10-6～400×10-6[4]，因此，6種自密實(shí)高性能混凝土自收縮不大；表13的測試結(jié)果還表明，混凝土初凝到24 h自收縮迅速增加，3 d的自收縮極其緩慢，從膠凝材料的水化歷程來看，早期水化速度較快，而這時(shí)混凝土彈性模量很低，早期產(chǎn)生較大的自收縮。此外，從表13和圖5還可以看出，單摻粉煤灰的自密實(shí)混凝土F40、復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉的自密實(shí)混凝土FC2和復(fù)摻粉煤灰和硅灰的自密實(shí)混凝土FS3 的 72 h 自收縮值較小，分別為66.1×10-6、 83.2×10-6、95.5×10-6；而復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉的自密實(shí)混凝土FK11、復(fù)摻礦渣粉與石灰石粉的自密實(shí)混凝土KC2、復(fù)摻礦渣粉和硅灰的自密實(shí)混凝土KS3的自收縮值較大，分別達(dá)到144.5×10-6、151.5×10-6、257.7×10-6。粉煤灰和石灰石粉的活性低于礦渣粉和硅灰，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)較晚，此時(shí)自密實(shí)混凝土已具有抵抗自收縮的強(qiáng)度和剛度，此外，石灰石粉顆粒中CaCO3可以和水泥C3A反應(yīng)，形成膨脹性水化產(chǎn)物C3A·CaCO3·H2O，以補(bǔ)償混凝土收縮[9]。

表13 6種自密實(shí)高性能混凝土的自收縮

圖5 海工自密實(shí)高性能混凝土自收縮與時(shí)間關(guān)系

因此，從6種海工自密實(shí)高性能混凝土的比較可以看出，單摻粉煤灰F40和復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉FC2的自收縮值相對較小，宜用于制備對自收縮要求較高的海工自密實(shí)混凝土。

2.2.2 干燥收縮

干燥收縮試驗(yàn)的測試結(jié)果見表14和圖6所示?？梢钥闯?，6種海工自密實(shí)高性能混凝土180 d的干燥收縮均小于540×10-6；6種海工自密實(shí)高性能混凝土的干燥收縮主要發(fā)生在28 d之前，1 d的干燥收縮增加較為明顯，28 d 的干燥收縮值在 350.8×10-6～442.7×10-6之間，180 d 的干燥收縮在405.9×10-6～535.2×10-6之間，28 d的干燥收縮占180 d的干燥收縮值的77.9%～86.4%。從6種海工自密實(shí)高性能混凝土干燥收縮的比較可以看出，單摻粉煤灰自密實(shí)混凝土F40、復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土FC2以及復(fù)摻粉煤灰與硅灰自密實(shí)混凝土的180 d干燥收縮相對較小，分別為 444.5×10-6、405.9×10-6和 473.1×10-6；復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉自密實(shí)混凝土FK11、復(fù)摻礦渣粉與石灰石粉自密實(shí)混凝土KC2以及復(fù)摻礦渣粉與硅灰自密實(shí)混凝土KS3的干燥收縮較大，分別達(dá)到 497.1×10-6、515.2×10-6和535.2×10-6，這與自收縮的測試結(jié)果一致。

表14 6種自密實(shí)高性能混凝土的干燥收縮10-6

圖6 海工自密實(shí)高性能混凝土干燥收縮與齡期關(guān)系

3 結(jié)語

采用粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉和硅灰不同組合配制出了海工自密實(shí)高性能混凝土，其拌合物性能滿足海工自密實(shí)高性能混凝土要求。開展了6種海工自密實(shí)高性能混凝土的自收縮和干燥收縮試驗(yàn)研究。摻入粉煤灰和石灰石粉可降低海工自密實(shí)高性能混凝土自收縮和干燥收縮，可配制出收縮較低的海工自密實(shí)高性能混凝土，提高海工自密實(shí)高性能混凝土抗裂性。

[1]劉數(shù)華，王曉燕.自密實(shí)混凝土綜述[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2004（7）：118-120.

[2]廉慧珍，張青，張耀凱.國內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].施工技術(shù)，1999（5）：1-3.

[3]王成啟，張悅?cè)?粉煤灰海工自密實(shí)高性能混凝土的試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2011（9）：63-66.

[4]MAK S I.，TORII K，Strength Development of High Strength of Ultra High-strength Concrete Subjected to High Hydration Temperature[J].Cement and Concrete Research，1995，25（8）：1791-1802.

[5]ROY R，LARRARD F.Creep and Shrinkage of High-performance[C]//The 5th International Age of Concreted.London：E＆FN Spon，1993：499-504.

[6]TAZAWA E，MATSUOKA Y，MIYAZAWA S.Effect of Autogenous Shrinkage on Self Stress in Hardening Concrete[C]//Proceeding of International RILEM Symposium；Thermal Cracking in Concrete at Early Ages.Munich：RILEM Proceeding，1994：221-228.

[7]何錦華，冉千平，費(fèi)治華.減縮抗裂超塑化劑對免振自密實(shí)混凝土收縮性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2008（1）：1-4.

[8]胡瑞，蔡燦柳，張春曉，宋華.自密實(shí)混凝土收縮變形試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2006（8）：62-64.

[9]李悅，吳科如，王勝先.摻加混合材的水泥石自收縮特性研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2001（1）：7-11.