利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強(qiáng)高性能混凝土

　　1、引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，帶來物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)，混凝土已逐漸成為人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、生活的基礎(chǔ)?；炷潦且运酁橹饕z凝材料的建筑材料，水泥生產(chǎn)歷來是一種污染源，在其制造過程中，原生資源耗量大，廢氣、粉塵排放量大，水泥的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的惡化已造成不可低估的影響。如何解決建設(shè)發(fā)展對(duì)混凝土的需求和環(huán)境保護(hù)需限制水泥生產(chǎn)的這對(duì)矛盾，需要我們進(jìn)行深入地思考。發(fā)展應(yīng)用綠色混凝土將是解決這矛盾一個(gè)途徑，而高強(qiáng)高性能混凝土又是綠色混凝土發(fā)展的主要方向。這是由于高強(qiáng)高性能混凝土能有效地減輕結(jié)構(gòu)自重，這樣就可大幅度減少水泥和混凝土用量，增加建筑使用面積和縮短施工工期，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)高性能混凝土能大幅度地提高混凝土的耐久性，降低建筑物的維修費(fèi)用和增長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土還能使工程的材料用量及建筑成本將大量減少，生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工能耗也將大量降低，減小對(duì)環(huán)境的破壞。

　　研究高強(qiáng)高性能混凝土技術(shù)途徑就是要嚴(yán)格篩選控制原材料，盡量降低混凝土內(nèi)部的缺陷（如大孔、弱界面、弱體相等結(jié)構(gòu)缺陷）?；炷潦欠莿蛸|(zhì)材料，硬化的混凝土由集料、水泥漿體和界面過渡區(qū)三個(gè)重要環(huán)節(jié)組成。這三個(gè)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則必然影響混凝土的總體性能。

　　2、原材料

　　2.1水泥

　　水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，選擇優(yōu)質(zhì)的水泥對(duì)高強(qiáng)混凝土的配制非常重要。經(jīng)過初期的篩選試驗(yàn)，優(yōu)選的冀東P.O52.5R水泥來配制C90高強(qiáng)高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到63.4MPa。

　　2.2集料

　　對(duì)集料總的要求是巖石強(qiáng)度盡量高、粒形和級(jí)配盡可能好，集料與水泥漿體最好能產(chǎn)生化學(xué)或物理嚙合。本試驗(yàn)采用陜西涇陽(yáng)石灰石碎石，粒徑分別為0～5mm、5～20mm，該產(chǎn)地巖石抗壓強(qiáng)度在120～140MPa之間。細(xì)集料選用西安灞河的中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，為Ⅱ 區(qū)砂。

　　2.3減水劑

　　主要解決配制高強(qiáng)混凝土要求低水膠比、低用水量與工作性之間的矛盾。本試驗(yàn)中選擇了SNF型萘系高效減水劑與XC型聚羧酸系高效減水劑，減水率均在25%以上，外加劑與水泥具有良好的適應(yīng)性，水泥漿體均無出現(xiàn)離析、泌水或閃凝現(xiàn)象。

　　2.4膨脹劑

　　加入混凝土中可改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，提高混凝土的抗裂能力；另一方面水化生成的鈣礬石晶體能填充、堵塞混凝土的毛細(xì)孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)選用HCSA型膨脹劑。

　　2.5礦物摻合料

　　利用礦物摻合料的形態(tài)、微集料、火山灰活性三項(xiàng)效應(yīng)，使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度和工作性得到改進(jìn)，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，對(duì)抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗(yàn)中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，S95型礦渣粉，?？瞎杌?。

　　高強(qiáng)高性能混凝土是一種多組分復(fù)合材料，各組分性能的疊加甚至超疊加效應(yīng)表現(xiàn)得十分明顯。因此，選用兩種或兩種以上礦物摻合料和外加劑同時(shí)摻入混凝土，可以進(jìn)一步改進(jìn)混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。

　　3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　3.1配合比設(shè)計(jì)

　　在完成原材料篩選和性能檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復(fù)摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進(jìn)行了大量混凝土配制試驗(yàn)。配制混凝土?xí)r用水量根據(jù)混凝土拌合性能來確定，要達(dá)到泵送要求。表3.1選取部分代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

　　表3.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土配合比

　　注：①“/”表示該摻量為零；②表中將膨脹劑歸入膠凝材料組分計(jì)算；③“*”代表?yè)降氖禽料蹈咝p水劑，同一列內(nèi)其余的都是摻聚羧酸高效減水劑。

　　3.2混凝土耐久性

　　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是基于材料耐久性的進(jìn)一步深化?；炷两Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，出現(xiàn)損傷甚至損壞，繼而影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能和承載力下降，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

　　課題組在混凝土配制強(qiáng)度達(dá)到C90基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量耐久性試驗(yàn)研究（抗凍性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗裂性等），以確定所研制混凝土的耐久性能情況。

　　4、試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　4.1混凝土拌合性能和強(qiáng)度

　　表4.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土拌合性能和強(qiáng)度

　　注：“*”代表60天齡期抗壓強(qiáng)度。

　　由圖4.1可知，應(yīng)用通用的工藝配制C90強(qiáng)度等級(jí)混凝土，膠凝材料用量要達(dá)到一定量，特別是水泥的用量要適宜（水泥用量≥480kg/m³；《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2002規(guī)定的高強(qiáng)混凝土的水泥用量不應(yīng)大于550 kg/m³）。

　　由于粉煤灰與礦渣粉效應(yīng)互相疊加，從圖4.2可以看出，復(fù)摻摻合料的混凝土后期強(qiáng)度要明顯高于單摻，礦渣粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展作用優(yōu)于粉煤灰。通過試驗(yàn)得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m³、90kg/m³。

　　編號(hào)K-4為萘系高效減水劑的最佳摻量，從圖4.3可看出，聚羧酸高效減水劑性能明顯萘系。聚羧酸高效減水劑摻量對(duì)混凝土性能作用顯著，摻量少達(dá)不到減水效果，無法降低水膠比；摻量過大混凝土出現(xiàn)趴底、泌水，對(duì)強(qiáng)度發(fā)展也不利；最終確定最佳摻量為1.3%（占膠凝材料）。

　　硅灰的超微粉作用顯著，摻適量的硅灰能較大提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但由于硅灰的需水量大，當(dāng)硅灰摻量大于6%時(shí)，混凝土的拌合性能明顯變差，強(qiáng)度相對(duì)于未摻硅灰的混凝土略有下降。

　　4.2混凝土耐久性

　　4.2.1抗凍性

　　在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行1000次的凍融循環(huán)，該混凝土經(jīng)1000次的凍融循環(huán)試驗(yàn)，受檢混凝土的重量損失率為3.4%、相對(duì)動(dòng)彈性模量為91%，滿足《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ 82-85）規(guī)定，表明該混凝土抗凍性能優(yōu)異。

　　4.2.2抗碳化性能

　　試件在28齡期后進(jìn)行碳化試驗(yàn)，碳化28天后將試件破型，在破型的新鮮面噴酚酞酒精溶液，破型面無明顯碳化，僅表層有少量變白。

　　4.2.3抗?jié)B性能

　　養(yǎng)28天后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)從水壓為0.1MPa開始，加壓到抗?jié)B儀的最大加壓值4.0MPa，觀察試件端面的均無出現(xiàn)滲水情況。

　　4.2.4電通量

　　電通量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為924.75庫(kù)侖，說明該混凝土氯離子滲透性很低，即該混凝土具有良好的抗?jié)B性能。

　　4.2.5抗裂性能

　　混凝土抗裂形試驗(yàn)采用《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》中的附錄C圓環(huán)約束法和日本Y.Kasai提出的平板法試驗(yàn)法同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

　　圓環(huán)約束法，圓環(huán)形試樣在成型兩天后有一條細(xì)微的裂縫出現(xiàn)，經(jīng)過15天的連續(xù)觀測(cè)，未有新的裂縫出現(xiàn)，從圖4.5、圖4.6可以看出型15天后圓環(huán)形試樣裂縫寬度非常小，經(jīng)測(cè)量最寬處裂縫的寬度為0.10mm，裂縫深度為6.1mm。

　　平板法試驗(yàn)方法，試件尺寸為600mm×600mm×50mm，與模具一起澆筑成一個(gè)整體，模具上的約束鋼筋位于平板試件的中面周邊，當(dāng)平板收縮時(shí)四周受到約束。按預(yù)定配合比拌合混凝土，澆注、振實(shí)、抹平試件后立即用塑料薄膜覆蓋， 2h后將塑料薄膜取下，放入風(fēng)速8m/s，溫度為30±3℃，濕度為60±5%風(fēng)道中進(jìn)行抗裂試驗(yàn)。24小時(shí)后結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)紀(jì)錄：出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)間、裂縫數(shù)目、裂縫面積。與C60混凝土比較說明。

　　表4.2混凝土平板抗裂法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　從表4.2看出，C90混凝土試樣的抗裂性能相對(duì)于C60混凝土試樣要差些。這是由于C90混凝土試樣的水泥用量大，漿積比大，導(dǎo)致混凝土收縮也大，抗裂性能也就會(huì)下降。因此，對(duì)抗裂性能有要求，則需考慮添加適量纖維，通過纖維的增韌作用起到提高混凝土的抗裂性能。

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　　5、微觀結(jié)構(gòu)分析

　　為了進(jìn)一步分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系，進(jìn)行了混凝土的掃描電鏡、孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)。為了更好說明問題將C90混凝土與同條件下的C60混凝土進(jìn)行對(duì)比說明。

　　5.1掃描電鏡

　　在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)C90混凝土內(nèi)部非常密實(shí)，很少有氣泡或孔隙等一些缺陷，將其與同養(yǎng)護(hù)條件下的C60混凝土進(jìn)行對(duì)比。

　　如圖5.1和5.2所示。從圖中可以看出C90混凝土的密實(shí)程度要好于C60混凝土，C90混凝土內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)如氣泡、孔隙等缺陷，而C60混凝土有較多如圖5.2中的圓形氣泡，氣泡內(nèi)部長(zhǎng)滿的是針狀鈣礬石。

　　圖5.3 和5.4是水泥石中粉煤灰與礦渣粉水化后形態(tài)，齡期為56天，圖中細(xì)白線圈的是礦渣粉。從圖5.3可看出，粉煤灰經(jīng)過56天的水化與膠凝體已很緊密的膠結(jié)在一起，在制樣時(shí)粉煤灰顆粒球體被分部剝離開。從礦渣粉表面看，礦渣粉的水化程度要好于粉煤灰，這也就是在同一條件下?lián)降V渣粉的混凝土早期強(qiáng)度要高于摻粉煤灰的混凝土的原因。

　　另外，試驗(yàn)針對(duì)不同的齡期的混凝土的水泥石和集料間過渡層作了分析。如圖5.6、圖5.7、圖5.8的齡期分別是28天、56天、1年，從圖中可以看出，28天時(shí)水泥石和集料間過渡層又一條明顯的裂縫，這是混凝土集料吸附水形成的水化膜層，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土水化凝膠溶出逐漸填充水膜層。由圖中可以看出，到56天時(shí)裂縫就已經(jīng)變小了；再到了1年的齡期后，水泥石與集料完全結(jié)合在一起，基本看不到裂縫，集料的界面副作用也逐漸減弱。

　　另外，從圖5.9種可以看出，水泥石水化凝膠體中出現(xiàn)些微裂縫。這是由于高強(qiáng)混凝土密實(shí)度很高，外界水分很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部，混凝土在后期水化缺少水分而形成的干縮裂縫，從圖中可看出最寬處的寬度達(dá)到1000nm。

　　5.2孔分析

　　根據(jù)吳中偉教授對(duì)孔徑影響混凝土耐久性的4個(gè)分級(jí)（表5.1），這微裂縫屬于多害孔，這些裂縫將對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。在同濟(jì)大學(xué)的孔分析結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了存在這問題，如圖5.10所示。

　　表5.1孔徑對(duì)耐久性的影響分級(jí)

　　相同養(yǎng)護(hù)條件下，C60混凝土與C90混凝土的孔分布情況：

　　表5.2 C60混凝土與C90混凝土的總孔量和孔分布比較

　　根據(jù)表5.2繪制出圖5.10：

　　由圖5.10可以看出，雖然C90混凝土的強(qiáng)度高，但其孔隙量卻要大于C60混凝土，特別是多害孔C90混凝土是C60混凝土的兩倍多，這與C90混凝土掃描電鏡觀測(cè)到的硬化干縮裂縫一致，其原因是C90混凝土試樣的水泥用量大，漿積比大，水膠比低，混凝土水化收縮也就大，后期水化水分不充足，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生應(yīng)力收縮出現(xiàn)裂縫。因此，如何防阻高強(qiáng)混凝土內(nèi)部干縮裂縫產(chǎn)生這問題，還有待于廣大科研工作者深入研究。

　　6、結(jié)論

　　通過大量的試驗(yàn)研究，課題組利用陜西地區(qū)原材料，成功了配制出具有優(yōu)良的拌和性能、適用于泵送施工，并具有良好耐久性，抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C90的高強(qiáng)高性能混凝土?？偨Y(jié)課題研究得出以下幾條結(jié)論：

　　1）聚羧酸系高效減水劑配制混凝土性能明顯優(yōu)于萘系配制混凝土性能，并確定XC聚羧酸系高效減水劑的最佳摻量是1.3%；

　　2）礦物摻合料復(fù)摻對(duì)混凝土性能改進(jìn)優(yōu)于單摻作用；

　　3）超細(xì)礦物摻合料是配制強(qiáng)度等級(jí)C90及以上的高強(qiáng)混凝土必要選擇；

　　4）本課題研究最終確定配制C90高強(qiáng)高性能混凝土的最佳配合比：

　　5）高強(qiáng)混凝土膠凝材料用量較大，水膠比低，混凝土存在收縮開裂問題，有待于進(jìn)一步深入研究。

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