C100高強混凝土設(shè)計制備的試驗研究

徐亮，凱樂，尹輪，王康

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

0 引言

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，超高層建筑、大跨度橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施不斷興建，對高強混凝土的需求日漸攀升，高強混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用已成為未來的發(fā)展趨勢[1]。在工程應(yīng)用方面，高強混凝土的工程應(yīng)用[2-3]不計其數(shù)，很多工程都具有混凝土強度高、方量大、超高泵送等特點。在生產(chǎn)配制方面，部分學(xué)者采用全計算法[4]進行C100混凝土配合比設(shè)計，再加以試驗驗證，對C100混凝土的制備提供一定參考。在原材料方面，地材的母巖強度是配制C100混凝土的關(guān)鍵因素之一，使用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料是改善高強混凝土工作性能、降低水化熱、減少收縮裂縫的有效措施[5]，微珠[6]在高強混凝土中的使用越來越廣泛，能夠起到很好的降粘增強效果。目前，C100混凝土仍然存在配合比設(shè)計尚無相應(yīng)規(guī)范參考、制備過程大多依靠經(jīng)驗、配制技術(shù)尚不成熟、不同區(qū)域原材料差異大等問題。本文針對C100混凝土制備技術(shù)開展相關(guān)試驗，以期為C100混凝土的制備和應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

1 技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)路線

1.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高強混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 281）對泵送高強混凝土的要求，C100混凝土坍落度≥220mm，擴展度≥500mm，倒置坍落度筒排空時間＞5s且＜20s，坍落度經(jīng)時損失≤10mm/h，28d抗壓強度≥115MPa，其混凝土拌合物不應(yīng)離析和泌水，凝結(jié)時間應(yīng)滿足施工要求。

1.2 技術(shù)路線

C100混凝土配合比參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55）進行初步設(shè)計，通過研究水膠比、膠材用量對工作性能和力學(xué)性能的影響，對配合比進行優(yōu)化，制備出技術(shù)經(jīng)濟性良好的C100混凝土。原材料在重慶區(qū)域就地取材，在市場上容易購買且供應(yīng)、質(zhì)量穩(wěn)定。采用高強石子和高活性的礦物摻合料，在保證C100混凝土強度的前提下盡量少用水泥，降低水化熱。采用具有降粘功能的礦物摻合料和高性能減水劑的雙摻技術(shù)，降低C100混凝土的粘度，改善其泵送性能。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用海螺P.Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥，28d膠砂抗壓強度60.0MPa。

（2）硅灰：SiO2含量90%，28d活性指數(shù)122%，需水量比118%。

（3）S95級礦粉：7d活性指數(shù)78%，28d天活性指數(shù)97%，流動度比100%。

（4）Ⅰ級粉煤灰：28d活性指數(shù)84.4%，燒失量3.1%，細度6.0%，需水量比95%。

（5）微珠：28d活性指數(shù)103.5%，燒失量1.0%，需水量比95.0%。

（6）粗集料：采用玄武巖碎石，母巖強度180MPa，壓碎指標(biāo)3.1%。

（7）細集料：采用山機砂，細度模數(shù)2.6～3.0，壓碎指標(biāo)8.5%，MB值0.8。

（8）外加劑：采用高性能減水劑，減水率30%。

（9）拌和用水：自來水。

2.2 試驗方法

C100混凝土同配比砂漿試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671）。C100混凝土拌合物性能試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080），力學(xué)性能試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081）。

3 結(jié)果與分析

3.1 確定膠凝材料體系

通過C100混凝土同配比砂漿試驗確定膠凝材料體系，砂漿配合比如表1所示，強度測試結(jié)果如圖1所示。對比組1的28d強度最高，達到144.7MPa，比基準(zhǔn)組高6.9MPa，滿足C100混凝土配制的砂漿強度要求。對比組2使用Ⅰ級粉煤灰替代微珠和部分礦粉，砂漿28d強度下降3.7MPa，相比Ⅰ級粉煤灰，微珠具有更大的比表面積，并含有更多的活性二氧化硅、氧化鋁，后期與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成更多具有膠凝作用的水化產(chǎn)物，從而提高砂漿后期強度。對比組3使用Ⅰ級粉煤灰，并降低硅灰用量，強度比基準(zhǔn)組低2.8MPa，因此，從強度方面考慮，對比組1的礦物摻合料搭配相對更合理，其搭配為硅灰、微珠和S95礦粉。

表1 砂漿配合比參數(shù)

圖1 砂漿強度對比

3.2 確定地材體系

在膠材體系確定的基礎(chǔ)上，進行C100混凝土試配，選擇合理的地材體系，混凝土配合比參數(shù)如表2所示，測試結(jié)果如表3所示。不同地材組合配制的C100混凝土，強度、工作性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在強度方面，采用玄武巖加山機砂的組合，混凝土強度達到131.5MPa，比卵碎石強度高出10.3MPa，粗骨料的強度對C100混凝土的強度影響很大，母巖強度高、表面粗糙的玄武巖碎石比具有光滑表面的卵碎石更適合配制C100混凝土。使用卵石機砂并沒有大幅提高C100混凝土的強度，僅比山機砂高出4.0MPa，相比之下，使用山機砂更經(jīng)濟合理。在工作性能方面，玄武巖加山機砂的組合更好，這是因為玄武巖碎石整體粒形好，基本無針片狀顆粒，新拌混凝土更容易流淌開，所以體現(xiàn)出更好的工作性能。因此，地材體系采用玄武巖碎石和山機砂組合具有更好的技術(shù)經(jīng)濟性。

表2 C100混凝土配合比參數(shù)

表3 C100混凝土工作性能與強度測試結(jié)果

3.3 強度影響因素

在確定C100混凝土材料體系的基礎(chǔ)上，主要考慮水膠比對C100混凝土力學(xué)性能的影響，混凝土配合比參數(shù)如表4所示，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著水膠比的增大，C100混凝土強度呈下降趨勢。水膠比在0.19～0.25范圍內(nèi)都能配制出C100混凝土，水膠比在0.19～0.21范圍內(nèi)時，強度隨著水膠比的增大而減小，并且下降幅度大；水膠比在0.21～0.25范圍內(nèi)變化時，混凝土強度降低趨勢不明顯，此時混凝土強度的富余值較小，不利于C100混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量控制。按照驗收標(biāo)準(zhǔn)，要求C100混凝土強度達到110MPa，試配時加上10MPa的強度富余，使C100混凝土強度控制在120MPa以上，此時水膠比不宜大于0.20。

表4 C100混凝土配合比參數(shù)

圖2 水膠比對強度的影響

3.4 配合比優(yōu)化

在配合比探索試驗的基礎(chǔ)上，主要考慮C100混凝土的力學(xué)性能和工作性能，對配合比進行優(yōu)化，配合比參數(shù)如表5所示，測試結(jié)果如表6、表7所示。根據(jù)硅灰對C100混凝土同配比砂漿強度的影響試驗結(jié)果，硅灰摻量宜為6%～10%，考慮到硅灰的需水量比較大，摻量太大會影響C100混凝土的工作性能，因此將硅灰摻量定為6%；考慮到低水膠比下C100混凝土粘度很大，因此將水膠比定為0.20，再將降粘材料微珠的摻量增至10%～20%，來改善混凝土的粘度。配合比3的工作性能如圖3所示，坍落度260mm，擴展度700mm，倒筒時間7s，混凝土不離析泌水，粘度低；而配合比1和配合比2的混凝土粘度相對要大一些。相比之下，配合比3工作性能良好，表明大摻量微珠能有效改善C100混凝土的工作性能，原因是微珠含有更多的細小球形顆粒，包裹在骨料表面，有利于骨料的相對滑動，且微珠還能夠填充膠材中的小空隙，釋放出空隙中的自由水。在強度方面，配合比3與配合比1相比較，配合比3未達到強度配制要求，原因是過多的微珠不能完全發(fā)揮出火山灰效應(yīng)，部分只是起到填充和滾珠作用，所以工作性能得以改善，但后期強度未達到要求，故微珠摻量不宜大于20%。配合比2強度達到131.2MPa，比配合比1高出10.1MPa，然而粉煤灰活性并沒有微珠高，多數(shù)是填充作用，表明山機砂的母巖強度對C100混凝土的強度有很大影響，配制時宜選用高強母巖制得的機制砂。三種配合比的抗折強度差別不大，軸心抗壓強度都超過100MPa，彈性模量都大于4.0×104MPa。因此，在骨料選擇方面，無論是粗骨料還是細骨料，都宜具有高的母巖強度，搭配上具有降粘效果的摻合料和外加劑，配制出工作性能良好和強度達標(biāo)的C100混凝土。通過優(yōu)化試驗，配合比1的強度達121.1MPa，坍落度260mm，擴展度660mm，倒筒時間7s，強度達標(biāo)，工作性能良好，采用配合比1配制C100混凝土相對更合理。

表5 C100混凝土配合比參數(shù)

表6 C100混凝土抗壓強度測試結(jié)果

表7 C100混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果

圖3 大摻量微珠C100混凝土工作性能

4 結(jié)論

（1）膠材體系宜采用P.Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰微珠和S95礦粉，降低C100混凝土粘度的同時保證其強度。

（2）在地材選擇方面，由于卵碎石具有較多的光滑表面，會降低其與水化產(chǎn)物的粘結(jié)力，故選擇表面粗糙的玄武巖碎石更為合理。最大粒徑為16mm，母巖強度為180MPa的玄武巖碎石適合用來制備C100混凝土。

（3）微珠摻量在10%～20%范圍內(nèi)時，C100混凝土的坍落度達到260mm，擴展度達到700mm，但混凝土強度隨微珠摻量的增大而減小，最低降至109.2MPa，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此建議微珠摻量宜為10%。

（4）水膠比在0.19～0.25范圍內(nèi)時，C100混凝土強度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)下降趨勢，水膠比大于0.21時，強度低于120.0MPa，故C100高強混凝土的水膠比宜控制在0.20左右，膠凝材料用量不宜超過600kg/m3。