高性能早強自密實砼長期力學性能試驗研究

周明霞，劉鵬峰

（1.湖南省核工業地質局303大隊，湖南長沙 410119；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410012）

高性能早強自密實砼長期力學性能試驗研究

周明霞1，2，劉鵬峰1

（1.湖南省核工業地質局303大隊，湖南長沙 410119；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410012）

采用由不同組分組成的復合外加劑及具有良好使用性能的復合摻合料，對高性能早強自密實砼（SCC）的配合比進行優化比選，以發揮復合外加劑和摻合材料各自的改性作用，達到增加SCC強度和改善其耐久性的目的；考慮兩種不同超細粉煤灰摻量的配合比，通過抗壓強度、劈拉強度、抗折強度、軸心抗壓強度、彈性模量和氯離子滲透試驗對高性能SCC的長期力學性能及變化規律進行分析，結果表明適當增加SCC礦物摻合料摻量雖然會對其早期強度稍有影響，但能有效提高砼的后期強度、抗滲性能和抗碳化性能，在確保SCC具有良好流動性的同時保證其耐久性能。

公路；自密實砼（SCC）；復合摻合料；力學性能

自密實砼（SCC）是一種流動性能極佳的混合物，能在自身重量下達到自流平、自密實的填充和澆筑效果。SCC的高度流體性質使其能很好地適應困難的施工條件，拓寬應用范圍和應用效果，并提高砼灌注的密實度和均勻性，減小砼由于澆筑和振搗問題而造成的先天缺陷，從而改善砼構件的力學性能和耐久性能。SCC的使用可減少施工技術人員由于砼施工時振動噪音而引起的聽力損害，還可大大減小澆筑大體積砼構件和泵送砼構件所需時間，顯著提高施工效率。

目前，關于SCC物理力學性能的研究集中在其流變性能和工作性能、力學性能、體積穩定性等方面，對其長期性能和耐久性能的研究相對較少。隨著SCC的廣泛應用，其長期性能，尤其是與其材料特性和長期工作環境相關的關鍵力學性能逐漸受到關注，成為研究熱點。

1 配合比優化設計

采用P.O42.5水泥，骨料為碎石和河砂，其基本物理力學性能指標見表1和表2。采用由高效減水劑、早強劑和粉煤灰超細粉組合而成的復合摻合料（UFAC），其比表面積為500～600 m2／kg。

為了使SCC具有超早強的性能，選擇工程建設中常用的A、B和C 3種早強劑，分析早強劑對SCC流動性和力學性能的影響，以便優選滿足自密實、超早強目標的早強劑。試驗采用膠砂進行，共考慮8種配合比（見表3）。不同早強劑及其摻量下膠砂的流動度和強度試驗結果見圖1。

表1 水泥的基本性能指標

從圖1可看出：隨著早強劑A的摻入，膠砂的流動度呈下降趨勢，當早強劑A的摻量為1%時，流動度下降4.8%，1和2 d抗折強度分別提高16.1%、22.8%；當摻量增至2%時，流動度下降10.9%，1和2 d抗折強度分別提高17.7%、23.6%。而早強劑B的摻入對1和2 d強度的影響較小；早強劑C的摻入對強度的改善也非常有效。因此，選擇早強劑A進行SCC長期力學性能和耐久性能試驗研究。

表2 骨料的基本性能指標

表3 SCC膠砂的配合比kg／m3

圖1 早強劑對SCC膠砂性能的影響

根據以上試驗結果，選取兩組較好的配合比（見表4）進行SCC基本物理力學性能試驗和長期性能試驗。進行配合比設計時，保持膠凝材料總量（水泥+UFAC）、單位用水量和砂率不變。試驗時，考慮30%和20%兩種摻合料摻量，對3、28、56、90和130 d養護齡期SCC的基本力學性能和長期力學性能進行測試與分析，討論水膠比和摻合料摻量對SCC長期力學性能的影響。

表4 高性能早強SCC配合比設計

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

SCC抗壓強度隨養護時間的變化見圖2。由圖2可看出：SCC的抗壓強度隨著養護齡期的延長而逐漸增長，7～28 d增長迅速，隨后增長速度逐漸減緩。G1和G2兩組試件的3 d抗壓強度達25～30 MPa，60 d抗壓強度達55～60 MPa，130 d抗壓強度超過60 MPa。對比G1和G2兩組試件，由于水膠比和膠凝材料總量相同，摻合料摻量對其強度性能有至關重要的影響。摻合料摻量較大的G2試件的早期抗壓強度相對較小，3 d抗壓強度比G1試件降低22%左右；但隨著試件養護時間的增長，G2組試件的抗壓強度增長相對較快。說明礦物摻合料對SCC早期強度有一定影響，但對其后期強度的增長貢獻更大。

圖2 高性能早強SCC抗壓強度隨養護齡期的變化

2.2 抗折強度

SCC抗折強度隨養護時間的變化見圖3。由圖3可看出：與抗壓強度一樣，試件的抗折強度也隨著養護時間的增長而逐漸增大。G1和G2兩組試件的3 d抗折強度均超過3.5 MPa，達到試件最終抗折強度的44%～54%，滿足早強的要求；28 d之后，SCC的抗折強度增長速度變緩，28 d抗折強度達到最終強度的90%以上。130 d齡期時其抗折強度與28 d抗折強度相比分別增長4%、11%，表明試件的后期抗折強度增長速率較慢，顯著低于其抗壓強度的增長速率。這主要是因為砼的抗折強度（彎拉作用）對砼中的微細觀損傷較敏感，而礦物摻合料的摻入有利于改善砼的微細觀結構構造，減小內部微觀孔隙的產生，提高砼的密實度和均勻性，從而有效減少內部缺陷的產生，特別是對于無需振搗的SCC，復合礦物摻合料超細粉的摻入可更好地改善其自流平的均勻性，在試件受拉損傷的初期延緩其微細觀裂縫的開展。

2.3 彈性模量

SCC試件的彈性模量試驗結果見圖4。由圖4可看出：與強度隨養護時間的變化規律一致，SCC的彈性模量隨著試件養護時間的增長呈增大趨勢，7～56 d增長速度較快，7 d時達到其最終彈性模量的75%左右，56 d之后其彈性模量基本不再增長。對比G1和G2試件，較高摻量的復合摻合料對其彈性模量的后期增長有較大貢獻，表明超細礦物摻合料對提高其抵抗變形的能力有一定增強效果。礦物摻合料對SCC彈性模量的影響與其對SCC強度的影響相似，礦物摻合料摻量較大的試件其彈性模量略低于摻量較小的試件，但兩者之間的差別隨著試件養護時間的增長而逐漸縮小。以3和56 d彈性模量為例，G2試件的彈性模量分別比G1試件降低10%和4%。

圖3 高性能早強SCC抗折強度隨齡期的變化

圖4 高性能早強SCC彈性模量試驗結果

2.4 抗氯離子滲透性能

SCC抗氯離子滲透性能試驗結果見圖5。由圖5可看出：隨著養護齡期的增長，G1和G2試件的抗氯離子滲透系數均逐漸降低。與G1組試件相比，由于礦物摻合料摻量增加，G2組試件早期抗氯離子滲透性能較好，但隨著養護齡期的增長，其抗氯離子滲透系數減小趨勢較為明顯，G1和G2組試件之間的差別也逐漸減小。

圖5 高性能早強SCC抗氯離子滲透試驗結果

2.5 抗碳化性能

SCC快速碳化試驗試件斷面碳化滴定結果和碳化深度實測結果分別見圖6、表5。從表5可看出：兩組SCC試件的碳化深度均較小，滿足高性能砼對抗碳化性能的要求，說明兩組SCC均能達到自流平和自密實的填充效果。對比G1和G2兩組試件，礦物摻合料摻量更高的G2試件的碳化深度總體上小于G1試件，表明礦物摻合料超細粉能顯著提高砼的密實度，從而有效減小砼的碳化深度。

圖6 高性能早強SCC快速碳化試驗試件斷面滴定結果

表5 高性能早強SCC試件快速碳化深度測試結果

2.6 砼微觀結構分析

130 d齡期時SCC破壞界面的微觀形態掃描電鏡試驗結果見圖7。從圖7可看出：1）雖然養護齡期達到130 d，但SCC中粉煤灰顆粒參與水化作用的程度并不明顯，表明SCC密實度和均勻性效果較好；圓形粉煤灰顆粒表面只有部分刻蝕，這些顆粒填充在水泥顆粒的空隙之間，從更微觀尺度增加了水泥漿的密實度和水泥顆粒間的相對流動性，也說明此時粉煤灰在SCC中對力學性能的貢獻還主要是依靠充填和空隙細化作用。2）SCC的空隙中有一定量的鈣礬石，這可能是早強劑的作用，這些鈣礬石的存在既可填充空隙，還能增加砼的密實度，從而提高砼的強度；在后期，砼中同樣存在一定量氫氧化鈣，對其后期強度的增長有利。粉煤灰顆粒和水泥水化產物之間逐步形成牢固聯系，從而使砼強度和耐久性增長，這就是摻粉煤灰砼早期強度較低、后期強度增長較大的主要原因。

圖7 SCC試件破壞斷面SEM試驗結果

3 結論

（1）通過配合比優化設計得到的SCC能滿足公路工程建設中部分結構物對砼的高流動性、高性能和高早期強度的要求。

（2）SCC的各項強度和抵抗變形能力的指標均隨著養護齡期的增長而逐漸增大；復合摻合料摻量對SCC強度指標有不同程度的影響，通常較大摻量的摻合料會對試件的早期強度有一定降低作用，但對后期強度的增長有一定幫助。

（3）適當增加SCC礦物摻合料摻量雖然會對其早期強度稍有影響，但能有效提高砼的后期強度、抗滲性能和抗碳化性能，從而在確保SCC具有良好流動性的同時使其耐久性能得到保證。

（4）與普通砼相似，超細粉煤灰對SCC強度增長的主要貢獻仍然是依靠密實填充和微集料的作用。SCC的空隙中有一定量的鈣礬石，其既可填充空隙，還能增加砼的密實度，從而提高砼的強度。

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2016-04-05