大摻量復合礦物摻合料高性能樁基混凝土性能研究及工程應用

石容艷

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

目前，高鐵施工過程中樁基結構均采用水下自密成型的高性能混凝土。高性能混凝土要求具有良好的工作性能及后期耐久性，設計年限100 a，坍落度設計要求 180～220 mm，抗碳化、氯鹽、化學侵蝕及鹽類結晶破壞、凍融等環境，礦物摻合料不低于30%[1]，出機坍落擴展度不低于500 mm[2]。高性能混凝土重要特征是高耐久性，因而在組成材料上除了使用高效減水劑以外，無機超細粉的應用是其重要特征[3]。采用適當比例礦物摻和料替代水泥的混凝土兼具抗腐蝕和抗滲能力[4]，國內外相關學者[5-9]就粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理提出觀點：①粉煤灰呈球形顆粒分布可以起到分散水泥絮凝效果；②粉煤灰的微顆?！爸闋睢苯Y構在拌合物相對運動時起到潤滑作用；③粒徑完整、球形顆粒搭配較好的粉煤灰一定程度上可以減少混凝土泌水率；④粉煤灰摻入有利于提高混凝土服役過程中耐久性。就現場高性能混凝土應用而言，研究人員[10-13]提出采用雙摻礦粉、粉煤灰，充分發揮兩種礦物摻合料的“優勢互補效應”，相關結論表明雙摻的高性能混凝土一定程度上能夠改善混凝土的工作性能、強度、電通量、氯離子滲透性能，且具有更好的經濟及社會效益。就礦物摻合料摻量問題，相關研究人員[14-15]進行探索，指出粉煤灰、礦粉摻量 40%時混凝土抗氯離子滲透性能最好，以恰當的比例對混合材料進行摻合，才能有效提高混凝土的性能、發揮各自的優勢，從而提高高性能混凝土性能。許遠榮[16]提出雙摻礦粉和粉煤灰可以明顯改善混凝土的微孔隙結構，提高混凝土的耐久性能。

京津城際延伸線天津～于家堡工程項目，樁基混凝土自密成型過程中面臨堵管、斷樁風險，且目前樁基混凝土結構耐久性評判指標主要以電通量、氯離子擴散系數為主，相關研究人員僅從強度、電通量、氯離子擴散系數等指標淺顯探究樁基混凝土性能。本研究綜合以往混凝土雙摻粉煤灰、礦粉配比經驗，采用控制變量的方法，膠凝材料、集料、單位用水量、減水劑不變，通過調整膠凝材料中礦物摻合料的摻量，系統探究了樁基混凝土早期工作性能、抗壓強度、不同齡期孔溶液pH值、電通量以及經濟適用性，得出最佳的配合比，并應用于實際工程中。樁基結構澆筑14 d后采用超聲檢測法檢測樁基結構性能，判斷樁基均勻性、密實性的同時，較大程度上保證了樁基結構完整性。

1 試驗設計

設計要求：設計年限100 a；環境等級H1、L1；根據《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》(TB 10752-2010)第5.3.16規定水下樁基混凝土標準養護強度應達到設計強度等級的1.15倍，《鐵路混凝土》(TB/T3275-2018)規定混凝土抗壓強度以90 d為齡期，90 d設計強度等級C40；混凝土擴展度不低于500 mm；含氣量2.0%～4.0%；混凝土堿含量 ≤3.0 kg/m3； 90 d電通量小于1 200 C，90 d氯離子擴散系數≤7.0×10-12m2/s。

1.1 原材料來源

水泥：淄博崇正有限責任公司生產的P.O 42.5 低堿水泥，比表面積300～350 m2/kg；礦物摻合料：唐山陡河有限責任公司生產的F類I級粉煤灰，唐山興旺有限責任公司生產的S95級礦粉，比表面積≥400 m2/kg；集料：河北盧龍有限公司提供的中砂，細度模數2.4～2.8、含泥量1.5%～2.5%，河北玉田提供的5～25 mm連續級配的碎石；減水劑、引氣劑：深圳邁地科技有限公司提供，高性能聚羧酸減水劑的減水率25%以上；水：天津市東麗區東大橋村飲用水。水泥、粉煤灰、礦粉的化學組成見表1。

1.2 試驗方法

表1 水泥、粉煤灰、礦粉的化學組成 %

1.2.1 拌合物性能測試依據

(1)新拌混凝土工作性能測試：坍落度、坍落擴展度試驗依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/50080-2016)。

(2)混凝土抗壓強度測試依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/50081-2019)。

(3)混凝土的電通量測試依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/50082-2019)。

(4)硬化漿體孔溶液pH值測試：測試抗壓強度已被壓碎的試件剔除大顆粒砂石料，研磨帶有水泥漿體的顆粒，使用研缽磨成細粉，使用200目篩篩分。將得到的細粉浸泡于10倍質量的蒸餾水，利用磁力電子攪拌器攪拌2 h，之后使用濾紙過濾出浸提液，使用pH計測試。

1.2.2 配合比設計

設計的8種混凝土配比見表2。

表2 樁基用C40高性能混凝土配合比 kg/m3

2 結果與分析

2.1 工作性能分析

目前我國已建、新建高鐵項目，均采用水下澆筑成樁的施工工藝提高地基承載力，即固定預制鋼筋骨架再澆筑預拌高性能混凝土，控制混凝土早期坍落度、坍落擴展度對保證混凝土后期施工質量和施工效率十分必要。由圖1、圖2可知：①摻加礦物摻合料的配比坍落度、坍落擴展度的1 h 損失情況大都低于未摻加礦物摻合料的配比(C8)，即摻加礦物摻合料一定程度上延緩了膠凝組分的水化作用。②對比摻加礦物組分配比(C1～C7)，大致發展規律為隨著膠凝組分中粉煤灰摻量的增高，坍落度、坍落擴展度呈現增大趨勢，礦粉含量的增大，相對削弱了坍落度、坍落擴展度的發展。③60 min內，坍落度、坍落擴展度損失最低的膠凝組分比例是粉煤灰摻量20%、礦粉摻量20%。分析原因：

(1)隨著膠凝組分中粉煤灰摻量的增多，坍落度值、坍落擴展度值呈增大趨勢發展，主要原因是粉煤灰微結構形貌呈球形顆粒分布，早期作用于混凝土結構中水化作用微弱，依據其自身結構特征增大了混凝土的流動性。

圖1 不同配合比坍落度值發展規律

圖2 不同配合比坍落擴展度值發展規律

(2)1 h內C8配合比坍落度值、擴展度值損失率最大，主要原因是早期水泥水化作用較強，水化作用消耗大量拌和用水，致使坍落度值、擴展度值損失較快，礦物摻合料水化作用需要較強的堿性環境，此階段一般發生于3～7 d階段，1 h內生成的有效堿并未促使礦物摻合料水化反應，礦物摻合料起到改善混凝土流動性的效果，因此單一水泥膠凝組分的C8損失率高于其他配合比。

(3)1 h內C4配合比坍落擴展度損失率與坍落度損失率均為8種配合比中的最小值，即適當的雙摻比例(粉煤灰20%、礦粉20%)下粉煤灰和礦粉相互促進、相互發展。粉煤灰微結構呈球形顆粒分布，而礦粉微結構呈多變片狀分布，粉煤灰的摻加增大了混凝土的流動性，混凝土的勻質性得以提高；因礦物摻合料早期水化能力較弱，均勻分布于混凝土中，推遲水泥的水化，降低早期因水泥水化過快造成坍落度值、坍落擴展度值損失，有效控制了早期膠凝組分水化過快產生的溫度應力裂紋，有利于提高后期混凝土硬化強度以及硬化混凝土結構在服役過程中的耐久性。

樁基用高性能混凝土技術要求是混凝土澆筑時坍落度180～220 mm，坍落擴展度≥500 mm，C1、C8配合比已不滿足于施工技術要求，C4配合比在1 h內坍落度、坍落擴展度值損失值最小。

2.2 力學性能分析

混凝土強度指標是評判混凝土結構合格與否的關鍵性指標，系統分析8種配合比下混凝土齡期為3 d、7 d、28 d、90 d抗壓強度發展趨勢。由圖3得出相關結論如下：①齡期3 d時，C8配合比的強度高于C1～C7配合比，且C1～C7配合比的強度相差甚微，不同配合比的膠凝材料的量不發生改變，存在差異的是C8配合比的膠凝組分是水泥，C1～C7的膠凝組分為粉煤灰—礦粉—水泥三元體系，粉煤灰+礦粉的占比為40%，早期礦物摻合料的加入并未發生較強水化反應而生成水化產物提高混凝土基體強度，起到了調節混凝土早期和易性的效果。②7～90 d抗壓強度的發展規律相同，即C1～C7強度均高于C8，養護齡期3 d后礦物摻合料在混凝土基體中發生火山灰反應，且生成的水化產物均勻密實填充于早期水泥水化生成的疏松狀結構中，混凝土基體水化結晶相增多且微結構密實，從而混凝土基體強度得以提高，致密的高強度混凝土結構服役過程中抵抗氯鹽、硫酸根鹽的能力增大，混凝土結構的耐久性增強。③齡期7～90 d階段，C4配合比的強度均高于其他配合比，主要原因歸結于粉煤灰顆粒和礦粉顆粒較優的搭配效果，因礦粉選取的比表面積為400 m2/kg，水泥比表面積300～350 m2/kg，比表面積越大，顆粒的粒徑越小，需水量隨之增大，礦粉的微結構粒徑呈多邊形片狀分布，較易發生團聚現象，適量粉煤灰的摻入削弱了礦粉的團聚現象，同時礦粉在混凝土基體堿性較強的環境下火山灰活性高于粉煤灰，一定程度上隨著礦粉摻入量的增大，混凝土抗壓強度隨著增大，因此粉煤灰摻量20%、礦粉摻量20%最佳膠凝組分占比條件下混凝土硬化基體的強度最大。

圖3 不同配合比抗壓強度發展

2.3 pH值分析

混凝土硬化漿體孔溶液pH值的穩定性是決定混凝土結構服役過程中強度穩定的關鍵，當硬化漿體孔溶液pH值大于12.16[17]時，有利于膠凝材料水化生成的產物穩定，因此展開孔溶液pH研究討論對混凝土結構的耐久性至關重要。不同配合比齡期為3 d、28 d、90 d pH值發展規律如圖4所示。綜合圖4分析可得：①3 d、28 d、90 d孔溶液pH值均大于12.16，即水泥生成的水化產物穩定性較好，強度也較為穩定。②3 d時，C8混凝土硬化漿體孔溶液pH值 均高于C1～C7硬化漿體的孔溶液pH值，綜合新拌混凝土工作性能、強度發展性能，此階段中礦物摻合料未發揮其火山灰效應，C8的膠凝組分是水泥，C1～C7的膠凝組分為60%水泥+40%礦物摻合料(粉煤灰、礦粉)，且粉煤灰呈弱酸性、礦粉呈弱堿性，其遇水形成溶液的pH值均低于水泥遇水形成溶液，因此齡期3 d時C8孔溶液pH高于C1～C7。③pH值的減小預示著混凝土再次發生水化反應，消耗了原有混凝土中的有效堿，隨著養護齡期的增大，C1～C7 混凝土硬化漿體的pH值3～28 d、28～90 d的損失率均高于C8孔溶液pH值，即C1～C7混凝土基體中水泥水化反應的同時，礦物摻合料在水泥水化已累積的高堿環境下開始發揮其火山灰效應；C1～C7 3～28 d孔溶液pH值損失率高于28～90 d，說明礦物摻合料3～28 d的水化反應程度高于28～90 d。④C4混凝土90 d硬化漿體孔溶液pH值最低，即CH晶相含量相對降低，水泥水化生成CH晶相增大混凝土孔溶液pH值，礦物摻合料依據孔溶液pH值增大后的高堿環境，其內部價鍵結構開始發生肢解、重組，發生二次水化反應生成水化產物，水化產物成分中 CSH低堿凝膠、非晶相相對增多，微結構較為致密，宏觀上抗壓強度值最高，與抗壓強度發展結論一致。

圖4 不同配合比pH值發展

2.4 耐久性分析

樁基用高性能混凝土耐久性評價指標主要以90 d電通量值和氯離子擴散系數為主。從圖5中可以得出：①高性能混凝土齡期90 d時電通量、氯離子擴散系數發展趨勢等同，其中C4配合比20%粉煤灰+20%礦粉+60%水泥膠凝組分90 d電通量值、氯離子擴散系數值最低，其抵抗滲透能力較強，宏觀上反應為抗壓強度最高。②C1～C7粉煤灰—礦粉—水泥膠凝組分90 d電通量值、氯離子擴散系數值均符合設計要求；C8水泥膠凝組分的電通量、氯離子擴散系數值最值均大于C1～C7粉煤灰—礦粉—水泥膠凝組分，即C8的滲透能力最強，其斷面水化產物微結構密實度最低，形成的水化產物網絡狀結構較為疏松。

圖5 不同配合比90 d電通量/氯離子擴散系數發展

3 工程應用

綜合上述不同配合比下混凝土工作性、力學性能、硬化漿體孔溶液pH值以及耐久性能分析，得出C4配合比均滿足樁基用高性能混凝土技術要求。現今C4配合比已應用于京津城際延伸線天津至于家堡工程，第三方檢測單位對到達齡期后的樁基進行無損檢測，樁基檢測結果Ⅰ類樁98%，Ⅱ類樁2%，不存在Ⅲ類樁和斷樁，滿足高鐵建設過程中樁基要求。