長壽命高性能混凝土的研究*

劉立，趙順增，李長成，賈福杰

（中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

長壽命高性能混凝土的研究*

劉立，趙順增，李長成，賈福杰

（中國建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

本文采用粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅灰等活性礦物材料作為摻合料，使用與膠凝材料具有良好相容性的高性能聚羧酸減水劑，選取了雙膨脹源高性能膨脹劑作為功能性礦物外加劑，配制了長壽命高性能混凝土，研究結(jié)果表明，混凝土抗變形能力強、結(jié)構(gòu)密實、抗侵蝕性優(yōu)異。

高性能混凝土；長壽命；膨脹劑；補償收縮

0　前言

混凝土結(jié)構(gòu)高耐久和長壽命化可顯著降低成本和環(huán)境影響，是國際混凝土研究的趨勢和熱點[1]。我國混凝土通常難滿足設(shè)計使用壽命要求，每年因此損失巨大[2]。研究開發(fā)出結(jié)構(gòu)密實、抗侵蝕性優(yōu)、抗變形能力強的混凝土，實現(xiàn)長壽命高性能混凝土在重點工程、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，對我國建設(shè)持續(xù)發(fā)展具有不可估量的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文采用粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅灰等活性礦物材料作為摻合料，使用與膠凝材料具有良好相容性的高性能聚羧酸高效減水劑，選取了雙膨脹源膨脹劑作為功能性礦物外加劑，配制了長壽命高性能混凝土，并對其性能進(jìn)行研究。

1　試驗材料及試驗方法

1.1原材料

水泥： 42.5MPa 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅱ 級粉煤灰；磨細(xì)礦渣粉：S95 級，比表面積 400m2/kg；硅灰：山西產(chǎn)；膨脹劑：硫鋁酸鈣－氧化鈣類 Ⅱ 型混凝土膨脹劑HCSA，天津產(chǎn)，化學(xué)成分見表 1；減水劑：聚羧酸減水劑；砂子：中砂，細(xì)度模數(shù) 2.5；石子：石灰?guī)r碎石，最大粒徑25mm。水泥、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅灰的化學(xué)成分見表1。

表1　原材料化學(xué)成分

1.2試驗方法

1.2.1混凝土新拌性能

混凝土的新拌試驗按照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.2.2混凝土強度性能

混凝土抗壓強度按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行。

1.2.3混凝土限制收縮率

采用內(nèi)約束法測量不同齡期的限制收縮率。混凝土限制膨脹收縮裝置如圖 1 所示，將混凝土澆筑在裝置中，試件成型后，帶模養(yǎng)護(hù) 48h 拆模，從攪拌加水時算起 3d 從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室移至恒溫恒濕試驗室測定初始長度，試驗室溫度為(20±2)℃，相對濕度為 (60±5)%。測量 1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d 的收縮變形。試件每組 3 塊，取平均值作為試驗結(jié)果。

圖1　混凝土限制膨脹收縮裝置

1.2.4混凝土抗?jié)B透性能

混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)按照 GB/T 50082—2009《混凝土長期性能和耐久性試驗方法》規(guī)定的方法進(jìn)行。

1.2.5混凝土耐侵蝕性能

混凝土抗硫酸鹽、海水侵蝕按照 GB/T 50082—2009《混凝土長期性能和耐久性試驗方法》規(guī)定方法進(jìn)行，腐蝕介質(zhì)分別為 5% 硫酸鈉溶液和鹽度 3.34% 的海水。

2　結(jié)果與討論

采用粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅灰等活性礦物材料作為摻合料，其摻量為膠凝材料總質(zhì)量的 50%，使用聚羧酸減水劑，混凝土單方用水量控制在 160kg/m3，配制水膠比分別為0.40、0.36、0.32 的高性能混凝土（HPC）；選取雙膨脹源高性能膨脹劑 HCSA 作為功能性礦物外加劑，按照 40kg/m3、45kg/m3、50kg/m3摻入 0.40、0.36、0.32 的高性能混凝土中，等量取代水泥，形成高性能補償收縮混凝土（HPEC）配合比，混凝土配合比見表 2。

表2　混凝土配合比

2.1強度性能

不同水膠比、不同齡期的混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)見表 3。表中數(shù)據(jù)顯示，混凝土強度等級在 C45～C60 之間，摻入膨脹劑的 HPEC 高性能混凝土 28d 強度略有降低，長齡期強度與 HPC 高性能混凝土持平。

本文配制的長壽命高性能混凝土強度性能可滿足凍融、氯化物、化學(xué)腐蝕等典型環(huán)境對強度的要求。

表3　混凝土抗壓強度

2.2變形性能

為了評價本文所配制的長壽命高性能混凝土的變形性能，配制了相同水膠比的高水泥用量、高用水量的普通混凝土，采用 1.2.3 中的內(nèi)約束法對其收縮性能進(jìn)行了研究，普通混凝土配合比見表 4。

表4　普通混凝土的配合比

表5　長壽命高性能混凝土與普通混凝土的收縮率　　%

表 5 為長壽命高性能混凝土和普通混凝土 180d 的限制收縮數(shù)據(jù)，圖 2 為對應(yīng)的收縮特征曲線。從圖中試驗結(jié)果可知，按照混凝土 180d 限制收縮值從高到低依次分為三個層級：（1）0.04%～0.05% 的普通混凝土體系：特征為高水泥用量、高用水量；（2）0.02%～0.03% 的 HPC 高性能混凝土：特征為水泥與粉煤灰、礦粉、硅灰復(fù)合體系，水泥及膠凝材料用量低，用水量低；（3）0.01%～0.02% 的 HPEC 補償收縮高性能混凝土：除了低膠凝材料、低用水、高摻合料的特征外，引入了雙膨脹源膨脹劑。

在復(fù)合礦物摻合料與高效減水劑相互作用下，高性能混凝土的收縮率比普通混凝土降低 40%，而隨后引入的膨脹劑，具有膨脹能高，絕濕能膨脹的特點，使得混凝土膨脹與干燥收縮同時進(jìn)行，1～7d 的初期膨脹速率大于干縮速率，變形表現(xiàn)為膨脹，其后干燥收縮速率大于膨脹速率，混凝土開始收縮，最終補償收縮高性能混凝土的收縮率最低，僅是普通混凝土的 30%。

試驗結(jié)果表明，膨脹劑是有效降低混凝土收縮的關(guān)鍵材料，是實現(xiàn)混凝土長壽化、高性能化的重要手段。

2.3抗?jié)B透性能

長壽命高性能混凝土的抗?jié)B透性能用電通量、氯離子擴散系數(shù)表征，長壽命高性能混凝土的電通量、氯離子擴散系數(shù)見表 6。

圖2　混凝土的限制收縮曲線

表 6 長壽命高性能混凝土抗?jié)B透性能

表6中的抗?jié)B透性數(shù)據(jù)顯示，隨著水膠比的降低和測試齡期的延長，電通量、氯離子擴散系數(shù)依次降低；膨脹劑的摻入顯著降低混凝土的電通量值，提高了混凝土的密實性。

本文研制的長壽命高性能混凝土的 56d 電通量在 120～220C 之間，84d 氯離子擴散系數(shù)在 1.0×10-12m2/s 左右，根據(jù) JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》的評定標(biāo)準(zhǔn)，混凝土的電通量、抗氯離子滲透性能均處于最高等級，達(dá)到 GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中100 年壽命的滲透性要求，實現(xiàn)了高性能混凝土的長壽命要求。

2.4耐腐蝕性能

（1）耐硫酸鹽腐蝕性能

表 7 為長壽命高性能混凝土的耐硫酸鹽腐蝕結(jié)果。表中數(shù)據(jù)顯示，隨著水膠比的降低，混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力逐步提高；膨脹劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕無不利影響，150 次硫酸鹽溶液干濕循環(huán)后，摻加膨脹劑的 HPEC 高性能混凝土抗壓耐蝕系數(shù)與 HPC 混凝土大致相同，都在 80%～90% 的范圍，達(dá)到了混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的最高等級。

試驗結(jié)果表明，長壽命高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級均大于 KS150，具有優(yōu)異抗硫酸鹽侵蝕能力。

表7　混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能

（2）耐海水腐蝕性能

采用 GB/T 50082—2009 《混凝土長期性能和耐久性試驗方法》規(guī)定的耐硫酸鹽腐蝕加速試驗方法，腐蝕介質(zhì)采用鹽度 3.34% 的海水，研究海水干濕循環(huán)條件下，混凝土抗壓強度的變化以及氯離子滲入混凝土的深部變化，用來評估不同水膠比的長壽命高性能混凝土抵抗海水腐蝕的能力。

試驗結(jié)果見 8。表中數(shù)據(jù)顯示，HPC 長壽命高性能混凝土在海水中 150 次干濕循環(huán)后，混凝土抗壓耐腐蝕系數(shù)大于80%，氯離子在混凝土中滲透深度為 13～18mm；摻加膨脹劑的 HPEC 高性能混凝土抗壓耐腐蝕系數(shù)與 HPC 混凝土相當(dāng)，抗壓耐腐蝕系數(shù)在 83.4%～98.1%，而氯離子在混凝土中滲透深度低于 HPC 混凝土，滲透深度為 12～16mm，表明 HPEC混凝土具有更高的抗海水腐蝕和氯離子滲透能力。

表8　長壽命高性能混凝土的耐海水腐蝕性能

3　結(jié)論

（1）長壽命高性能混凝土的強度等級處于 C45～C60 之間，能滿足凍融、氯化物、化學(xué)腐蝕等典型環(huán)境對強度的要求；

（2）通過摻加礦物摻合料、高效減水劑和高性能膨脹劑，長壽命高性能混凝土的收縮可降低 50%～70%，獲得良好的抗變形能力；

（3）長壽命高性能混凝土具有優(yōu)異的密實性，抗?jié)B透性指標(biāo)高于使用壽命 100 年的技術(shù)要求，達(dá)到混凝土抗?jié)B透性的最高水平；

（4）長壽命高性能混凝土具有優(yōu)良的耐蝕性能，抗硫酸鹽侵蝕能力達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求最高等級，在海水中 150 次混凝土抗壓腐蝕系數(shù)大于 80%，氯離子滲透高度小于 20mm。

[1] 陳改新．混凝土耐久性的研究、應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2009(6): 280-285．

[2] 徐強，俞海勇．大型海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性耐久性研究與實踐[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[3] 趙順增，劉立，吳勇，等．HCSA 高性能混凝土膨脹劑性能研究[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2005(3): 3-8．

［通訊地址］北京市朝陽區(qū)管莊東里 1 號（100024）

“十二五”國家科技支撐計劃課題（2102BAJ20B03）

劉立（1968—），男，教授級高級工程師。