復合礦物摻合料高性能樁基混凝土性能研究

崔建文 高新民 陳飛 李峰 康健

（1甘肅五環公路工程有限公司，甘肅 蘭州730050；2甘肅省橋梁工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

樁基混凝土要求具有良好的工作性能，樁徑小于1.5m時，坍落度要求180～220mm，樁徑大于1.5m時，坍落度要求160～200mm[1]，同時，由于樁基混凝土處于地下，接觸的環境比較復雜，因此，提高樁基混凝土的綜合性能十分必要。高性能混凝土在性能上的重要特征是具有高耐久性，而在組成材料上除了使用高效減水劑以外，無機粉體（超細粉）的應用是其重要特征[2]。樁基礎是一個隱蔽工程，在施工中對混凝土工作性能的控制是質量控制的關鍵環節之一，同時，提高樁基混凝土的耐久性也有其必要性。結合環保理念，本文針對以機制砂為細集料的C35高性能樁基混凝土，在水膠比、膠凝材料總量以及礦物摻合料總量不變的前提下，通過調整復合礦物摻合料的摻配比例，研究分析其工作性能、力學性能以及耐久性能等指標，為實際工程施工中對混凝土礦物摻合料以及摻配比例的選擇提供一定的理論依據。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料規格與指標

試驗選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、二級粉煤灰、S95級礦粉、高性能減水劑（減水率≥25%），細集料粒徑為0～5mm的級配機制砂（細度模數2.86，MB值0.9），粗集料規格分別為5～10mm、10～20mm、16～31.5mm的級配碎石，其中細集料為花崗巖，粗集料為玄武巖（壓碎值14.6%），復合礦物摻合料分別為粉煤灰、礦粉。膠凝材料的常規指標檢測結果如表1所示。

表1 膠凝材料常規指標檢測結果

1.2 配合比設計與試驗

結合混凝土配合比設計規程以及相關規范，以樁基混凝土的工作性能為依據，對C35樁基混凝土配合比進行設計，本次試驗用到的具體配比如表2所示。

表2 C35樁基混凝土配合比

按表2配合比，使用強制式臥式攪拌機拌制混凝土，每種方案的混凝土拌合物均測其初始坍落度、擴展度和放置60min后的坍落度及擴展度，用來評價混凝土的工作性能。試件在室內成型，使用標準試模，混凝土分兩層入模，每層人工插搗25次，試件尺寸150mm×150mm×150mm，每個試驗方案成型4組試件，每組3個試件，分別用來測試7d、28d、35d、56d的混凝土強度，試件成型后立即用濕布覆蓋保濕，在溫度20±5℃，相對濕度大于50%的環境中靜置1～2晝夜，然后拆模置于標準養護室內養護至試驗齡期。在制作抗壓試件的同時，用同盤混凝土制作2組電通量試件，每組3個試件，試件尺寸φ100×50mm，靜置于和抗壓試件同環境的室內，拆模后在標準養護室內的水槽中養護至試驗齡期，對表面處理后用于試驗。

2 試驗結果分析

2.1 不同復合礦物摻配比例對混凝土工作性能影響

對7種試驗方案下混凝土拌合物初始以及60min后的坍落度、擴展度的試驗結果如表3、圖1、圖2所示。試驗表明，摻入礦物摻合料可顯著改善混凝土的工作性能，但在復合礦物摻配總量一定的前提下，隨著礦粉摻量的提高，混凝土的工作性能相對降低，主要表現在混凝土初始及60min后坍落度和擴展度減小，同時泌水量有增大的跡象。但整體來看，每個試驗方案中混凝土的工作性能隨時間的延長變化并不明顯。

出現這種現象的原因是粉煤灰的形態效應對混凝土的流動性能具有很大的改善作用。形態效應指粉煤灰顆粒呈圓球狀，其能分散水泥絮凝結構[3]，同時在混泥土中可產生“滾珠”效應，在混凝土拌合物相對運動時起到潤滑作用[4]；粉煤灰還可以提高混凝土的粘聚性，在一定程度上減少混凝土的泌水量[5]。在復合礦物摻配比例不變的前提下，粉煤灰摻量隨礦粉摻量的增加而減少，造成粉煤灰對混凝土工作的作用優勢降級，礦粉對混凝土工作性能的不利影響反而增加，形成此消彼長的態勢。整體而言，每個試驗方案中混凝土工作性能隨時間的延長變化不大，這與現代高性能減水劑的穩定性分不開，隨著減水劑綜合性能的提高，混凝土的工作性能更穩定。綜合考慮混凝土的工作性能和經濟性指標，實際生產中選用分案Ⅳ即粉煤灰摻量20%、礦粉摻量15%，可充分發揮兩種礦物摻合料的“優勢互補效應”[6]，混凝土的坍落度滿足施工需要，和易性、粘聚性均達到最佳狀態，泌水率得到改善，同時生產成本顯著降低。

表3 不同試驗方案混泥土拌合物工作性能

圖1 不同試驗方案對混凝土坍落度的影響

圖2 不同試驗方案對混凝土強度的影響

2.2 不同復合礦物摻配比例對混凝土強度影響

使用THY-2000型電液式試驗壓力機對7種試驗方案下混凝土抗壓試件7d、28d、35d、56d齡期的強度做檢測，試驗結果如表4、圖3、圖4所示。

表4 不同試驗方案混泥土拌合物強度

圖3 不同試驗方案對混凝強度的影響

圖4 不同試驗方案各齡期混凝土強度對比

由圖表可看出，復合礦物摻合料對混凝土的強度具有顯著影響，隨著復合礦物摻配比例的變化，混凝土7d齡期的強度變化尤為明顯。同方案Ⅶ相比，前6種試驗方案混凝土的7d強度在復合礦物摻合料總量不變的前提下，隨礦粉摻量的增加大致呈線性增長（除方案Ⅳ外），如圖5所示。

圖5 復合礦物摻合料混凝土隨礦粉摻量的增加不同齡期強度變化

上述現象與復合礦物摻合料體系中礦粉的關系很大。礦粉的主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO，這四種成分決定了礦粉堿度值的大小，而礦粉活性的高低由其堿度值決定，因此S95級礦粉本身具有潛在的水硬性，但本身的硬化性能微弱，當有堿參與反應時，可以激發其活性，水泥水化反應產生的Ca（OH）2正好為礦粉活性的激發提供了良好的環境，促進了與水泥水化產生的游離的氧化鈣及高堿性C-S-H發生二次水化反應，生成膠凝性物質[4]，在一定程度上加快了水化反應，提高了混凝土的早期強度。而粉煤灰的摻入在一定程度可以使混凝土的凝結時間增長，這是因為水泥水化反應溶出的各個離子被吸附在粉煤灰粒子表面，降低了孔隙液中離子濃度，粉煤灰的摻入抑制了水泥早期水化反應[7]。隨著粉煤灰摻量的增加，礦粉摻量的減少，混凝土的7d強度明顯降低。

同時從圖5及表4可看出，同一試驗方案中，隨復合礦物摻合料中礦粉摻量的增加、粉煤灰摻量的減少，混凝土7d至56d齡期強度的增長幅度逐漸減小；養護齡期大于等于28d的各齡期混凝土強度增幅不大。但不同方案中，齡期相同時，大于等于28d的各齡期混凝土強度變化同7d齡期的變化趨勢基本相同，方案Ⅳ中混凝土強度大于相鄰兩方案的強度，除方案Ⅳ外大致呈增長趨勢，但增長幅度較小。這一現象與礦粉促進混凝土早期水化反應速度，粉煤灰抑制混凝土早期水化反應速度的原因有關。

方案Ⅳ中混凝土強度之所以出現上述現象，與復合礦物摻合料的摻配比例有關，根據表3可知，方案Ⅳ中粉煤灰摻量20%，礦粉摻量15%，其混凝土7d、28d、35d、56d要齡期強度分別為36.9MPa、46.7MPa、48.8MPa、51.8MPa，完全滿足實際工程施工需求。綜合考慮工作性能、強度、經濟性，這一摻配比例是本試驗復合礦物摻配體系中的最佳方案，在這一摻配比例下，礦粉和粉煤灰對混凝土工作性能及強度的作用達到了優勢互補的最佳狀態。

2.3 不同復合礦物摻配比例對混凝土電通量影響

使用混凝土氯離子電通量測定儀對7 種試驗方案下28d齡期混凝土電通量試件做檢測，表5是混凝土抗氯離子滲透性能的等級劃分，其試驗結果如表6、圖6所示。

表5 混凝土抗氯離子滲透性能的等級劃分（電通量法）

表6 混凝土抗氯離子滲透試驗數據及等級（電通量法）

圖6 不同試驗方案對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

3 結語

1）在膠凝材料總量和礦粉、粉煤灰復合礦物摻合料總量不變的前提下，混凝土的工作性能隨礦粉摻量的增加逐漸變差，隨粉煤灰摻量的增加明顯改善。

2）在膠凝材料總量和礦粉、粉煤灰復合礦物摻合料總量不變的前提下，混凝土的早期強度隨礦粉摻量的增加明顯提高，混凝土的后期強度隨粉煤灰摻量的增加而增幅較大。

3）綜合考慮工作性能、強度、經濟性，當粉煤灰、礦粉的摻量分別為20%、15%時，可以充分發揮兩種礦物摻合料的“優勢互補效應”，混凝土的坍落度滿足施工需要，和易性、粘聚性均達到最佳狀態，泌水率得到改善，強度滿足設計要求。

4）混凝土抗滲性能隨礦粉摻量的增加而提高，隨粉煤灰摻量增加而降低，當粉煤灰、礦粉的摻量分別為20%、15%時，其抗氯離子滲透性能同膠凝材料為純水泥的混凝土抗氯離子滲透性能相當，均為Q-Ⅲ級，滿足非特殊環境下的耐久性要求。