C30高性能混凝土的配制與研究

李文龍，劉瑋雯，張凱峰，劉天云，吳凱，王建，徐力

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710086；2. 武漢市洪山高級(jí)中學(xué)，湖北 武漢 430075）

0 概述

高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)材料，除了水泥、水、骨料以外，必須摻加足夠數(shù)量的摻合料與高效外加劑，具有高耐久性、高工作性、滿足工程需要的力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)合理性[1-3]。

建筑結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土材料性能的要求是高性能混凝土產(chǎn)生的根本原因，而高性能混凝土應(yīng)用的環(huán)保節(jié)能效應(yīng)，則使其推廣不僅成為一種可能，也成為一種需要。作為其重要組成部分的外加劑和摻合料[4-6]，不但合理利用了工業(yè)廢液、廢料，而且大大降低了水泥和水的用量，同時(shí)使混凝土獲得卓越的性能，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義顯而易見(jiàn)。因此，混凝土的高性能化[7]成為混凝土材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外大量研究與生產(chǎn)應(yīng)用的高性能混凝土均屬于高強(qiáng)混凝土，基本都在 C60 及以上。而事實(shí)上，在我國(guó)大約 90% 以上屬于 C20～C40 強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，如何使這些混凝土獲得高性能，提高其使用壽命，對(duì)節(jié)省資源和資金均有重大意義[8-10]，同時(shí)也可以減少由于混凝土及鋼筋混凝土[11]過(guò)早毀壞而帶來(lái)的環(huán)境污染。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

采用聲威 P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，具體指標(biāo)如表 1 所示。

表1 水泥技術(shù)性能指標(biāo)

采用渭河電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量 4.6%、需水量比 102%、細(xì)度 22.7%；采用西安德龍 S95 級(jí)礦粉，28d 活性 98%、比表面積 460m2/kg、凈漿流動(dòng)度104%；西安渭河水砂，細(xì)度模數(shù) 2.2、含泥量 3.6%、泥塊含量 1.0%；西安渭河 5～31.5mm連續(xù)級(jí)配卵石，含泥量 3.9%、泥塊含量 0.9%；高效聚羧酸減水劑，固含量 10.6%、減水率 23%；采用普通地下水。

1.2 試驗(yàn)方法

按照“原材料性能檢測(cè)—混凝土配合比設(shè)計(jì)—試配驗(yàn)證—配合比數(shù)據(jù)庫(kù)”的工作思路，分析粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量，不同礦渣粉、粉煤灰復(fù)摻比例，及含氣量對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性能的影響。

2 配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)并參照相關(guān)技術(shù)規(guī)程，采用質(zhì)量法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，本次配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差采用當(dāng)?shù)啬硵嚢枵窘齻€(gè)月生產(chǎn) C30 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)差 4.00MPa；水泥 28d 強(qiáng)度采用該攪拌站近 3月水泥 28d 強(qiáng)度平均值50.7MPa；為滿足高性能混凝土工作性能要求，將坍落度設(shè)計(jì)為 (200±20)mm。具體配合比如表 2～4 所示。

表2 不同粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量混凝土配合比

表3 不同粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻比例混凝土配合比

表4 不同含氣量混凝土配合比

3 結(jié)果與討論

3.1 不同粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量對(duì)于混凝土性能影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5 和圖 1、2。

表5 不同粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量試驗(yàn)結(jié)果

如圖表所示，在水膠比一定的情況下，隨著粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量增加，混凝土 7d、28d 強(qiáng)度呈逐漸降低，富余系數(shù)逐步降低，但強(qiáng)度都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求；隨著復(fù)摻摻量的增加，混凝土單方成本逐步下降的同時(shí)，混凝土工作性逐步提高。

粉煤灰及礦渣粉等量取代水泥后，使得水泥用量降低，水泥水化生成物減少，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在較大的孔隙和較多敞開(kāi)的毛細(xì)孔，結(jié)構(gòu)密實(shí)性變差，進(jìn)而混凝土強(qiáng)度降低。

圖 1 摻合料復(fù)摻摻量對(duì)力學(xué)性能的影響

圖2 摻合料復(fù)摻摻量對(duì)工作性能、經(jīng)濟(jì)性的影響

摻用粉煤灰能夠增大混凝土漿體體積，使得大量的漿體填充在集料間的孔隙，包裹并潤(rùn)滑集料顆粒，提高粘聚性和可塑性；球狀玻璃顆粒可以減少漿體骨料間的界面摩擦，在集料的接觸點(diǎn)起到滾動(dòng)軸承作用，提高和易性；礦粉的顆粒比水泥細(xì)，填充水泥顆粒間的空隙，達(dá)到進(jìn)一步密實(shí)，使水泥顆粒間的自由水得以釋放，從而提高了混凝土的流動(dòng)性。粉煤灰提高新拌混凝土的和易性以改善由于礦粉的摻入所導(dǎo)致的混凝土粘聚性提高和泌水增大的趨勢(shì)，使新拌混凝土得到最佳的流動(dòng)性和粘聚性的組合，實(shí)現(xiàn)粉煤灰和礦粉的“工作互補(bǔ)效應(yīng)”。

3.2 不同礦渣粉、粉煤灰復(fù)摻比例對(duì)于混凝土性能影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表示 6 和圖 3、4。

表6 不同粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻比例混凝土試驗(yàn)結(jié)果

圖3 摻合料復(fù)摻比例對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4 摻合料復(fù)摻比例對(duì)工作性能、經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖表中可以看出，當(dāng)水膠比大致相同、摻合料復(fù)摻摻量為 50% 時(shí)，逐步提高粉煤灰比例、降低礦渣粉比例，混凝土強(qiáng)度小幅下降但滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土工作性基本維持在較高水平，單方主材成本得到大幅下降；其中當(dāng)粉煤灰摻量占比 40%、礦粉摻量占比 10%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)為最佳，單方成本 183.2 元、坍落度擴(kuò)展度分別為 220mm 和 580mm、28d 抗壓強(qiáng)度 36.8 MPa。

粉煤灰和礦渣復(fù)合使用時(shí)，首先水泥水化產(chǎn)生大量Ca(OH)2，在 Ca(OH)2的作用下，礦粉立即水化生成大量的低密度水化硅酸鈣、鈣礬石。 這些具有大比表面積的水化產(chǎn)物聚集在粉煤灰顆粒周?chē)鹬Ш说淖饔茫瑥亩铀俜勖夯业乃磻?yīng)。其次，由于礦粉的堿度遠(yuǎn)大于粉煤灰，礦粉水化時(shí)，將提高膠凝材料體系中的堿度，粉煤灰的玻璃相就會(huì)被破壞，粉煤灰的水化反應(yīng)速度提高。 隨著粉煤灰的快速反應(yīng)，大量的晶核被消耗，同時(shí)漿體體系中的堿度也迅速降低，這又會(huì)加快礦粉的水化速度。 粉煤灰和礦粉在混凝土中的復(fù)合應(yīng)用，不僅可以利用礦粉的晶核作用，還可以提高混凝土的堿度，激發(fā)粉煤灰的活性，充分發(fā)揮兩者“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”，當(dāng)粉煤灰摻量 20%，礦粉摻量 30% 時(shí)，混凝土強(qiáng)度在下降的趨勢(shì)中略有提高，“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”尤為明顯。

3.3 含氣量對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 7 和圖 5。從圖表中可以看出，隨著含氣量的增加，混凝土 7d、28d 強(qiáng)度主體呈下降趨勢(shì)，工作性逐步提高。當(dāng)含氣量在 3%～6% 之間，混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，混凝土整體狀態(tài)松軟，包裹性及粘聚性得到大幅提高，其中倒坍落度時(shí)間均在 3s以內(nèi)、T500時(shí)間均在 8s 以內(nèi)。

表7 不同含氣量混凝土試驗(yàn)結(jié)果

圖5 含氣量對(duì)力學(xué)性能、工作性能的影響

當(dāng)含氣量在 1.4%～2.5% 區(qū)間提升時(shí)，生成的氣泡占用或奪取了未來(lái)聚集在界面區(qū)的水分，使界面結(jié)構(gòu)改善，水泥漿中水灰比的降低，增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度；當(dāng)含氣量在 2.5%～6% 區(qū)間提升時(shí)，漿體中氣泡過(guò)多會(huì)導(dǎo)致部分被擠到界面區(qū)，使氣泡在界面區(qū)富集進(jìn)而在集料周?chē)纬深愃品涓C狀結(jié)構(gòu)，降低水泥石的密實(shí)度，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

混凝土中引入大量均勻分布、相互獨(dú)立的類球形微小氣泡能夠增加水泥漿體體積、提高漿體粘度，在混凝土中起到滾珠效應(yīng)、減少骨料間摩擦、增強(qiáng)潤(rùn)滑作用，從而使混凝土的工作性得到改善。增加的氣泡使得混凝土的內(nèi)聚力和均勻性都在增加，氣泡黏著固體顆粒可以減小其下沉的趨勢(shì)，同時(shí)也減小水的流動(dòng)性進(jìn)而降低混凝土的泌水和離析。觀察分析本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土含氣量每增加 1%，混凝土坍落擴(kuò)展度提高約 20mm。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻摻量，粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻比例，混凝土含氣量為指標(biāo)，考察其對(duì) C30 高性能混凝土影響。分析得出結(jié)論如下：

（1）當(dāng)粉煤灰摻量為 40%、礦渣粉摻量為 10%、含氣量為 4% 時(shí)，可成功配制 C30 高性能混凝土。配制的混凝土性能良好，其中 28d 抗壓強(qiáng)度為 33MPa、擴(kuò)展度 580mm。

（2）摻合料復(fù)摻用量從 30% 上升到 50% 過(guò)程中，混凝土力學(xué)性能降低，但滿足設(shè)計(jì)要求，工作性能提高且主材成本降低；粉煤灰摻量從 10% 提高至 40% 過(guò)程中，混凝土力學(xué)性能降低但滿足設(shè)計(jì)要求，工作性能良好，主材成本下降。

（3）當(dāng)含氣量在 3%～5% 時(shí)，混凝土力學(xué)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。隨著含氣量的增加，混凝土工作性有所改良。

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