利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強高性能混凝土

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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。混凝土是以水泥為主要膠凝材料的建筑材料，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構自重，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途徑就是要嚴格篩選控制原材料，盡量降低混凝土內部的缺陷。混凝土是非勻質材料，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部的應力狀態(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，改善混凝土的孔結構。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，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，改善孔結構，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，?？瞎杌?。

高強高性能混凝土是一種多組分復合材料，各組分性能的疊加甚至超疊加效應表現(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、實驗內容

3.1配合比設計

在完成原材料篩選和性能檢驗基礎上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進行了大量混凝土配制試驗。配制混凝土時用水量根據(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

混凝土結構耐久性是基于材料耐久性的進一步深化?；炷两Y構在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時間的推移，材料逐漸老化和結構性能不斷劣化，出現(xiàn)損傷甚至損壞，繼而影響建筑結構的使用功能和承載力下降，最終影響整個結構的安全。

課題組在混凝土配制強度達到C90基礎上，進行了大量耐久性試驗研究，以確定所研制混凝土的耐久性能情況。

4、試驗結果與分析

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。

由于粉煤灰與礦渣粉效應互相疊加，從圖4.2可以看出，復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%。

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

在標準養(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》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量驗收補充標準》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，當平板收縮時四周受到約束。按預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，放入風速8m/s，溫度為30±3℃，濕度為60±5%風道中進行抗裂試驗。24小時后結束試驗，試驗紀錄：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。