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)。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(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。混凝土是非勻質(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，埃肯硅灰。

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

編號(hào)	水膠比	水	水泥	砂	石	粉煤灰	礦渣粉	硅灰	膨脹劑	聚羧酸/萘系*
K-3	0.24	136.7	385	646	1149	110	55	/	23.1	7.15
K-4	0.25	143.3	385	646	1149	110	55	/	23.1	17.2*
K-12	0.22	140	450	754	999	150	/	/	27	8.15
K-14	0.23	145.3	450	754	999	60	90	/	27	8.15
K-15	0.23	146.7	450	754	999	/	150	/	27	8.15
K-21	0.22	140	450	701	1052	90	60	/	27	6.27
K-23-1	0.21	140	480	700	/	1050	90	60	30	8.58
K-23-2	0.19	127.5	480	700	/	1050	90	60	30	25.74
K-25	0.21	142	480	700	1050	90	60	12.9	30	8.58
K-28	0.21	152	480	700	1050	90	60	54.8	30	8.58

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(jìn)一步深化。混凝土結(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，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

編號(hào)	擴(kuò)展度/mm	坍落度/mm	R3/MPa	R7/MPa	R28/MPa	R56、R60*/MPa
K-3	240	640	55.4	76.2	80.4	/
K-4	265	570	52.3	68.1	76.6	/
K-12	260	660	61.6	77.4	87.1	/
K-14	260	610	66.0	81.7	89.3	/
K-15	250	620	71.6	79.5	86.5	/
K-21	245	600	70.9	77.0	89.5	91.7
K-23-1	260	650	71.9	81.2	92.6	99.5
K-23-2	265	670	68.2	81.1	86.9	95.0
K-25	255	630	71.5	88.1	100.8	109.3*
K-28	200	510	68.2	82.6	90.8	97.2*

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。

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%。

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》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)

試驗(yàn)環(huán)境	環(huán)境溫度為 26 ℃，相對(duì)濕度為 60 % ；風(fēng)速 8 m/s。
C60混凝土實(shí)測(cè)值	初裂時(shí)間，h	5.0	平均裂開面積，mm2/根	68.3
C60混凝土實(shí)測(cè)值	開裂裂縫數(shù)目，根/ m2	8.3	單位面積上的總裂開面積，mm2/m2	566.9
C90混凝土實(shí)測(cè)值	初裂時(shí)間，h	2.5	平均裂開面積，mm2/根	18.3
C90混凝土實(shí)測(cè)值	開裂裂縫數(shù)目，根/ m2	33.3	單位面積上的總裂開面積，mm2/m2	609.4