礦物摻合料對高性能清水砼耐久性影響研究

林廣華，鄧世沖

（1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站，廣東佛山 528041；2.佛山市南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)國土城建和水務局，廣東佛山 528000）

礦物摻合料對高性能清水砼耐久性影響研究

林廣華1，鄧世沖2

（1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站，廣東佛山 528041；2.佛山市南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)國土城建和水務局，廣東佛山 528000）

對清水砼進行配合比設計，并通過抗?jié)B透性、抗干燥收縮性、抗碳化性、抗硫酸鹽侵蝕與抗凍性試驗對清水砼的性能進行驗證，分析礦物摻合料對高性能清水砼耐久性的影響。結果表明，適當采用粉煤灰、礦渣替代水泥，選擇適合骨料類型減水劑及延長拌和振動時間能優(yōu)化砼配合比，改善其性能；粉煤灰、礦渣能提高砼抗碳化能力，保證碳化深度不大于2mm，降低干燥收縮率，提高抗硫酸鹽侵蝕能力；粉煤灰對清水砼早期強度改善效果較好，礦渣對其后期強度發(fā)展較有利；推薦采用多元化因素相結合方法優(yōu)化清水砼配合比設計，提高其耐久性。

橋梁；清水砼；配合比設計；耐久性；礦物摻合料

目前，國內(nèi)外對高性能清水砼的研究主要集中于質量外觀控制，對清水砼配合比設計及結構耐久性的研究并不充分。隨著建筑、橋梁結構對承載能力要求的不斷提高，高性能清水砼將逐漸成為主要發(fā)展趨勢之一。但由于結構的特殊性，清水砼直接受到外界自然環(huán)境腐蝕作用，對砼的配合比設計和耐久性能提出了更高技術標準。研究發(fā)現(xiàn)影響高性能清水砼耐久性的因素主要包括水灰比、水化物穩(wěn)定性及自然環(huán)境的有害氣體和離子侵蝕等。韓秉燁選擇粉煤灰和硅粉作為添加劑制作砼，顯著提高了砼強度，且具有較好的環(huán)境效益。孫宗全用礦渣粉取代水泥進行試驗，結果顯示礦渣粉能顯著提高C -S-H凝膠含量，增加砼的密實度和強度性能。該文設計8組配合比高性能清水砼，分析配合比設計對其性能的影響，優(yōu)化清水砼配合比設計，通過對抗?jié)B性能、收縮性能、抗碳化能力、抗凍和抗硫酸鹽侵蝕性能指標的研究，對其耐久性能進行分析評價，為實體工程應用提供技術支持。

1 試驗材料及方法

1.1原材料

目前，清水砼用原材料品質受到區(qū)域地理環(huán)境等影響而參差不齊，不同的水泥與減水劑的作用相差很大，形成的清水砼的表面顏色深淺、亮度相差甚遠，砼的碳化能力也不一樣。以減水劑而言，不同的減水劑與水泥的匹配不同，對砼性能如坍落度、抗碳化能力、強度的影響也不同。

采用鄭州市北三環(huán)中州大道互通立交橋標段的原材料。水泥為雙龍水泥集團生產(chǎn)的42.5號普通硅酸鹽水泥；細集料為河砂，細度模數(shù)為2.7，含水率為4.21%；粗集料為春山采石場生產(chǎn)的5～25mm、連續(xù)級配的人工碎石；外加劑為上海麥斯特建材有限公司生產(chǎn)的高效減水劑SP8、SP1、JM-Ⅶ和SR3。各材料的性能指標見表1～4。

表1　水泥的物理性能

表2　細集料性能

表3　粗集料性能

表4　外摻料成分%

1.2試驗方案設計

（1）配合比設計試驗。設計8組清水砼配合比，通過改變添加劑、水泥含量及減水劑等分析配合比對其強度的影響。為保證成型試件質量均勻，降低材料離析對其性能的影響，每組配合比砼成型120 L，每次成型30 L。

（2）耐久性試驗。高性能清水砼的耐久性不僅與其結構安全密切相關，也對砼構件的外觀質量具有顯著影響。這里主要通過抗?jié)B透性能、抗干燥收縮性、抗碳化性、抗硫酸鹽侵蝕與抗凍性等指標對高性能清水砼耐久性能進行分析。

2 配合比設計對清水砼性能的影響

清水砼質量優(yōu)劣主要受原材料及配合比設計影響。這里設計8組配合比對清水砼的性能進行分析（見表5）。

表5　清水砼目標配合比設計

2.1配合比設計對砼強度的影響

8組配合比清水砼不同齡期下的抗壓強度見表6和圖1。

表6　不同齡期下各組清水砼的抗壓強度

圖1　不同配合比設計對砼強度的影響

由表6和圖1可知：砼設計級配對坍落度和強度存在顯著影響。由于材料組成比例不同，不同配合比清水砼的抗壓強度差異較大，但90 d強度均基本滿足規(guī)范要求。3#～5#砼90 d強度值較大，1#、2#砼90 d強度值較小，且1#砼拌和時出現(xiàn)泌水，早期強度較低，其28 d強度值未達到C50等級要求。3#、4#砼強度值隨齡期延長發(fā)展較好，尤其4#砼后期強度增長較快，而5#砼90 d強度幾乎不增加。綜合分析，3#、4#砼添加粉煤灰和礦渣顯著提高了其性能，而1#、2#砼配合比設計存在一定缺陷，推薦采用4#配合比設計。

2.2摻合料類型對砼強度的影響

圖2為砼添加粉煤灰、礦渣等礦物摻合料對其強度的影響。

圖2　摻合料類型對砼強度的影響

由圖2可知：粉煤灰、礦渣對砼抗壓強度有一定影響。3#、4#砼分別摻加了20%粉煤灰和礦渣，與1#砼相比，其各齡期抗壓強度均有所提高，如3#砼7、28 d抗壓強度分別提高61.2%和46.3%，說明摻加礦料有利于砼強度發(fā)展，提高其早期強度。另外，摻加粉煤灰砼（3#）的早期強度高于摻加礦渣砼（4#），而90 d礦渣砼強度高于粉煤灰砼，說明摻加不同類型礦料對砼不同齡期的強度有不同影響，粉煤灰對砼早期強度貢獻較大，礦渣則可提高砼后期強度。摻加粉煤灰后砼硬化，色澤較暗；而摻礦渣砼的色澤明亮。

2.3減水劑類型對砼強度的影響

SP8、SP1、JM-Ⅶ、SX14和SR3減水劑對砼強度的影響見圖3。

圖3　減水劑類型對砼強度的影響

由圖3可知：減水劑對砼強度影響較小，但考慮到減水劑與水泥品種的適應性，不同類型減水劑差異較大，對砼拌和物工作性的影響高于其他性能。如1#、2#砼分別采用SP8和JM-Ⅶ減水劑，二者7 d強度值分別為38.1和44.1 MPa，而90 d強度值僅相差5 MPa；7#、8#砼減水劑分別為SR3、SP1，各齡期抗壓強度值幾乎一致，可見減水劑對砼強度影響較小。相關研究表明氨基磺酸鹽類減水劑對砼拌和物工作性的影響較大，工作性能降低，坍落損失較大。相比較而言，添加萘系減水劑砼的工作性和強度等均滿足高性能清水砼的要求。

2.4拌和振動時間對砼強度的影響

砼成型過程中振動10和30s對砼各齡期抗壓強度的影響見圖4。

圖4　拌和時間對砼強度的影響

由圖4可知：成型振動時間的延長對砼各齡期強度的影響并不顯著。對于4#砼，振動10和30s時，7和90 d抗壓強度分別為55.1、55.6和82、81.1 MPa，二者幾乎一致，說明該配合比清水砼具有優(yōu)良的粘聚性，延長拌和時間對其性能無顯著影響。鑒于高性能清水砼的特殊性，現(xiàn)場施工過程中，依據(jù)實際情況，可考慮適當延長拌和振動時間，以減少砼表面微氣泡，提高外觀質量。

3 清水砼耐久性能研究

為研究礦物摻合料對清水砼耐久性的影響，設計5組配合比（見表7）對清水砼耐久性進行試驗研究。其中：1#、2#清水砼配合比主要用于分析配合比設計間的差異；3#、4#、5#砼分別摻入粉煤灰、礦渣粉和礦渣摻合料，并采用不同高效減水劑，用于分析各因素對清水砼耐久性的影響。

表7　清水砼試驗配合比設計

3.1抗?jié)B性能分析

清水砼抗?jié)B能力是否優(yōu)良嚴重影響結構物使用壽命。依據(jù)規(guī)范按表7所示配合比成型砼抗?jié)B標準試件，養(yǎng)護28 d后進行抗?jié)B試驗，試驗結果見表8。

表8　清水砼滲水高度測試結果

由表8可知：各組清水砼均不透水，抗?jié)B壓力都大于3.0 MPa；各組砼內(nèi)部滲水高度存在一定差異，1#砼滲水高度最大，5#砼滲水高度最小，3#、4#砼滲水高度相當，說明采用礦料添加劑對砼密實性存在一定促進作用，聚羧酸鹽高效減水劑能提高清水砼的抗?jié)B性能。

3.2干燥收縮性能分析

高性能清水砼結構物由于收縮產(chǎn)生裂縫，輕則影響結構物的外觀質量及裝飾效果，重則引起內(nèi)部結構產(chǎn)生早期破壞，進而影響其耐久性。不同配合比砼抗干燥收縮能力隨養(yǎng)護齡期的變化見圖5。

圖5　清水砼干縮性能隨齡期的變化

由圖5可知：不同配比、減水劑條件下拌和的砼的干縮曲線存在顯著差異。水泥摻量對砼干縮性能影響最大，摻量低，砼內(nèi)部水化作用需水量下降，內(nèi)部水分子轉移較少，應力變形降低，干縮變形降低，如5#砼90 d干縮率為313.7μm/m，低于其他組砼。另外，摻合料（粉煤灰、礦渣粉）的加入促使砼早期收縮增大，如3#、4#砼7 d收縮率分別為171.2和184μm/m，與2#相比分別提高64%和76%，這是由于外摻料加入需吸收一部分水分，導致砼內(nèi)部干燥收縮變形增強，提高了砼收縮性能。

3.3抗碳化性能分析

普通砼結構中保護層厚度一般為20～25mm，由于受到自然環(huán)境等復雜因素作用，砼碳化不可避免。對于清水砼，如何降低或避免碳化值得深入研究。對1#～5#砼采用碳化箱加速碳化試驗方法測試14、28、90 d碳化深度，試驗結果見表9。

表9　清水砼碳化深度測試結果

由表9可知：1）不同配合比設計對砼碳化深度存在一定影響。1#、2#砼抗碳化能力低于3#、4#、5#砼，90 d碳化深度達到4.8和3.6mm。這是因為3#、4#、5#砼中添加了一定量礦料，進一步增強了砼內(nèi)部密實性，減少了結構空隙，其90 d碳化深度均在2mm以內(nèi)，表明其具有較好的抗碳化性能。砼碳化速率與內(nèi)部結構堿化度和結構孔具有密切聯(lián)系，在相同試驗條件（CO2濃度、相對濕度和環(huán)境溫度）下，粉煤灰、礦渣粉等活性摻合料降低了砼堿化度，且提高了水泥水化作用，增強了密實效果，CO2和水汽難以擴散進入漿體內(nèi)部，使碳化過程無法進行。2）碳化深度與砼結構表面狀況有一定聯(lián)系。對于1#砼，成型面的碳化深度，無論早期碳化還是后期碳化均遠高于模板面，90 d碳化深度達到14.5mm，提高了3倍；早期（14 d）成型面即開始碳化，碳化深度達到3.8mm。對成型面，試件成型過程中，拌和振動引起輕微離析，導致表面漿體較多，水化過程中該面空隙結構較大，易受到碳化。因此，對于清水砼，外觀結構漿體直接裸露于自然環(huán)境中，其抗碳化能力優(yōu)劣直接影響后期適應性能。

3.4抗硫酸鹽侵蝕性能分析

5組砼分別在硫酸鈉溶液（濃度10%）和清水中浸泡養(yǎng)護90 d后的抗壓強度見表10。

表10　硫酸鹽侵蝕前后砼強度測試結果

由表10可知：硫酸鹽侵蝕對砼強度具有顯著影響。整體而言，硫酸鹽改善了砼抗壓強度，即硫酸鹽浸泡后抗壓強度值升高，如3#砼，抗壓強度提高約5.2%。而2#砼經(jīng)過硫酸鹽侵蝕后其強度值有所損失，1#砼浸泡前后抗壓強度值變化不大。從側面反映了砼中添加活性較好的礦料能抵抗硫酸鹽的侵蝕。文獻［6］指出普通水泥水化后生成Ca（OH）2、C2S、C3S、C3A和C4AF等成分，這些成分抗腐蝕性一般，遇到介質侵蝕將發(fā)生反應而破壞。通過添加粉煤灰、礦渣等活性骨料，首先降低了水泥水化產(chǎn)物含量，減少了砼結構中抗腐性能差的成分，提高了水泥石密實性，從而改善和提高了砼的抗侵蝕性能。

3.5抗凍性能分析

采用快速凍融法，對100mm×100mm×400mm試件標準養(yǎng)護28 d后進行凍融400次測試，通過試件質量變化、動彈性模量指標分析砼抗凍性能，試驗結果見圖6、圖7。

由圖6、圖7可知：1）不同配合比砼的質量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而有所提高，且5組砼的質量變化規(guī)律一致，400次循環(huán)后均提高30 g左右。說明各組砼具有較高的強度，內(nèi)部結構相對密實，內(nèi)部空隙結構少，抗?jié)B透性能較好，凍脹作用沒有對砼結構造成破壞，而水泥水化作用一直持續(xù)進行，后期水化反應雖然較緩慢，但通過外部環(huán)境作用，水分通過水化作用、凍脹作用等緩慢滲入試件內(nèi)部，進一步導致試件質量增加。2）動彈性模量指標的變化規(guī)律與質量變化類似，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸升高，其中添加礦料砼的動彈性模量偏大，尤其是5#砼，循環(huán)400次后其動彈性模量為66.23 GPa，增加5.03 GPa。說明粉煤灰、礦渣改善了砼的抗凍性能，活性物質與水泥材料發(fā)生化學作用，阻礙了因凍融作用加速微孔水分凍脹劣化，并且有利于減少砼內(nèi)部空隙，促進引氣劑作用下微細氣孔分布均勻。

圖6　凍融循環(huán)后砼質量變化

圖7　凍融循環(huán)后砼動彈性模量變化

4 結論

（1）高性能清水砼配合比設計對質量控制具有重要作用。針對應用于不同結構部位的清水砼，可通過改變水灰比、減水劑類型、添加礦料（粉煤灰、礦渣等）及延長拌和時間等方法改善砼的性能，優(yōu)化高性能清水砼的配比。

（2）粉煤灰對清水砼早期強度改善效果較好，礦渣對其后期強度發(fā)展較有利；延長拌和振動時間并不降低清水砼強度，建議適當延長拌和時間，以減少砼微氣泡，提高砼質量。

（3）高性能清水砼的耐久性可通過滲透深度、干縮率、碳化深度、強度損失率及動彈性模量指標來反映。摻加適量的粉煤灰、礦渣能保證砼碳化深度不大于2mm，干燥收縮率進一步降低，抗硫酸鹽侵蝕能力提高。

（4）粉煤灰和礦渣能顯著改善清水砼內(nèi)部結構密實性，提高材料水化程度，促進水泥石化學反應，保證C-S-H凝膠填充到內(nèi)部結構空隙內(nèi)，進而提高清水砼的耐久性能。

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2016-07-15