基于密實(shí)堆積的C100混凝土制備與構(gòu)件成型試驗

吳耀清庹明貝龐二波夏江波

（1中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司；2中建科技（福州）有限公司）

基于密實(shí)堆積的C100混凝土制備與構(gòu)件成型試驗

吳耀清1庹明貝1龐二波2夏江波2

（1中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司；2中建科技（福州）有限公司）

C100高強(qiáng)混凝土的制備依賴于原材料自身特性及膠凝材料的組合設(shè)計。在選定機(jī)制砂、反擊破花崗巖碎石基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對膠凝材料的密實(shí)堆積技術(shù)展開試驗研究。結(jié)果表明，膠凝體系中須引入超細(xì)粉這種區(qū)別于普通混凝土的膠凝材料，本文中的超細(xì)粉料微珠摻量在20%時，膠凝體系達(dá)到密實(shí)堆積程度，復(fù)合膠凝體系的D50為3.44μm，制備的混凝土28d強(qiáng)度達(dá)到110M Pa以上，滿足C100強(qiáng)度要求。

密實(shí)堆積；超細(xì)粉；C100高強(qiáng)混凝土；預(yù)制構(gòu)件

1　引言

隨著國家對裝配式建筑的倡導(dǎo)，建筑工業(yè)化部品部件的生產(chǎn)成為裝配式建筑發(fā)展的基礎(chǔ)，而部品部件的吊裝是裝配式建筑不可或缺的施工方式，顯然，部品部件的體量、自重是影響吊裝效率的關(guān)鍵性制約因素，因此，研究高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)及在預(yù)制構(gòu)件中的應(yīng)用，減輕構(gòu)件自重，可極大程度地提高吊裝效率[1]。

多年來，很多國家都對高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行了大量的研究工作。高強(qiáng)高性能混凝土的開發(fā)受到各國政府的高度重視[2]。高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高，負(fù)荷能力大，資源和能源消耗少，耐久性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，能滿足土木與建筑工程輕量化、高層化、大跨化、重載化以及高耐久性等諸多方面的要求，是混凝土科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的主要方向[3]。輕量化、重載化、高耐久性的特點(diǎn)尤其適用于預(yù)制構(gòu)件等工廠化產(chǎn)品，既可保障質(zhì)量，又可提高預(yù)制構(gòu)件的吊裝效率，因此，高強(qiáng)混凝土在建筑工業(yè)化部品部件、預(yù)制構(gòu)件等的生產(chǎn)應(yīng)用中具有更高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。故開發(fā)研究適用于預(yù)制構(gòu)件的高強(qiáng)混凝土制備技術(shù)具有重要意義。

2　備選原材料

結(jié)合福州周邊地材和生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土所需要的部分特殊原材料，確定了對比試驗所采用的各種原材料。主要膠凝材料包括：P·O 52.5水泥、II級粉煤灰、微珠、硅灰，膠凝材料的基本性能見表1～表3；集料為：細(xì)度模數(shù)為3.2的機(jī)制砂，5～25m m連續(xù)級配、針片狀含量1.4%、壓碎值7.2%的反擊破花崗巖碎石，潔凈水，固含量16.1%，減水率27.5%的高性能聚羧酸減水劑。

表1　水泥物理力學(xué)性能

表2　ⅠⅠ級粉煤灰物理性能

表3　微珠、硅灰物理性能

3　膠凝體系密實(shí)堆積試驗

為了提高膠凝體系的密實(shí)度，可以從兩個方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。一方面是降低水膠比，降低漿體內(nèi)部孔隙率；另一方面是通過各種膠凝材料自身顆粒級配，調(diào)整比例提高膠凝體系粉體自身的密實(shí)度[4]。圖1為水膠比-漿體密實(shí)度模型，圖2為粉體顆粒-膠凝體系密實(shí)度模型。

3.1水膠比對膠凝體系密實(shí)度的影響

設(shè)計了0.5和0.2水膠比的膠凝體系凈漿強(qiáng)度試驗，凈漿試驗見表4。

從表4可以看出，在水泥用量40%合適摻和料比例下，水膠比對凈漿體系強(qiáng)度影響極大，水膠比0.5時，28d強(qiáng)度約60M Pa，水膠比0.2時，相同比例膠凝體系配合比的強(qiáng)度高達(dá)110～120M Pa，可達(dá)到高強(qiáng)混凝土的凈漿體系要求。可見低水泥用量下，控制合適的摻合料比例，降低水膠比，能夠顯著提高膠凝體系密實(shí)堆積，從而配制出高強(qiáng)度的膠凝體系。

圖1　水膠比-漿體密實(shí)度模型

圖2　粉體顆粒-膠凝體系密實(shí)度模型

圖3　水泥和礦物摻合料的粒徑分布

表4　凈漿體系配合比

3.2顆粒級配對膠凝體系密實(shí)度的影響

對P·O 52.5水泥、II級粉煤灰、微珠進(jìn)行了激光粒度測試，測試結(jié)果見圖3；將各種膠凝材料按比例組合進(jìn)行了復(fù)合膠凝體系的激光粒度測試，復(fù)合比例見表5，激光粒度測試結(jié)果見圖4。

從圖3中可見，D50從大到小排序依次為II級粉煤灰、P·O 52.5水泥、微珠。D50一定程度上反映了粉體顆粒的細(xì)度差異。從中可見，微珠的D50為1.0μm，約為水泥的1/15，為粉煤灰的近1/20。

從表5和圖4中可見，①復(fù)合膠凝體系的粒度分布與各膠凝材料的粒度、摻入比例有直接關(guān)系；②編號1和編號2的微分分布曲線較符合正態(tài)分布；編號3的微分分布曲線近似正態(tài)分布，但編號3出現(xiàn)一段較長的平滑段，說明編號3的粉體配比中有斷級配現(xiàn)象，級配連續(xù)性較差；③編號1和編號2相比較，雖然二者均表現(xiàn)為較好的正態(tài)分布，但是編號1的微分分布曲線寬度偏窄，說明編號1的粒徑范圍窄，細(xì)顆粒明顯偏多；而編號2的微分分布曲線寬度較大，級配區(qū)間飽滿，且D50與編號1接近，整體而言編號2的配比較優(yōu)。

通過各種膠凝材料自身激光粒度分析和不同比例復(fù)合膠凝體系的激光粒度分析，說明可以依據(jù)膠凝材料粒度自身特性，通過合理搭配實(shí)現(xiàn)膠凝體系的緊密堆積。

3.3硬化漿體微觀分析

采用掃描電鏡研究低倍率、高倍率下微珠摻量為0%、10%、20%的復(fù)合膠凝材料硬化水泥石內(nèi)部微觀形貌，掃描電鏡圖像見圖5。

由圖5可知，對于基準(zhǔn)組，28d齡期時硬化水泥石中生成的水化產(chǎn)物較少，凝膠體多呈絮狀，且結(jié)構(gòu)疏松，存在大量的孔隙和裂縫；微珠摻量為10%時，硬化水泥石中生成的水化產(chǎn)物較多，部分微珠填充于孔隙中，發(fā)揮其微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，填補(bǔ)了結(jié)構(gòu)孔隙和裂縫，使得結(jié)構(gòu)較基準(zhǔn)組致密，雖仍可見部分未水化或水化不完全的微珠球體顆粒存在，但微小尺寸的微珠顆粒表面多被侵蝕，在表面覆蓋了一層水化產(chǎn)物，這說明該部分微珠也已經(jīng)開始發(fā)生水化反應(yīng)；微珠摻量為30%時，未水化的微珠顆粒數(shù)目明顯減少，大量的微珠顆粒已發(fā)生水化反應(yīng)，生成許多纖維狀和網(wǎng)狀的CSH凝膠均勻分布在漿體內(nèi)部，與凝膠結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密，使得水泥石結(jié)構(gòu)更為致密。該結(jié)果與2.1節(jié)2.2節(jié)的結(jié)果具有良好的對應(yīng)性。

圖4　復(fù)合膠凝體系激光粒度測試結(jié)果

表5　復(fù)合膠凝材料比例

圖5　微珠-水泥復(fù)合膠凝材料硬化水泥石的掃描電鏡圖像

4　C100預(yù)制構(gòu)件制備與構(gòu)件成型

在第2節(jié)試驗研究基礎(chǔ)上，得到C100高強(qiáng)混凝土膠凝材料的選擇及膠凝體系的組合方式，結(jié)合機(jī)制砂特性及檢測的細(xì)度模數(shù)，提出C100混凝土配合比設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)為：砂率為40%～45%，水膠比為0.18～0.20，總膠凝材料為550～650kg/m3。

表6　三組典型配合比

圖6　強(qiáng)度測試結(jié)果/MPa

考慮高強(qiáng)混凝土生產(chǎn)效率等問題，在微珠與硅灰兩種超細(xì)粉料中選用微珠做為C100高強(qiáng)混凝土制備所需超細(xì)粉，依據(jù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計了多組混凝土配合比，列舉三組典型配合比進(jìn)行對比分析并從中選擇較優(yōu)配合比進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件澆筑成型。三組典型配合比見表6，強(qiáng)度測試結(jié)果見圖6。

從表6和圖6中可見，配合比1中微珠摻量為20%時，混凝土7d強(qiáng)度與28d強(qiáng)度均較理想，28d強(qiáng)度約118M Pa，滿足C100設(shè)計強(qiáng)度要求。超細(xì)粉微珠摻量20%的強(qiáng)度結(jié)果與第2節(jié)中相同摻量時的激光粒度分析結(jié)果及硬化漿體微觀分析結(jié)果一致。故，采用配合比1進(jìn)行了C100預(yù)制梁、柱構(gòu)件的澆筑。

C100預(yù)制梁、柱構(gòu)件拆模后的效果見圖7。澆筑及

拆模效果均理想，28d強(qiáng)度高于110M Pa。預(yù)制梁、柱構(gòu)件的鋼筋及混凝土表面粘貼一定數(shù)量的應(yīng)變片，為后期測試預(yù)制構(gòu)件力學(xué)性能及變形性能的原型加載試驗做準(zhǔn)備。

圖7　C100預(yù)制梁、柱混凝土澆筑及拆模效果

5　結(jié)論

⑴膠凝體系密實(shí)堆積程度對制備高強(qiáng)混凝土具有顯著影響，降低水膠比并通過膠凝材料顆粒級配調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)膠凝體系的密實(shí)堆積。水膠比降低至0.2以下，超細(xì)粉摻量20%時，可顯著提高凈漿強(qiáng)度。

⑵C100高強(qiáng)混凝土對原材料的要求有別于普通混凝土。除了需要壓碎值較低、巖性好的粗集料外，C100高強(qiáng)混凝土的膠凝體系中必須摻入超細(xì)粉料，本文中超細(xì)粉微珠的摻量為 20%時，28d混凝土強(qiáng)度高于110M Pa。

⑶采用C100高強(qiáng)混凝土進(jìn)行預(yù)制梁、柱澆筑成型，澆筑及拆模效果理想，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度發(fā)展良好，達(dá)到設(shè)計要求。●

[1]陳寶春，等.超高性能混凝土研究綜述[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2014(3).

[2]吳中偉.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3]繆昌文,劉建忠.應(yīng)用高強(qiáng)混凝土應(yīng)注意的幾個問題[J].施工技術(shù),2013(10).

[4]毛丹.礦物微粉在水泥基復(fù)合膠凝材料中的顆粒級配效應(yīng)研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2004.

*本論文依托福州市區(qū)域科技重大專項課題高強(qiáng)混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究（2014-Q-31）。