高性能混凝土配合比優(yōu)化

劉振國(guó)，張思雨

（1. 保定市第三工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河北 保定 071000；（2. 河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

高性能混凝土是基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提出的新概念混凝土[1]。粉煤灰、礦渣微粉等作為混凝土膠凝材料的一部分，能改善傳統(tǒng)混凝土的工作性能及孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的致密性，提高強(qiáng)度，減少水泥用量。

高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度受骨料堆積密度、水膠比、摻合料的影響，因此采用試驗(yàn)法確定各材料用量。先確定骨料最佳堆積密度，通過(guò)試驗(yàn)根據(jù)強(qiáng)度確定最佳水膠比；然后對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰用量和礦渣微粉用量?jī)蓚€(gè)變量進(jìn)行試驗(yàn)，分析Ⅱ級(jí)粉煤灰用量和礦渣微粉用量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

（1）水泥（C）：選用曲陽(yáng)金隅 P·O42.5 水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1 水泥的物理性能指標(biāo)

（2）粉煤灰（F）：選用保定雄華商貿(mào)Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表2 粉煤灰基本性能

（3）礦粉（K）：選用保定乾華建材 S95 級(jí)礦渣微粉，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 3。

（4）聚羧酸高性能外加劑（A）：保定慕湖恒源新型建材有限公司，主要性能見(jiàn)表 4。

表3 礦渣微粉性能指標(biāo)

表4 聚羧酸高性能外加劑基本性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

JGJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[2]提到高強(qiáng)混凝土計(jì)算與調(diào)整，要求強(qiáng)度 C60～C80 之間的高強(qiáng)混凝土，膠凝材料用量為 480～560kg/m2，砂率35%～42%，水膠比 0.28～0.34，結(jié)合 JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]配制高強(qiáng)高性能混凝土。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 最佳堆積密度試驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)有骨料并根據(jù)實(shí)際需求，首先進(jìn)行了部分粗骨料堆積密度試驗(yàn)，然后按比例加入細(xì)骨料測(cè)定最佳堆積密度，按此比例將粗細(xì)骨料混合，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5、表 6。α1為粒徑 5～10mm 細(xì)石（SG）摻入到 10～20mm 青碎石的比例，α2為細(xì)骨料摻入到粗骨料（XG）中的比例。根據(jù)表 5、表 6 做堆積密度曲線圖，見(jiàn)圖 1、圖 2。

表5 粗骨料堆積密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 骨料堆積密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 粗骨料堆積密度曲線圖

圖2 骨料堆積密度曲線圖

根據(jù)表 5、表 6 和圖 1、圖 2，可以看出以 10% 的摻入量將 5～10mm 細(xì)石摻入到 10～20mm 的青碎石中，粗骨料堆積密度最佳。在此基礎(chǔ)之上，將細(xì)骨料摻入其中，測(cè)得當(dāng)細(xì)骨料摻入量為 70% 時(shí)為骨料最佳堆積密度，經(jīng)計(jì)算，砂率為 39%，符合 JGJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對(duì)砂率的要求。

2.2 最佳水膠比確定

本次試驗(yàn)以膠凝材料（B）用量 560kg/m3、細(xì)石摻入量 10%、砂率 0.39 為基準(zhǔn)，水膠比 0.28～0.34，從水膠比為 0.28 開(kāi)始試驗(yàn)，探究每增加 0.01 水膠比對(duì)試體工作性能和強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 7。

由表 7 可知，在相同配比情況下，混凝土 28d 強(qiáng)度隨水膠比增大而降低，為了更清晰地比較各組試體的強(qiáng)度，根據(jù)表 7 中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)制成曲線圖，見(jiàn)圖 3。

從圖 3 可知，0.30 水膠比試體 7d 強(qiáng)度值與同齡期試體相比較高，但 3d、28d 強(qiáng)度仍是低水膠比試體較高。在《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中提到，泵送高強(qiáng)混凝土拌合物倒置坍落度同排空時(shí)間＞5 且＜20，盡管水膠比為 0.28、0.29 時(shí)，試體強(qiáng)度較高，但倒排空并不符合要求。結(jié)合表 7 和圖 3 可選出在此膠凝材料總量和骨料摻加量條件下，水膠比定為 0.30 最佳。

表7 不同水膠比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 不同水膠比混凝土強(qiáng)度曲線圖

水膠比影響混凝土界面過(guò)渡層的性質(zhì)，因此對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度有直接影響。水膠比較大，導(dǎo)致界面處水膠比大，使孔隙率變大，在寬松的環(huán)境中 Ca(OH)2容易沉積，結(jié)晶顆粒變大；相反，水膠比降低時(shí)，可以改善界面過(guò)渡層的性質(zhì)，提高混凝土的強(qiáng)度。

2.3 不同摻合料對(duì)拌合物性能及強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)以膠凝材料總量 560kg/m3、細(xì)石摻入量10%、砂率 0.39、水膠比 0.30 為基準(zhǔn)，以Ⅱ級(jí)粉煤灰和礦渣微粉作為礦物摻合料，不同比例取代水泥制備混凝土，記錄其拌合物性能及試體強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8。

由表 8 中混凝土工作性能指標(biāo)可以看出，D 系列配比倒排空指標(biāo)已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，此配比中礦物摻合料比例為 36%。根據(jù)表 8 繪制各配合比強(qiáng)度曲線圖，見(jiàn)圖4。

綜合表 8 和圖 4 可知，當(dāng)?shù)V物摻合料比例為 18%和 36%（曲線 B 和 D）時(shí)，試體強(qiáng)度隨粉煤灰與礦渣微粉的比值增加而減小，當(dāng)?shù)V物摻合料比例為 27%（曲線 C）時(shí)，試體強(qiáng)度變化不大，基本持平。C 系列試體強(qiáng)度均滿(mǎn)足 C60，而當(dāng)?shù)V物摻合料比例達(dá)到 36%（D 系列）時(shí)，粉煤灰與礦渣微粉以 3:1 摻入混凝土中后，試體強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。結(jié)合拌合物狀態(tài)來(lái)分析，可知在此配合比中粉煤灰比例較大，需水量較高，試體水化反應(yīng)不完全，不能達(dá)到理想強(qiáng)度。

表8 不同摻合料拌合物性能及強(qiáng)度

圖4 不同比例摻合料試體強(qiáng)度曲線圖

粉煤灰應(yīng)用在混凝土中具有三種效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)以及微骨料效應(yīng)。其形態(tài)效應(yīng)主要指粉煤灰中球形玻璃起滾珠軸承作用，能夠有效改善混凝土和易性；活性效應(yīng)使混凝土結(jié)構(gòu)更致密，改善孔結(jié)構(gòu)，使體積更穩(wěn)定，提高混凝土強(qiáng)度；微骨料效應(yīng)指粉煤灰充當(dāng)微骨料，于混凝土中均勻分布，填充空隙和毛細(xì)孔，增大密實(shí)度，改善孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度。

礦渣微粉作為混凝土礦物摻合料，可改善高性能混凝土各種性能：減少混凝土的泌水，改善混凝土的和易性；提高混凝土強(qiáng)度，抑制混凝土的堿—骨料反應(yīng)；礦渣微粉能夠改善高性能混凝土工作性能，提高其強(qiáng)度。

按照吳中偉提出的中心質(zhì)假說(shuō)，屬于次中心質(zhì)的未水化水泥熟料顆粒（H 粒子）、屬于次介質(zhì)的水泥凝膠（L 粒子）和屬于負(fù)中心質(zhì)的毛細(xì)孔組成水泥石[4]。摻入一定的礦物細(xì)摻合料后，在水泥石中引進(jìn)更多的次中心粒子，使中心質(zhì)間距縮小，改善次中心質(zhì)和次介質(zhì)的顆粒級(jí)配，并填充水泥石毛細(xì)孔。從反應(yīng)原理和微觀效應(yīng)分析，當(dāng)摻入活性細(xì)摻合料減少水泥用量時(shí)，Ca(OH)2生成量減少，活性細(xì)摻合料可與水泥水化釋放的 Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，減少界面處Ca(OH)2含量，限制 Ca(OH)2取向，改善過(guò)渡層性質(zhì)，從而提高混凝土強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)進(jìn)行了最佳堆積密度試驗(yàn)，確定了粒徑為 5～10mm 的細(xì)石以 10% 的取代率取代青碎石，砂率為 39%。

（2）試驗(yàn)在符合混凝土工作性能的前提下，選取較低水膠比 0.3。

（3）試驗(yàn)用粉煤灰和礦渣微粉替代高性能混凝土中的水泥用量，明顯的改善混凝土和易性；改善孔結(jié)構(gòu)，改善過(guò)渡層性質(zhì)，提高混凝土強(qiáng)度。