利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強高性能混凝土

　　1、引言

　　隨著社會經(jīng)濟和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，帶來物質(zhì)文明高度發(fā)達，混凝土已逐漸成為人類社會、經(jīng)濟、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)展對混凝土的需求和環(huán)境保護需限制水泥生產(chǎn)的這對矛盾，需要我們進行深入地思考。發(fā)展應(yīng)用綠色混凝土將是解決這矛盾一個途徑，而高強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)濟效益。高強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用和增長使用壽命。同時應(yīng)用高強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)、運輸和施工能耗也將大量降低，減小對環(huán)境的破壞。

　　研究高強高性能混凝土技術(shù)途徑就是要嚴格篩選控制原材料，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)三個重要環(huán)節(jié)組成。這三個節(jié)環(huán)環(huán)相扣，任何一個環(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)的水泥對高強混凝土的配制非常重要。經(jīng)過初期的篩選試驗，優(yōu)選的冀東P.O52.5R水泥來配制C90高強高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強度達到63.4MPa。

　　2.2集料

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

　　2.3減水劑

　　主要解決配制高強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、堵塞混凝土的毛細孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。本試驗選用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、火山灰活性三項效應(yīng)，使混凝土強度、密實度和工作性得到改進，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，對抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠Ⅰ級粉煤灰，S95型礦渣粉，埃肯硅灰。

　　高強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摻入混凝土，可以進一步改進混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。

　　3、實驗內(nèi)容

　　3.1配合比設(shè)計

　　在完成原材料篩選和性能檢驗基礎(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，進行了大量混凝土配制試驗。配制混凝土?xí)r用水量根據(jù)混凝土拌合性能來確定，要達到泵送要求。表3.1選取部分代表性數(shù)據(jù)進行說明。

　　表3.1 C90高強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算；③“*”代表摻的是萘系高效減水劑，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，最終影響整個結(jié)構(gòu)的安全。

　　課題組在混凝土配制強度達到C90基礎(chǔ)上，進行了大量耐久性試驗研究（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、試驗結(jié)果與分析

　　4.1混凝土拌合性能和強度

　　表4.1 C90高強高性能混凝土拌合性能和強度

　　注：“*”代表60天齡期抗壓強度。

　　由圖4.1可知，應(yīng)用通用的工藝配制C90強度等級混凝土，膠凝材料用量要達到一定量，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)計規(guī)程》JGJ55-2002規(guī)定的高強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度要明顯高于單摻，礦渣粉對混凝土早期強度發(fā)展作用優(yōu)于粉煤灰。通過試驗得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m³、90kg/m³。

　　編號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混凝土性能作用顯著，摻量少達不到減水效果，無法降低水膠比；摻量過大混凝土出現(xiàn)趴底、泌水，對強度發(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度。但由于硅灰的需水量大，當(dāng)硅灰摻量大于6%時，混凝土的拌合性能明顯變差，強度相對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28天后進行1000次的凍融循環(huán)，該混凝土經(jīng)1000次的凍融循環(huán)試驗，受檢混凝土的重量損失率為3.4%、相對動彈性模量為91%，滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（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齡期后進行碳化試驗，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天后進行抗?jié)B試驗，試驗從水壓為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

　　電通量試驗測試結(jié)果為924.75庫侖，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

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

　　圓環(huán)約束法，圓環(huán)形試樣在成型兩天后有一條細微的裂縫出現(xiàn)，經(jīng)過15天的連續(xù)觀測，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)測量最寬處裂縫的寬度為0.10mm，裂縫深度為6.1mm。

　　平板法試驗方法，試件尺寸為600mm×600mm×50mm，與模具一起澆筑成一個整體，模具上的約束鋼筋位于平板試件的中面周邊，當(dāng)平板收縮時四周受到約束。按預(yù)定配合比拌合混凝土，澆注、振實、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)道中進行抗裂試驗。24小時后結(jié)束試驗，試驗紀(jì)錄：出現(xiàn)第一條裂縫時間、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數(shù)據(jù)

　　從表4.2看出，C90混凝土試樣的抗裂性能相對于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，抗裂性能也就會下降。因此，對抗裂性能有要求，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。

[Page]

　　5、微觀結(jié)構(gòu)分析

　　為了進一步分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系，進行了混凝土的掃描電鏡、孔結(jié)構(gòu)分析試驗。為了更好說明問題將C90混凝土與同條件下的C60混凝土進行對比說明。

　　5.1掃描電鏡

　　在進行掃描電鏡試驗時，發(fā)現(xiàn)C90混凝土內(nèi)部非常密實，很少有氣泡或孔隙等一些缺陷，將其與同養(yǎng)護條件下的C60混凝土進行對比。

　　如圖5.1和5.2所示。從圖中可以看出C90混凝土的密實程度要好于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度要高于摻粉煤灰的混凝土的原因。

　　另外，試驗針對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，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。這是由于高強混凝土密實度很高，外界水分很難進入混凝土內(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到1000nm。

　　5.2孔分析

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

　　表5.1孔徑對耐久性的影響分級

　　相同養(yǎng)護條件下，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，抗壓強度等級達到C90的高強高性能混凝土?？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)摻對混凝土性能改進優(yōu)于單摻作用；

　　3）超細礦物摻合料是配制強度等級C90及以上的高強混凝土必要選擇；

　　4）本課題研究最終確定配制C90高強高性能混凝土的最佳配合比：

　　5）高強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，有待于進一步深入研究。

　　參考文獻：

　　[1] 蒲心誠等. 100-150MPa超高強高性能混凝土的配制技術(shù)[J]混凝土與水泥制品1998N o.6

　　[2] 譚克鋒. 鋼管與超高強混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能及承載能力研究[D].重慶建筑大學(xué)博士學(xué)位論文.

　　[3]黃士元等. 近代混凝土技術(shù)—當(dāng)代土木建筑科技叢書[M]西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998

　　[4] 張璐明等. 80-90MPa粉煤灰高性能混凝土研制及其性能[J]高強高性能混凝土1997.

　　[5] 王一光等. 裹砂石法配制C80-C90高性能混凝土試驗[J]建筑技術(shù)1991.1

　　[6] 蒲心誠等. 100-150MPa超高強高性能混凝土的強度與流動性影響因素研究[J]混凝土， 2002，(10)

　　[7] 姚武. 高強混凝土的原材料選擇[J]中國港灣建設(shè) 2000.2第1期

　　[8] 龔建清，曹榮奎. 礦物微粉對水泥基混合料抗壓強度的影響[J]企業(yè)技術(shù)開發(fā)第2008年3月，27卷第3期

　　[9] 盧木. 混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向.工業(yè)建筑.1997，27(5)