青藏高原地區C60高性能混凝土配合比設計及耐久性實驗研究

張 鵬 王忠芳

（1.青海民族大學，青海西寧810007；2.青海諾安檢測技術有限公司，青海西寧810002）

隨著西部大開發戰略、一帶一路戰略的實施，以及青海省經濟和社會的快速發展，混凝土工程在青藏高原已建建筑物中的占比日益增大。青藏高原海拔高、太陽輻射強；干旱少雨，雷暴、冰雹災害頻繁；晝夜溫差大，凍融循環劇烈；土壤腐蝕性強。這些特殊地理自然環境因素導致傳統混凝土結構的耐久性嚴重降低，影響建筑物的正常使用，給國民經濟帶來巨大損失。研究適合本地區環境使用的混凝土材料具有重大的經濟和社會意義。

高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，簡稱HPC)是一種新型的高技術含量的混凝土，以耐久性作為主要設計指標，針對不同用途要求，保證混凝土的強度和適用性并達到高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性。由于上述優良特性，在青藏高原地區應用HPC，具有顯著的經濟效益。國內HPC的研究已經頗為成熟，但對高寒地區HPC的應用研究還不夠深入。

本文針對青藏高原嚴酷的自然環境，對高性能混凝土的原材料選擇、高性能混凝土強度和耐久性能中各種影響因素及其相互關系進行研究；設計了適合于本地區C60混凝土配合比；通過實驗方法驗證本配合比的強度、耐久性，以期用以指導工程實踐。

1 青藏高原地區HPC強度和耐久性影響因素研究

HPC由水泥、粗骨料、細骨料、外加劑、礦物摻和料組成，依據國家和相關行業標準，對組成材料的物理、化學指標進行分析評價，研究混凝土中膠凝材料體系、骨料體系、減水劑品種等主要因素對HPC強度和耐久性的影響，為材料的優化選擇提供依據。

1.1 水泥

HPC用的水泥，C3A含量應低，細度應合適。為確保其流動性、高強度、高耐久性，水泥必須與所用高效減水劑相容性好，使混凝土拌合物在滿足工作性條件下用水量盡可能的低，塌落度損失小。水泥的技術要求應滿足以下要求：①.比表面積不應小于350m2/kg，不得超過400m2/kg；②堿含量（按Na2O當量計）≤0.6%；③孰料中C3A含量≤8%，氯離子含量≤0.06%；④堿含量≤0.6%。

1.2 粗骨料

粗骨料體積占混凝土的70%左右，質量占混凝土的60%左右，粗骨料性能優劣不僅對HPC的強度有直接影響，而且對HPC的工作性、耐久性等方面也存在較大影響。

（1）粗骨料種類、針片狀含量含泥量

粗骨料應選用質地堅硬、級配良好的石灰巖、花崗巖、輝綠巖等碎石或碎卵石，以石灰巖碎石為佳。堿—骨料反應(Alkali-Aggregate Reaction，簡稱AAR)是指粗骨料與混凝土中膠凝材料水化產物發生的反應，是最典型的化學反應，引起混凝土發生不均勻膨脹，導致混凝土開裂的破壞。為避免堿骨料反應，要求進行粗骨料砂漿長度法試驗，砂漿半年的膨脹率低于0.10%。粗骨料的含泥量控制在1.0%以下，泥塊含量控制在0.5%以下。

含針片狀顆粒多的粗骨料，空隙率和比表面積增大，與水泥漿體接觸面積大，表面吸水量增加，摩阻力增大，和易性降低；力學性能方面，針片狀顆粒受力時薄弱點易斷裂。混凝土在成型過程中針片狀顆粒多數被其它顆粒支承呈簡支梁狀，易被折斷，個別針狀顆粒又起尖劈作用，使混凝土較早出現裂縫而提前破壞。混凝土用粗骨料中最佳針片狀含量為12%。

（2）粗骨料壓碎值和巖石強度

粗骨料母巖強度是粗骨料選材的一項重要控制指標，混凝土粗骨料巖石抗壓強度為1.5～2倍所配制的混凝土強度。工程實踐中常采用粗骨料壓碎值量化粗骨料強度，C35～C60混凝土的壓碎值均要求限制在12%以下。

（3）粗骨料堅固性、硫化物含量

堅固性反應骨料在氣候、外力或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力。通常用硫酸鹽浸泡法來檢驗顆粒抵抗膨脹應力的能力，C30～C60有抗凍、抗滲或其他要求的混凝土堅固性要求＜8%。

硫化物含量是指粗骨料中的SO42-含量的百分比，SO42-含量過高容易與水泥水化硅酸鈣凝膠發生反應，在混凝土內部出現高硫型硫鋁酸鈣，降低混凝土的強度和耐久性。硫化物和硫酸鹽含量≤1.0%。

1.3 細骨料

砂應選用統一的質地硬、合理級配、吸水率低、孔隙率小的清潔自然河沙，細度模數在2.6～3.1之間。細度模數3.0左右時，混凝土工作性最好，強度最高。砂子中有害物質含量應符合下述規定：①表觀密度≥2.500g/m3；②堆積密度≥1.350g/m3；③細度模數2.3至3.1之間；④含泥量≤3.0%；⑤泥塊含量≤1.0%。

1.4 外加劑

高效減水劑是制備高強高性能混凝土的一個重要原材料，可以改善混凝土工作性能，提高新拌混凝土的流動性，降低混凝土水膠比，提高混凝土的強度與耐久性。聚羧酸鹽減水劑具有低摻量、高保坍、低收縮等優勢，有利于提高混凝土的使用壽命。

1.5 礦物摻和料

摻合料主要為粉煤灰、磨細礦渣、硅粉（灰）或將其中幾種進行混合，粉煤灰物理性能指標如下：①需水量比≤105%；②細度≤25%；③燒失量≤8.0%；④含水率≤1.0%。

硅粉物理性能指標如下：①燒失量≤6.0%；②二氧化硅含量≥85%；③含水率≤3.0%；④45μm方孔篩篩余≤5.0%；⑤需水量比≤125%；⑥3d活性指數、7d活性指數、28d活性指數分別為90、95、115。

2 青藏高原地區C60混凝土配合比設計

2.1 混凝土原材料選擇

（1）水泥

采用青海本地生產的硅酸鹽水泥，性能指標如下：①水泥標號P·Ⅰ52.5；②比表面積為361m2/kg；③燒失量為0.80%；④三氧化硫含量1.84%；⑤氧化鎂含量2.81%；⑥氯離子含量0.030%；⑦安定性合格；⑧初凝時間、終凝時間分別為123min、183min；⑨3d抗折強度、28d抗折強度分別為5.6MPa、8.9MPa；⑩3d抗壓強度、28d抗壓強度分別為26.2MPa、58.5MPa。

（2）粗、細骨料

采用本地砂石場生產的粗、細骨料，粗骨料粒徑5～20mm，連續級配，級配情況良好。粗骨料詳細指標如下：①表觀密度2.731g/cm3；②堅固性指數為3.8%；③壓碎值為8.07%；④粗骨料堿活性（砂漿半年膨脹率）為0.037%；⑤硫化物和硫酸鹽含量為0.2%；⑥含泥量為0.38%；⑦針片狀含量為3.8%。

細骨料詳細指標如下：①表觀密度2.728g/cm3；堆積密度1.586g/cm3；②細度模數2.9；③含泥量7.9%；④泥塊含量0.7%；⑤云母含量0.34%；⑥輕物質含量0.04%。

（3）摻合料

采用本地企業生產的硅粉、Ⅰ級粉煤灰。硅粉性能指標如下：①品級SiO2-92；②各化學成分含量：SiO2含量 90.5%、H20含量 0.8%、Fe2O3含量0.3%、CaO含量0.9%、MgO含量0.8%、K2O含量0.9%、Na2O含量0.38%；③燒失量為1.8。

Ⅰ級粉煤灰性能指標如下：①細度（45μm方孔篩篩余）20%；②需水量103%；③燒失量3.3%；④含水量0.39%；⑤28d抗壓強度比61；⑥SiO2含量52.8%；⑦Al2O3含量33.5%；⑧Fe2O3含量8.0%。

（4）外加劑

采用徐州建材有限公司生產的聚羧酸鹽減水劑，減水率32%，固含量20%。

2.2 配合比設計

采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授所提出的全計算法，結合現行規范，對C60強度等級混凝土進行配合比設計。

（1）確定配制強度

（3）確定水的用量

（4）確定膠凝材料的組成與用量

（5）確定砂率

（6）確定粗、細骨料用量

根據計算得到理論配合比如下：

對理論計算得到的配合比進行調整，確定最終配合比如表1所示。

表1 C60強度等級混凝土進行配合比設計

3 C60混凝土配合比強度實驗

在7d、28d標準養護條件下，對標準混凝土立方體試樣開展強度試驗。

3.1 7d標準養護試驗結果

標準養護7d的混凝土試件實驗結果見表2。

表2 C60混凝土7d標準養護抗壓強度

3.2 28d標準養護試驗結果

標準養護28d的混凝土試件實驗結果見表3。

表3 C60混凝土28d標準養護抗壓強度

3.3 試驗結果分析

C60強度等級混凝土28d抗壓強度最低值為64.1MPa，最大強度為65.9MPa，平均值為64.97MPa，符合設計要求。

4 C60混凝土配合比抗凍性、抗滲透性（抗氯離子滲透性）實驗

4.1 混凝土抗凍性

采用TDR-1型混凝土快速凍融試驗機，取尺寸為100mm×100mm×400mm的試件（每組三塊），試件在飽水狀態下進行凍融試驗；每25次凍融循環對試件進行質量與動彈性模量測量，試驗結果見表4。經125次凍融循環后，質量損失率達到了5%，快速凍融循環結束，試驗停止。所配置混凝土的抗凍等級為F125。

表4 C60混凝土快速凍融試驗記錄

4.2 混凝土滲透性

采用NEL氯離子擴散系數測定混凝土的滲透性，測試結果如表5所示。根據NEL法評價標準，混凝土滲透性級別為Ⅲ級，中級滲透性。

表5 NEL氯離子擴散系數試驗結果

5 結論

在明晰原材料物理、化學指標對高性能混凝土強度和耐久性影響的基礎上，優選本地原材料，對C60高性能混凝土的配合比進行設計，并開展了強度、抗凍、抗滲性的耐久性實驗，實驗證明：

（1）C60強度等級混凝土28d抗壓強度最低值為64.1MPa，最大值為65.9MPa，平均值為64.97MPa，符合設計要求。

（2）該配合比設計配制出的C60強度等級混凝土經125次凍融循環后，質量損失率達到了5%，抗凍等級為F125。

（3）該配合比設計配制出的C60強度等級混凝土滲透性級別為Ⅲ級，中級滲透性。