多品種摻合料及復合化對綠色高性能混凝土性能的影響研究
提要：通過把不同品種摻合料及按不同比例復合后配制了常規(guī)強度等級的混凝土，考察了摻合料及其復合物在不同摻量和不同水膠比時對強度的影響規(guī)律，并給出了適宜摻量。在力學性能研究的基礎上，選擇有代表性的水膠比、進行了混凝土長期性能的檢測，揭示了復合摻合料對混凝土性能的影響及改善程度，擴大了礦物摻合料的品種及應用范圍，完善了礦物摻合料的應用體系，為高性能混凝土的推廣創(chuàng)造了技術條件。
關鍵詞：摻合料，復合，綠色，可持續(xù)發(fā)展
1 前言
高性能混凝土是混凝土技術進入高科技時代的產物，它不僅在技術上是對傳統(tǒng)混凝土的重大突破，而且在節(jié)能、節(jié)材、工程經濟、勞動保護以及環(huán)境等方面都具有重要意義，是一一種環(huán)保型、集約型的新型材料。實現(xiàn)混凝土高性能的主要手段就是摻加高效減水劑和足量的優(yōu)質礦物摻合料，尤其是礦物摻合料已成為配制高性能混凝土必不可少的重要組分和功能性材料，它在改善混凝土的性能方面起著關鍵的、決定性的作用。優(yōu)質摻合料可提高混凝土強度、耐久性、改善工作性以及其他物理力學性能，對抑制堿骨料反應乃至保護環(huán)境、節(jié)約資源、降低能耗、提高工業(yè)廢料的綜合利用和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著極其重要的作用，因此被稱為綠色高性能混凝土。
隨著人類的環(huán)保意識的日益增強和各類工業(yè)廢渣快速膨脹之間的矛盾的凸現(xiàn)，在混凝土滿足高性能的同時，如何更大幅度地提高混凝土消納工業(yè)廢渣以及其他廢棄物的能力，制備出綠色（無毒害）混凝土，實現(xiàn)混凝土的可持續(xù)發(fā)展，是混凝土研究人員面臨的重大而又迫切的研究課題。
2 研究內容
從實現(xiàn)高性能和混凝土綠色的角度出發(fā)，首先優(yōu)選放射性合格的環(huán)保型原材料，且外加劑中游離甲醛、尿素和胺類物質應盡可能的低，通過優(yōu)選、優(yōu)化配合比，研究不同品種摻合料對混凝土工作性、力學性能和耐久性的影響，探索摻合料對混凝土性能的影響規(guī)律，在滿足高性能的同時，實現(xiàn)混凝土綠色無毒害的要求，為制備綠色建筑材料提供指導性建議，同時也為相關標準的制訂與修訂提供技術支持，共同推動混凝土技術的進步與發(fā)展。
2.1 摻合料對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律
通過配制水膠比為0.65、0.50、0.40、0.35常用混凝土，摻合料品種分別選定為I級粉煤灰、II級粉煤灰、礦渣粉以及I級粉煤灰和高性能混凝土摻合料（SP）的復合物（比例為5∶5、3∶7），其摻量為0（不摻外加劑）、0（摻外加劑）、20%、30%、40%、50%、60%、70%進行3d、7d、28d、60d抗壓強度試驗，考察摻合料摻量對強度的影響規(guī)律，在采用萘系外加劑及常規(guī)用水量條件下，得出各種摻合料的最大摻量，以便指導當前的混凝土生產。此外用I級粉煤灰及其與高性能混凝土摻合料復合，采用聚羧酸等新型外加劑，通過降低單方混凝土用水量，提高混凝土中摻合料的摻量，擴大多品種摻合料的應用范圍。
2.2 摻合料對混凝土力學性能和耐久性能的影響
在前述試驗的基礎上，選擇有代表性的水膠比、以I級粉煤灰為主進行混凝土力學性能和長期性能、耐久性能的檢測，揭示摻合料對混凝土性能的影響及改善程度。
3 不同品種不同摻量的礦物摻合料對常用混凝土抗壓強度的影響規(guī)律
3.1 I級粉煤灰對混凝土強度的影響規(guī)律
I級粉煤灰混凝土的配合比及各齡期強度見表3.1.
3.2其它摻合料及其復合物對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律
采用同樣的方法，又研究了II級粉煤灰、礦粉、I級粉煤灰與SP復合摻合料（比例分別為5∶5、7∶3）、I級粉煤灰與礦渣粉復合摻合料（比例為4∶6）對混凝土強度的影響規(guī)律，限于篇幅，這里不再一一詳述。
3.3研究結果
圖1 水膠比為0.50混凝土不同摻合料不同摻量3d、7d、28d、60d抗壓強度對比
圖2水膠比為0.35混凝土不同摻合料不同摻量3d、7d、28d、60d抗壓強度對比
由圖1和圖2可見：
?。?）I級粉煤灰與SP復合料有兩種類型，I型為FA∶SP=5∶5,II型為FA∶SP=7∶3,I型復合摻合料有特殊的早期增強效果，高摻量時早期增強效果很大，在0~70%摻量范圍內，摻量對混凝土強度無顯著性影響，早期強度效果隨水膠比的增大而增大。這是SP復合料作用的結果，它可徹底彌補粉煤灰活性低、特別是早期強度低的特性，具有特殊使用價值。
隨齡期的增長（28d、60d），水膠比的降低，摻I型和II型摻合料混凝土強度都稍高。表明在低水膠比的條件下，粉煤灰活性對混凝土后期強度起作用的結果。
（2）以粉煤灰為代表的摻合料摻用后對混凝土強度的影響，在常規(guī)用水量條件下，其活性的發(fā)揮隨摻量的增大而迅速降低，隨水膠比的增大而降低，隨齡期的增大而增大。[Page]
4 有關高性能混凝土的配制及其抗壓強度的增長規(guī)律
4.1小水膠比、大摻量粉煤灰對抗壓強度的影響規(guī)律
從前述常用混凝土強度等級采用一般萘系減水劑的試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量應不大于30%.為在混凝土中提高粉煤灰的摻量，降低水泥用量，提高混凝土的耐久性和體積穩(wěn)定性，為此我們采取降低水膠比、降低用水量、降低水泥用量進行了試驗，并與目前常用的C30級混凝土強度隨齡期增長規(guī)律對比（見表2中的6、7項），其試驗結果歸納于表2.
由表2可得出以下幾點看法：
?。?）粉煤灰摻量達50%以上時，隨水膠比的降低，早期和后期強度均有提高（如表中第2、4項）；
（2）低水膠比的高摻量粉煤灰混凝土，后期強度增幅相當明顯。例如在水膠比0.35,粉煤灰摻量分別為60%、70%時，180天齡期的抗壓強度為28天齡期的160%左右。可見，采用長齡期作為驗收高摻量粉煤灰混凝土的強度可充分發(fā)揮粉煤灰的后期增強作用。
?。?）高摻量粉煤灰混凝土必須采用低的水膠比，而且水膠比的降低是由于采用環(huán)保型外加劑-聚羧酸等來降低單方混凝土的用水量，而不是采用提高水泥用量的辦法；這是混凝土發(fā)展的必由之路，也是配制高性能混凝土應遵守的原則。
4.2小水膠比高摻量粉煤灰及其復合料配制的混凝土強度發(fā)展規(guī)律
圖3 小水膠比高摻量粉煤灰及其復合料配制的混凝土強度發(fā)展規(guī)律
由圖3可見，在膠凝材料總量和水膠比基本相同的情況下，復合摻合料混凝土強度增長優(yōu)于單摻粉煤灰混凝土。
5 高摻量粉煤灰及其復合摻合料混凝土力學性能
采用I級粉煤灰等量取代水泥30%和50%,常用混凝土等級的水膠比0.50和0.35,為對比還配制了不摻粉煤灰混凝土，其中一種空白混凝土（4組分）和單摻混凝土（5組分），進行了力學性能試驗，其結果列于表3.
由表3可見，隨粉煤灰摻量的提高，混凝土各種力學性能均不同程度的降低，但摻粉煤灰混凝土的抗拉強度比抗壓強度降低的幅度小，從表中拉壓比可見，摻粉煤灰混凝土比不摻的都高，從這一角度而言對提高混凝土的抗裂性是有利的。
6 高摻量粉煤灰混凝土的長期性能及耐久性研究
在常用等級的混凝土中選用水膠比為0.50和0.35,I級粉煤灰的摻量選30%和50%等量替代水泥，進行各項長期性能和耐久性試驗，配合比詳見表4.
6.1 抗碳化性能
相同水膠比條件下隨粉煤灰摻量增加，碳化深度增加。當水膠比為0.35時，混凝土本身致密，除粉煤灰摻量達到50%時，碳化深度為11.8mm外，其余兩組碳化深度均為0mm.粉煤灰摻量相同時，隨水膠比的減少，混凝土的抗碳化能力提高。
6.2混凝土的干燥收縮
圖4混凝土干燥收縮值
不同配合比的混凝土60d后的干燥收縮值趨于平緩，除了水膠比為0.50、粉煤灰摻量為50%的混凝土180d的干燥收縮值達到0.893mm/m外，其余各組混凝土180d的干燥收縮值均未超過0.7mm/m,且數(shù)值比較接近，但相對比較干縮是單摻外加劑混凝土比空白的小，摻粉煤灰的混凝土比單摻外加劑的小。
6.3混凝土的自收縮
自收縮混凝土配合比見表6,檢測結果見圖5.
由圖5可以得出以下幾點分析結果：
?、偎z比對混凝土自收縮有重要影響。圖中曲線A為0.30水膠比的單摻外加劑混凝土，其72h的自收縮值為292x10-6;而水膠比為0.50的空白混凝土，其72h的自收縮值為69x10-6,后者比前者小4倍，后者小到可忽略的程度；再如水膠比為0.30的摻粉煤灰混凝土的72h自收縮為106x10-6（曲線C），而水膠比為0.50的摻粉煤灰混凝土（曲線E），其72h的自收縮值為49x10-6,由此可見無論是摻粉煤灰（50%）混凝土或空白混凝土的自收縮，其水膠比為0.30的比0.50的大2~4倍。
?、诨炷林袚饺敕勖夯液罂捎行p輕自收縮。水膠比相同（0.30）膠凝材料不同的混凝土A,C的72h的自收縮值分別為292x10-6和106x10-6;水膠比同為0.50的混凝土，膠凝材料不同的D、E的72h的自收縮率分別為69x10-6、49x10-6?？梢姺勖夯铱捎行Ы档突炷猎缙谧陨湛s，尤其在小水膠比的混凝土中效果更明顯。
?、刍炷林袚饺牍杌液髸龃笞允湛s。水膠比同為0.30,單摻外加劑混凝土和礦物摻合料不同品種相同摻量的混凝土A、B、C的72h的自收縮率分別為292x10-6、347x10-6、106x10-6.可見僅摻50%粉煤灰等量替代水泥的混凝土收縮率最小，粉煤灰與硅灰的復合的自收縮率大于單摻外加劑混凝土，由此值得出摻硅灰混凝土增加的自收縮，對混凝土的抗裂不利。
圖5混凝土72h自收縮曲線圖
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6.4大摻量粉煤灰混凝土的徐變性能
本項試驗采用30%和50%I級粉煤灰等量替代水泥摻入混凝土，水膠比為0.35,其混凝土配合比見表3中序號5、6.試件要求及徐變試驗按現(xiàn)行國家標準GBJ82規(guī)定進行。
兩組試件的編號為D14-1和D14-2,加荷時的2組混凝土軸壓強度分別為48.0MPa和47.4MPa,試驗時取徐變應力為軸壓強度的40%,即19.2和19.0 MPa.總試驗周期為1年，分15個齡期檢測其徐變值，計算出的徐變值列于表7.
從徐變試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，兩種不同摻量的粉煤灰混凝土，1年齡期的徐變值、徐變度和徐變系數(shù)相差很少，均不超過5%.
6.5大摻量粉煤灰混凝土的抗侵入性能
（1）混凝土氯離子擴散系數(shù)
混凝土配合比見表4.
本試驗采用《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（CCES01-2004,2005修訂版）中的附錄B2混凝土中氯離子擴散系數(shù)快速檢測的NEL方法。其檢測結果列于表8.
水膠比為0.50的混凝土摻外加劑后，氯離子擴散系數(shù)明顯減小。在混凝土中摻入30%、50%的粉煤灰后擴散系數(shù)比空白和單摻混凝土的均有減少。表明在混凝土中摻入粉煤灰后，混凝土的密實性提高。
按該標準附錄B2中表B2-1評價試驗結果均屬于Ⅲ級、混凝土滲透性屬于“低”.
?。?）混凝土抗氯離子滲透性的電通量法
該項試驗方法是采用美國標準ASTMC1202-97《混凝土抗氯離子滲透性的電通評價標準》的方法。其檢測結果列于表9.
由上表可以看出，盡管水膠比均為0.40,膠凝材料總量也相同，不摻摻合料的混凝土電通量為1487.8庫侖，摻50%粉煤灰混凝土的電通量為1074.7庫侖，而摻50%的粉煤灰和礦渣粉復合摻合料混凝土就降低到767.8庫侖，屬于“很低”的滲透性。表中序號C的為進一步降低水膠比摻50%的復合摻合料混凝土，可看出電通量隨水膠比的降低而明顯降低。表明混凝土致密程度在不斷改善。
6.6混凝土的抗凍性能
按表6-1的配合比，慢凍和快凍分別做7個配合比試件，其試驗方法是按現(xiàn)行國家標準GBJ52規(guī)定進行。
快凍與慢凍的試驗結果均表明，0.50水膠比空白混凝土（4組份）抗凍性最差，其余單摻和雙摻混凝土的快凍循環(huán)次數(shù)均大于300次。按CCES01-2004耐久性設計標準規(guī)定的混凝土抗凍性的耐久性指標DF（%）計算，除空白混凝土外，其余混凝土均可滿足使用年限為100年的要求。
6.7混凝土抗硫酸鹽性能
混凝土抗硫酸鹽性能配合比見表10,試驗結果見表11.
按設計要求的混凝土配合比，制作邊長為100mm立方體標準試件，標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d,然后將混凝土試件取出，分別浸泡在5%Na2SO4溶液中和清水中，浸泡齡期為60d.測定混凝土試件在腐蝕介質中和清水中相同齡期相同配合比的抗壓強度，求其抗腐蝕系數(shù)K值。
求K>0.8為合格
各組混凝土試件強度的有關標準要求K值均大于0.8,K值甚至大于1,表明在硫酸鹽溶液中養(yǎng)護的混凝土強度更優(yōu)于清水中養(yǎng)護的混凝土強度，這可能是混凝土試件中的孔隙溶液飽和后，硫酸鹽結晶析出，填充孔隙，但沒有干濕循環(huán)的參與，且由于混凝土試件是完全浸泡在溶液中的，孔隙中的溶液不會蒸發(fā)，硫酸鈉不再結晶，雖然先前有少量結晶析出，但量少還不足以產生足夠的膨脹造成破壞，反而使混凝土更加密實了，有利于強度的增加。[Page]
6.8混凝土耐磨性能試驗
混凝土耐磨性能試驗配合比同表4,其試驗結果見表12.
試驗結果表明，水膠比為0.50時，從單位面積磨損來看，空白混凝土最好；當水膠比為0.35時，摻30%和50%粉煤灰混凝土優(yōu)于單摻外加劑的混凝土，也優(yōu)于0.50水膠比的空白混凝土。給我們的啟示是用于路面、機場跑道等耐磨要求高的混凝土，一定要采用小水膠比的大摻量粉煤灰混凝土，否則應降低粉煤灰的摻量。
6.10混凝土絕熱溫升
混凝土絕熱溫升用配合比見表13.
混凝土絕熱溫升曲線見圖6.
圖6混凝土絕熱溫升曲線
從上圖可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在早期升溫來的特別快，第7天已完成溫升值的90%,第7天到第28天升溫幅度只有5℃左右，28天基本上可代表最終的絕熱溫升值，為42.7℃。
6.11混凝土抗鋼筋銹蝕性能
混凝土中鋼筋銹蝕試驗，采用0.50水膠比，其中2個為摻I級粉煤灰混凝土，摻量分別為30%和50%,另一個是作對比用的單摻外加劑混凝土，其配合比及不同齡期強度列于表14.
鋼筋銹蝕試驗方法按現(xiàn)行國家標準GBJ82規(guī)定進行。該試驗從試件成型到試驗破型要經歷112d,即標準養(yǎng)護28d,碳化28d后再潮濕養(yǎng)護56d取出，破型，先測出碳化深度，然后進行鋼筋銹蝕程度的測定，其測定結果列于表6.13.
從表15可以看出，在水膠比同為0.50時，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的碳化深度和鋼筋的銹蝕失重率迅速增加，如摻50%粉煤灰混凝土的平均碳化深度是不摻粉煤灰混凝土的4倍多，鋼筋銹蝕的失重率比不摻粉煤灰混凝土中的鋼筋銹蝕失重率提高39%;但低水膠比混凝土無論摻不摻粉煤灰，粉煤灰摻量即使達到56%,碳化深度均為零，鋼筋銹蝕失重率明顯比高水膠比的降低。因此，從結構安全的角度出發(fā)，為防止混凝土結構中的鋼筋銹蝕應采取低水膠比或提高結構物的鋼筋保護層厚度。
7 結語
?。?）從實現(xiàn)高性能混凝土綠色的角度出發(fā)，優(yōu)選環(huán)保型原材料，通過優(yōu)化配合比，研究了不同品種摻合料對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響規(guī)律。在混凝土滿足高性能的同時，實現(xiàn)了綠色無毒害的要求，為制備綠色建筑材料提供了指導性建議，同時也為相關標準的制訂與修訂提供了技術支持。
（2）以粉煤灰為代表的活性礦物摻合料可大幅提高混凝土的工作性能、物理力學性能和耐久性能，其對混凝土性能的改善起著比水泥更重要的作用。在目前常規(guī)用水量和水膠比的前提下，不同摻合料的適宜摻加量是不同的。一般而言，粉煤灰的最大摻量不超過30%,礦渣粉的最大摻量不超過50%,粉煤灰與礦渣粉復合后（6∶4）的最大摻量也不超過50%,I級粉煤灰與SP摻合料復合后摻量可放寬到60%.礦物摻合料的摻量與水膠比有重要關系，隨水膠比的降低，摻合料的摻量可適當提高。
?。?）過采用新型外加劑獲得的小水膠比高摻量粉煤灰混凝土（水膠比在O.35及以下），即使粉煤灰摻量達到50%以上時，混凝土仍有較高的早期強度和后期強度，且后期強度穩(wěn)定增長，增幅明顯。
?。?）I級粉煤灰與SP復合料有兩種類型，I型為FA∶SP=5∶5,II型為FA∶SP=7∶3
I型復合摻合料有特殊的早期增強效果，高摻量時早期增強效果很大，早期強度效果隨水膠比的增大而增大。這是SP復合料作用的結果，它可徹底彌補粉煤灰活性低、特別是早期強度低的特性，具有特殊使用價值。隨水膠比的降低，摻粉煤灰混凝土的后期強度有所改善；粉煤灰與礦渣粉按4∶6的比例復合后，其強度發(fā)展與摻純礦渣粉的混凝土不相上下，但遠高于單摻粉煤灰的混凝土，說明不同品種礦物摻合料的復合存在超疊加效應。通過復合手段的應用，充分提高了摻合料的利用價值。
?。?）混凝土中摻加粉煤灰后，可有效減輕混凝土的自收縮，降低水泥的水化熱，改善混凝土的密實性，提高抗氯離子滲透的能力，它不會增加混凝土的干縮，同時抗凍性能和抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)越。但高摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力比同水膠比單摻外加劑的混凝土稍差。
參 考 文 獻
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[3]史定方，高性能混凝土摻合料，上海建材，2004;（5）：17.18
[4]周群，王章夫等，優(yōu)質活性摻合料‘’功能效應‘’的合理應用，混凝土，2002;（12）：30-34
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