低熟料膠凝材料對混凝土耐久性的研究

陳明路 宋少民 封 鑫

（1.北京建筑大學 土木與交通學院 100044 北京；2.北京科技大學 土木與環境工程學院 100083 北京）

混凝土的開裂問題一直是困擾工程界的難題，即使是最密實的混凝土，一旦發生開裂，也不能有效的保護混凝土抵御外界環境中有害介質的侵入，這樣混凝土的使用年限就會大大的降低。混凝土的開裂主要與混凝土的原材料（特別是水泥）、漿骨比、施工養護等因素有關。水泥廠為了迎合混凝土企業和施工企業追求早強、高強的心態，水泥中高強和早強組分越來越多，比表面積越來越大，水化熱越來越大，抗裂性能、抗腐蝕性越來越差，混凝土強度的后期增長率下降甚至倒縮。作為混凝土的主要組分的水泥，嚴重影響了混凝土結構抵抗環境作用的耐久性能[1]。

上世紀90年代吳中偉先生提出了高性能膠凝材料的概念。高性能膠凝材料是在平時配制水泥熟料時直接將混凝土中需要加入的各種摻合料、外加劑與熟料混合，經過石膏摻量的優化后以合適的配合比制成不同強度等級的混凝土。得到的膠凝材料不用再加其他添加劑，便可以用于配制不同強度等級的混凝土，此種混凝土是擁有合適坍落度、強度、抗裂性的高性能混凝土[2]。國內許多學者對水泥的細度、石膏的摻量、粉磨工藝等對混凝土性能的影響方面也做了大量的研究，并提出了對高性能水泥的要求[3-13]。

本文采用由比表面積較高的摻和料和比表面積較低的水泥熟料制備的低熟料膠凝材料，研究了這種低熟料膠凝材料對混凝土和易性、氯離子擴散系數和抗裂性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用北京金隅水泥廠生產的P·O 42.5水泥，物理力學性能見表1。

水泥熟料：北京金隅水泥廠普通硅酸鹽水泥熟料，粉磨后控制熟料比表面積為300±5m2/kg和350±5m2/kg兩個級別。

石灰石粉：采用北京某公司生產的石灰石粉，比表面積為440m2/kg，密度為2.76g/cm3。

礦渣粉：采用北京生產的S95級礦渣粉，比表面積為440m2/kg，密度2.89g/cm3。

粉煤灰：采用Ⅰ級灰，比表面積為460m2/kg，密度2.2g/cm3。

石子：采用兩級配，5cm～10cm以及10cm～25cm，采用大石子∶小石子=7∶3的比例。

砂：河北水洗砂，細度模數為2.7，屬于Ⅱ區中砂。外加劑：奈系高效減水劑，含固量為33%。

1.2 配合比和試驗方法

1.2.1 混凝土配合比

C30混凝土試驗配合比如表2所示，A組、B組為低熟料膠凝材料，比表面積分別為300±5m2/kg和350±5m2/kg，C組為金隅水泥組。

1.2.2 混凝土和易性試驗

水泥組C組的水膠比為0.46；低熟料膠凝材料由于其制備工藝的原因，其有較低的需水行為。通過混凝土試配在保證和易性相同時（坍落度在200±10mm），確定低熟料膠凝材料組的用水量。

1.2.3 混凝土氯離子擴散試驗

試件尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試塊，成型后在其表面覆蓋薄膜，在室溫20±5℃的環境中靜置二晝夜，然后拆模，放到標準養護室中養護至28d。將養護好的試塊切割成100mm×100mm×50mm的試塊，分別采用NEL法進行試驗。

1.2.4 混凝土抗裂試驗

按照表3所示的試驗配比制作混凝土抗裂環，實驗配制混凝土抗裂性實驗試件放在標準養護室養護3天后自然養護，觀察并記錄抗裂環開裂的時間以及裂縫的寬度。

3 結果及分析

3.1 混凝土和易性分析

實驗中，混凝土用水量根據混凝土的和易性狀況進行確定，即通過用水量將混凝土的坍落度控制在200±10mm范圍內，同時保證混凝土的粘聚性和保水性，混凝土實際用水量及和易性情況如表4所示。

混凝土用水量出現降低的情況可以從兩個方面進行分析：一是低熟料膠凝材料體系的需水行為；二是低熟料膠凝材料體系的Fuller曲線復合情況。

表1 水泥的物理力學性能

表2 C30混凝土試驗配合比

表3 混凝土抗裂試驗配比

試驗測得低熟料膠凝材料的各組成成分進行了蓄水行為的試驗，其中北京金隅比表面積300±5m2/kg的熟料+3.5%SO3組成的膠材，其標準稠度用水量僅為125m l，遠小于金隅水泥標準稠度用水量，在加上大量摻和料的使用，降低了膠凝體系的整體需水，使得混凝土水膠比降低。另一方面，我們對300±5m2/kg配制的兩種低熟料膠凝材料的級配計算，圖1、圖2是兩種低熟料膠凝材料的Fuller曲線圖。

從圖中我們可以看出，A2組的Fuller曲線復合程度要高于A1組，這樣良好的級配可以很大程度上降低混凝土的用水量，降低混凝土的水膠比，保證低熟料膠凝材料配制的混凝土的早期強度能滿足要求。

3.2 混凝土抗氯離子滲透性能研究

按照NEL對混凝土進行氯離子擴散系數的測定，試驗結果見表5。

根據試驗結果，得出所配置的混凝土滲透等級評價為中等。但是A組的抗氯離子滲透能力要大于B組和C組。A組抗氯離子滲透性能較高的原因，一方面是膠凝體系整體需水行為好，降低了混凝土的水膠比，使得混凝土內部多余的水分減少；另一方面是超細粉的使用填充了水泥粒子之間及界面過渡區的空隙中，使砂漿機水泥石結構更加致密，阻斷了可能形成的滲透通路，使得混凝土的抗滲透性能大幅度提高。粉煤灰、礦渣的摻入不斷與水泥水化產生的氫氧化鈣反應，生成C-S-H凝膠，使得相互連通的孔道減少，對混凝土起到填充作用，超細石灰石粉的使用，改善了砂漿的孔結構，阻止了水和氯離子等有害介質的侵入，提高了混凝土的抗滲性能。實驗中，A1和A2的氯離子擴散系數差別不大，且考慮到成本及摻和料后期對性能的提高作用，選用A2組作為低熟料膠凝材料的組成具有更大的使用價值。

表4 混凝土用水量及和易性情況

圖1 A 1低熟料膠凝材料Fu ller曲線

圖2 A 2低熟料膠凝材料Fu ller曲線

表5 混凝土氯離子擴散系數

表6 混凝土抗裂環裂縫情況

3.3 混凝土圓環抗裂分析

我們根據混凝土的強度和抗氯離子滲透試驗研究，發現40%的熟料組成的低熟料膠凝材料可以更好的抵御氯離子的侵蝕，故混凝土抗裂試驗只進行A2、B2、C2組試驗，為保證試驗精度，每組做2個抗裂環，以方便對其混凝土性能進行研究?？沽循h標養3天后，拆模，放置自然環境中，將放置在自然環境中養護的第一天規定為裂縫觀察期第一天，記錄裂縫出現的時間以及裂縫條數和寬度。

本實驗對A2、B2、C2組進行了14天的裂縫觀察試驗，觀察結果如表6示。

從實驗結果來看，C2組裂縫出現的最早，裂縫寬度最大，混凝土開裂敏感性大，而采用300±5m2/kg、350±5m2/kg低比表面積組成的低熟料膠凝材料，開裂敏感性有了顯著的降低，尤其以A2最優。這是因為，采用大摻量摻和料、低比表面積熟料組成的低熟料膠凝材料水化放熱有很大程度的降低。在早期，磨得較粗的水泥，未水化水泥顆粒較多，可以穩定凝膠，起了阻裂劑的作用。而采用水泥廠提供的P·O42.5水泥配制的混凝土，雖然在各個組分上和低熟料膠凝材料一致，但是水泥比表面積達到了390m2/kg，前期水化速度快，在干燥的環境中很容易引起開裂。

結論

（1）采用比表面積300±5m2/kg，40%熟料摻量，通過優化三氧化硫含量為3.5%組成的低熟料膠凝材料可以在滿足C30混凝土流變性能的前提下，降低同比例水泥混凝土的水膠比，保證了混凝土的早期強度。

（2）低熟料膠凝材料配制的C30混凝土由于其低水膠比，使混凝土更加密實，熟料比表面積300±5m2/kg組的混凝土的抗氯離子滲透性能較低。

（3）采用A2組制成的低熟料膠凝材料，降低了混凝土開裂風險，相比于普通水泥混凝土，低熟料膠凝材料（A2）配制的抗裂環延遲10d左右開裂。

[1] 劉娟紅，宋少民. 綠色高性能混凝土技術與工程應用 [M]. 中國電力出版社，2011.

[2] 李憲軍，黃世謀，何廷樹. 高性能膠凝材料的研究綜述 [J]. 混凝土，2007 (2).

[3] 葉群山，梁文泉，何真. 礦渣粉煤灰復合膠凝體系的試驗研究[J]. 混凝土，2004 (8).

[4] 胡如進，李琳，王善拔.水泥顆粒級配的優化[J]，水泥，2005（8）.

[5] 廉慧珍，吳忠偉.混凝土的可持續發展與高性能膠凝材料—高性能膠凝材料的實驗研究之一混凝土，1998,6.

[6] 楊文科.混凝土的醫生—自愈合[J]，商品混凝土，2013，4.

[7] 廉慧珍等.高性能膠凝材料中石膏的優化[J].山東建材學院學報.1999，13(2)..

[8] 廉慧珍, 韓素芳. 現代混凝土需要什么樣的水泥[J]. 水泥,2006.09.

[9] 廉慧珍, 阮慶革, 李玉琳. 高性能膠凝材料中石膏的優化[J]. 山東建材學院學報, 1999.06

[10] 黃大能. 高性能混凝土與超高標號水泥[J]. 福建建材,1995,（4）.

[11] 廉慧珍, 陳恩義. 原材料和配合比對高強與高性能混凝土的影響[J]. 混凝土, 1996（5）.

[12] 喬齡山. 對硅酸鹽水泥質量問題的探討[J]. 水泥, 1996,（7）.

[13] 廉慧珍. 礦物摻合料由誰來摻好[J]. 中國建材, 2007.01.