S105級(jí)礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用探索

文蓓蓓 高 博

（武漢武新新型建材有限公司，湖北 武漢 430080）

前言

1.1 超高強(qiáng)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

近十年來，高強(qiáng)混凝土特別是超高強(qiáng)混凝土的研究與發(fā)展已受到了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)與工程部門的廣泛重視，在美國(guó)、日本、挪威及西德已有用抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa左右的超高強(qiáng)混凝土建造橋梁貯油灌及高層建筑的工程實(shí)例[1]，特別是挪威已經(jīng)頒布了有關(guān)高強(qiáng)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)[2]，而且有關(guān)超高強(qiáng)混凝土的原材料、配合比、和易性、強(qiáng)度、收縮、徐變、耐久性及力學(xué)行為等各項(xiàng)性能的研究正方興未艾，取得了可喜的成果。在國(guó)內(nèi)，高強(qiáng)混凝土也開始引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視，1992年6月由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)、混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)所屬高強(qiáng)混凝土委員會(huì)在清華大學(xué)組織召開的“高強(qiáng)混凝土及其應(yīng)用第一屆學(xué)術(shù)討論會(huì)”交流了我國(guó)高強(qiáng)混凝土的研究情況，與起步較早的國(guó)家相比，我們的研究水平還比較落后，特別是28d的強(qiáng)度多在70MPa～80MPa之間徘徊，100MPa以上的超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用實(shí)例還比較少見。

1.2 超高強(qiáng)混凝土的原材料要求

隨著科學(xué)技術(shù)和建筑業(yè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)建筑材料提出更高要求，不僅要滿足設(shè)計(jì)要求、施工可行性，還要遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因而在保證混凝土強(qiáng)度要求的前提下，合理選擇優(yōu)質(zhì)摻合料，最大限度地降低水泥用量，是改善混凝土諸多技術(shù)性能的有效途徑，也是高性能混凝土需要重點(diǎn)研究和解決的課題。

目前，硅灰是我國(guó)配制超高強(qiáng)混凝土的必用材料之一，對(duì)于提高混凝土的早期強(qiáng)度以及耐久性效果明顯。但硅灰是一種稀缺資源，價(jià)格很高，不利于超高強(qiáng)混凝土的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而且有研究表明：使用硅灰的超高強(qiáng)混凝土收縮加大，后期強(qiáng)度存在倒縮的現(xiàn)象[3]。

1.3 S105級(jí)礦粉性能優(yōu)勢(shì)

S105級(jí)礦粉是采用生鐵冶煉中排除的高溫熔渣并經(jīng)水淬處理后的粒化高爐礦渣，經(jīng)干燥、粉磨等工藝處理后得到的具有規(guī)定細(xì)度及顆粒級(jí)配并滿足相應(yīng)活性指標(biāo)要求的粉料，其應(yīng)用在高強(qiáng)混凝土中能改善混凝土后期強(qiáng)度，減小混凝收縮，并在一定程度上提高混凝土的耐久性[4]，并具有綠色環(huán)保特性，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

礦粉目前在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用以S95為主。S105礦粉較S95礦粉活性更高，性能更優(yōu)良，由于生產(chǎn)工藝等方面原因，應(yīng)用很少。

本文在分析國(guó)外學(xué)者對(duì)超高強(qiáng)混凝土研究的基礎(chǔ)上[5]，結(jié)合國(guó)內(nèi)的原材料，利用硅灰的早強(qiáng)特性與礦粉的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起到互補(bǔ)作用，通過采用雙摻硅灰和礦粉的方法來克服超高強(qiáng)混凝土收縮大，后期強(qiáng)度倒縮[6]，并研究了S105礦粉全取代S95礦粉以及部分取代硅灰對(duì)C100超高強(qiáng)混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 原材料

水泥：某品牌P.O52.5水泥，其性能見表1；

礦粉：武新S95礦粉；某品牌S105礦粉（球磨），性能見表2；

粉煤灰：武漢陽(yáng)邏電廠Ι級(jí)FA，相關(guān)性能見表3；

硅灰：武漢新必達(dá)化工有限公司提供的硅灰，比表面積15000m2/kg～20000m2/kg，SiO2含量91%；

砂：巴河河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量0.3%；

碎石：產(chǎn)地武穴，粒徑5mm～25mm，連續(xù)級(jí)配，壓碎值7.5，含泥量0.2%；

減水劑：西卡3301，固含量20%，減水率25%；

水：普通自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）混凝土工作性測(cè)試：參照普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法的規(guī)定，用新拌混凝土的初始坍落度法/擴(kuò)展度以及混凝土1h后坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土拌合物的工作性能。

（2）混凝土強(qiáng)度測(cè)試：成型的試塊放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到齡期后，按GB/T50081標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

（3）混凝土耐久性測(cè)試：參照J(rèn)C/T1086-2008《水泥氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，試件規(guī)格Φ100mm×50mm。

2.3 超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)

為研究S105級(jí)礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用情況，在《普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一系列C100混凝土配合比，見表4。

由表4可見：J1是C100基準(zhǔn)配合比，礦粉為S95級(jí)，硅灰摻量10%；D1為采用 S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉，硅灰摻量不變；D2~D5為S105級(jí)礦粉進(jìn)一步取代部分硅灰，硅灰摻量從10%降至6%。在此基礎(chǔ)上研究S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉以及部分硅灰對(duì)超高強(qiáng)混凝土工作性能、強(qiáng)度、耐久性能的影響。

表1 水泥物理性能

表2 S105礦粉性能

表3 粉煤灰性能

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 S105級(jí)礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土工作性能的影響

對(duì)于超高強(qiáng)混凝土來說，其工作性的好壞對(duì)混凝土的施工質(zhì)量影響較大。通過新拌混凝土的初始以及1h坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土的工作性，結(jié)果如表5所示。從以上結(jié)果可以看出，隨著S105級(jí)礦粉摻量的增加，硅灰摻量的降低，混凝土的工作性能變化不是很明顯，且均有良好的工作性能。

3.2 S105級(jí)礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土強(qiáng)度的影響

對(duì)超高強(qiáng)混凝土而言，抗壓強(qiáng)度是決定其強(qiáng)度等級(jí)的重要指標(biāo)。S105級(jí)礦粉對(duì)C100混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表6。從表6可以得出如下結(jié)果：

3.2.1 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，J1為基準(zhǔn)配合比，C100混凝土的3d抗壓達(dá)90.1MPa，7d抗壓強(qiáng)度超過100MPa，28d接近120MPa，說明該配合比能達(dá)到C100混凝土設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能良好。

3.2.2 S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉

與基準(zhǔn)混凝土J1相比較，D2可以看出，S105礦粉取代S95礦粉后，無論3d、7d、28d強(qiáng)度均不同程度的提高，其中28d強(qiáng)度提高達(dá)5MPa。這是由于S105礦粉較S95礦粉而言活性更高，在混凝土中的微集料填充效應(yīng)更明顯。這也為S105礦粉取代部分硅灰提供了數(shù)據(jù)支持。

表4 C100混凝土配合比

表5 S105礦粉對(duì)C100混凝土工作性的影響

表6 S105級(jí)礦粉對(duì)C100混凝土強(qiáng)度的影響

3.2.3 S105級(jí)礦粉取代硅灰

（1）采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后，C100混凝土3d強(qiáng)度有所降低。

D2~D5為在D1基礎(chǔ)上，用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰。從表中數(shù)據(jù)可以看出：采用S105礦粉取代硅灰后，C100混凝土3d強(qiáng)度有所降低，這是因?yàn)楣杌冶人囝w粒更小，它在混凝土中主要填充于水泥顆粒之間的空隙，改善了膠結(jié)料的級(jí)配，將原束縛在其中的水分置換出來，產(chǎn)生了填充效應(yīng)與微集料效應(yīng)[7]，置換出的水能和水泥中的有效成分繼續(xù)反應(yīng)，增加水泥最終強(qiáng)度，同時(shí)，添加硅灰后水泥中CSH凝膠的CaO/SiO2之比值約從1.7下降到了1.3，CaO/SiO2的比值越低，說明SiO2立體網(wǎng)絡(luò)增密，凝膠有良好的致密性[8]，因此膠結(jié)層區(qū)域的密度和強(qiáng)度同時(shí)得到了提高，從而使材料的整體強(qiáng)度得到了提高，使混凝土強(qiáng)度得到了提高。

（2）采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后，C100混凝土的7d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采用S105礦粉取代部分硅灰后，C100混凝土的3d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度（除硅灰摻量為6%，強(qiáng)度89.7MPa略低于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度）；7d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到100MPa，能滿足設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)镾105礦粉也有填充效應(yīng)與微集料效應(yīng)，但是由于礦粉的顆粒細(xì)度比硅灰大，置換效應(yīng)沒有硅灰明顯，水泥與集料膠結(jié)層的孔洞無法完全被填滿，所以強(qiáng)度的提高沒有硅灰大。

（3）采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后，C100混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)要求。

從28d抗壓強(qiáng)度結(jié)果來看，即使硅灰摻量從10%降至6%，C100混凝土的強(qiáng)度也超過110MPa，能滿足應(yīng)用要求。這是因?yàn)榈V粉是具有活性效應(yīng)的摻合料，在混凝土中可與水泥水化后的水化產(chǎn)物產(chǎn)生二次水化，活性SiO2和Al2O3與水泥熟料水化析出的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)[9]。

（4）在硅灰摻量為7%，硅灰摻量下降到7%時(shí)，其強(qiáng)度綜合性能最好。這是因?yàn)閾接肧105級(jí)礦粉的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土接近。

3.3 S105礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土耐久性的影響

高性能混凝土不僅要求有高強(qiáng)度，還要求具有良好的耐久性。S105礦粉取代部分硅灰對(duì)混凝土耐久性的影響通過測(cè)試混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來表征，結(jié)果見表7。

混凝土耐久性參照《GB/T 50082-2009 普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，結(jié)果表明適量S105礦粉取代硅灰對(duì)C100混凝土的氯離子滲透系數(shù)無不利的影響，也即對(duì)混凝土的耐久性影響不大。

4 S105礦粉在超高強(qiáng)混凝土中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析

以C100為例，使用S105礦粉，硅灰摻量可降至7%，單方可減少硅灰用量20kg，武漢市場(chǎng)硅灰價(jià)格在1800元/噸，目前可每方節(jié)約硅灰成本20×1.8=36.0元；假設(shè)S105礦粉較S95礦粉售價(jià)增加200元/t（實(shí)際達(dá)不到這么多），根據(jù)本文配比，礦粉成本增加80×0.2=16.0元，差價(jià)為36.0-16.0=20.0元。按照未來混凝土攪拌站超高強(qiáng)混凝土C100年方量為10萬(wàn)方，則可節(jié)約20.0×10萬(wàn)=200萬(wàn)元。從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 S105礦粉對(duì)C100混凝土氯離子滲透系數(shù)的影響

結(jié)論

根據(jù)以上結(jié)果，可以得到出以下結(jié)論：

（1）摻入S105級(jí)礦粉，超高強(qiáng)混凝土的工作性能良好且穩(wěn)定；

（2）用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰，超高強(qiáng)混凝土物理性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且當(dāng)硅灰摻量降為7%時(shí)，其強(qiáng)度及綜合性能最好；

（3）摻S105級(jí)礦粉可以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)混凝土具有優(yōu)異的耐久性能；

（4）硅灰價(jià)格昂貴，采用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰，可以降低成本，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益；

（5）采用S105級(jí)礦粉是利用工業(yè)廢料，保護(hù)環(huán)境，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

[1] FIP--CEB Working GrouP,High Strength Conerete , astate of the artre Port ,1990.

[2] Norwegian Standard NS 3473,AusgabeNov.1989 .

[3] 超高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，焦楚杰， 周云， 程從密， 張文華（1671-4229 （2009） 04-0078-05，廣州大學(xué)學(xué)報(bào).

[4] 礦渣粉在高性能混凝土中的試驗(yàn)研究，蓋永豐，戴民，張敬會(huì)，混凝土，2005年第7期（總第189期）Number 7 in 2005（ Total No.189）.

[5] 超高強(qiáng)高性能混凝土， 蒲心誠(chéng). 重慶: 重慶大學(xué)出版社，2004.

[6] 微米級(jí)超細(xì)礦渣粉與硅灰性能對(duì)比研究，郭永智，李培彥，李秋義，濟(jì)南魯新新型建材有限公司，山東青島大學(xué)，混凝土，2008年第十期（總第228期）Number 10 in 2008（Total No.228）。

[7] Pratt C J. Use o f permeable,reservoir pavement constructions for storm water treatment and storage for reuse [ J]. Water Science and Technology,1999,39（ 5） : 145-151.

[8] 硅灰在混凝土中的作用，楊玉喜，劉學(xué)擴(kuò)，黑龍江交通科技，2007（6）: 51-52

[9] 磨細(xì)礦粉對(duì)高強(qiáng)大體積混凝土性能的影響，肖歷文. 理與技術(shù)，2006（2）: 7-11.