C30高性能混凝土的配制与研究

2018-05-03李文龙刘玮雯张凯峰刘天云吴凯王建徐力

商品混凝土 2018年4期

李文龙，刘玮雯，张凯峰，刘天云，吴凯，王建，徐力

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西西安 710086；2. 武汉市洪山高级中学，湖北武汉 430075）

0 概述

高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质材料，除了水泥、水、骨料以外，必须掺加足够数量的掺合料与高效外加剂，具有高耐久性、高工作性、满足工程需要的力学性能、体积稳定性以及经济合理性[1-3]。

建筑结构对混凝土材料性能的要求是高性能混凝土产生的根本原因，而高性能混凝土应用的环保节能效应，则使其推广不仅成为一种可能，也成为一种需要。作为其重要组成部分的外加剂和掺合料[4-6]，不但合理利用了工业废液、废料，而且大大降低了水泥和水的用量，同时使混凝土获得卓越的性能，其社会和经济意义显而易见。因此，混凝土的高性能化[7]成为混凝土材料发展的必然趋势。

目前国内外大量研究与生产应用的高性能混凝土均属于高强混凝土，基本都在 C60 及以上。而事实上，在我国大约 90% 以上属于 C20～C40 强度等级的普通混凝土，如何使这些混凝土获得高性能，提高其使用寿命，对节省资源和资金均有重大意义[8-10]，同时也可以减少由于混凝土及钢筋混凝土[11]过早毁坏而带来的环境污染。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

采用声威 P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，具体指标如表 1 所示。

表1 水泥技术性能指标

采用渭河电厂的Ⅱ级粉煤灰，烧失量 4.6%、需水量比 102%、细度 22.7%；采用西安德龙 S95 级矿粉，28d 活性 98%、比表面积 460m2/kg、净浆流动度104%；西安渭河水砂，细度模数 2.2、含泥量 3.6%、泥块含量 1.0%；西安渭河 5～31.5mm连续级配卵石，含泥量 3.9%、泥块含量 0.9%；高效聚羧酸减水剂，固含量 10.6%、减水率 23%；采用普通地下水。

1.2 试验方法

按照“原材料性能检测—混凝土配合比设计—试配验证—配合比数据库”的工作思路，分析粉煤灰、矿渣粉复掺掺量，不同矿渣粉、粉煤灰复掺比例，及含气量对混凝土工作性能、力学性能及经济性能的影响。

2 配合比设计

结合以往工程经验并参照相关技术规程，采用质量法进行混凝土配合比设计，本次配合比设计标准差采用当地某搅拌站近三个月生产 C30 产品标准差 4.00MPa；水泥 28d 强度采用该搅拌站近 3月水泥 28d 强度平均值50.7MPa；为满足高性能混凝土工作性能要求，将坍落度设计为 (200±20)mm。具体配合比如表 2～4 所示。

表2 不同粉煤灰、矿渣粉复掺掺量混凝土配合比

表3 不同粉煤灰、矿渣粉复掺比例混凝土配合比

表4 不同含气量混凝土配合比

3 结果与讨论

3.1 不同粉煤灰、矿渣粉复掺掺量对于混凝土性能影响

试验结果见表 5 和图 1、2。

表5 不同粉煤灰、矿渣粉复掺掺量试验结果

如图表所示，在水胶比一定的情况下，随着粉煤灰、矿渣粉复掺掺量增加，混凝土 7d、28d 强度呈逐渐降低，富余系数逐步降低，但强度都能够达到设计要求；随着复掺掺量的增加，混凝土单方成本逐步下降的同时，混凝土工作性逐步提高。

粉煤灰及矿渣粉等量取代水泥后，使得水泥用量降低，水泥水化生成物减少，导致混凝土内部存在较大的孔隙和较多敞开的毛细孔，结构密实性变差，进而混凝土强度降低。

图 1 掺合料复掺掺量对力学性能的影响

图2 掺合料复掺掺量对工作性能、经济性的影响

掺用粉煤灰能够增大混凝土浆体体积，使得大量的浆体填充在集料间的孔隙，包裹并润滑集料颗粒，提高粘聚性和可塑性；球状玻璃颗粒可以减少浆体骨料间的界面摩擦，在集料的接触点起到滚动轴承作用，提高和易性；矿粉的颗粒比水泥细，填充水泥颗粒间的空隙，达到进一步密实，使水泥颗粒间的自由水得以释放，从而提高了混凝土的流动性。粉煤灰提高新拌混凝土的和易性以改善由于矿粉的掺入所导致的混凝土粘聚性提高和泌水增大的趋势，使新拌混凝土得到最佳的流动性和粘聚性的组合，实现粉煤灰和矿粉的“工作互补效应”。

3.2 不同矿渣粉、粉煤灰复掺比例对于混凝土性能影响

试验结果见表示 6 和图 3、4。

表6 不同粉煤灰、矿渣粉复掺比例混凝土试验结果

图3 掺合料复掺比例对力学性能的影响

图4 掺合料复掺比例对工作性能、经济性的影响

从图表中可以看出，当水胶比大致相同、掺合料复掺掺量为 50% 时，逐步提高粉煤灰比例、降低矿渣粉比例，混凝土强度小幅下降但满足设计要求，混凝土工作性基本维持在较高水平，单方主材成本得到大幅下降；其中当粉煤灰掺量占比 40%、矿粉掺量占比 10%时，各项指标为最佳，单方成本 183.2 元、坍落度扩展度分别为 220mm 和 580mm、28d 抗压强度 36.8 MPa。

粉煤灰和矿渣复合使用时，首先水泥水化产生大量Ca(OH)2，在 Ca(OH)2的作用下，矿粉立即水化生成大量的低密度水化硅酸钙、钙矾石。这些具有大比表面积的水化产物聚集在粉煤灰颗粒周围，起着晶核的作用，从而加速粉煤灰的水化反应。其次，由于矿粉的碱度远大于粉煤灰，矿粉水化时，将提高胶凝材料体系中的碱度，粉煤灰的玻璃相就会被破坏，粉煤灰的水化反应速度提高。随着粉煤灰的快速反应，大量的晶核被消耗，同时浆体体系中的碱度也迅速降低，这又会加快矿粉的水化速度。粉煤灰和矿粉在混凝土中的复合应用，不仅可以利用矿粉的晶核作用，还可以提高混凝土的碱度，激发粉煤灰的活性，充分发挥两者“强度互补效应”，当粉煤灰掺量 20%，矿粉掺量 30% 时，混凝土强度在下降的趋势中略有提高，“强度互补效应”尤为明显。

3.3 含气量对混凝土性能的影响

试验结果见表 7 和图 5。从图表中可以看出，随着含气量的增加，混凝土 7d、28d 强度主体呈下降趋势，工作性逐步提高。当含气量在 3%～6% 之间，混凝土强度满足设计要求的同时，混凝土整体状态松软，包裹性及粘聚性得到大幅提高，其中倒坍落度时间均在 3s以内、T500时间均在 8s 以内。

表7 不同含气量混凝土试验结果

图5 含气量对力学性能、工作性能的影响

当含气量在 1.4%～2.5% 区间提升时，生成的气泡占用或夺取了未来聚集在界面区的水分，使界面结构改善，水泥浆中水灰比的降低，增强了抗压强度；当含气量在 2.5%～6% 区间提升时，浆体中气泡过多会导致部分被挤到界面区，使气泡在界面区富集进而在集料周围形成类似蜂窝状结构，降低水泥石的密实度，导致混凝土强度下降。

混凝土中引入大量均匀分布、相互独立的类球形微小气泡能够增加水泥浆体体积、提高浆体粘度，在混凝土中起到滚珠效应、减少骨料间摩擦、增强润滑作用，从而使混凝土的工作性得到改善。增加的气泡使得混凝土的内聚力和均匀性都在增加，气泡黏着固体颗粒可以减小其下沉的趋势，同时也减小水的流动性进而降低混凝土的泌水和离析。观察分析本次试验数据，混凝土含气量每增加 1%，混凝土坍落扩展度提高约 20mm。