復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土試驗(yàn)研究

王成啟，張悅?cè)?/p>

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國(guó)東海大橋、杭州灣大橋以及洋山深水港等海港碼頭和跨海大橋均采用海工高性能混凝土，以提高混凝土的耐久性[1-4]。在某些情況下，海洋工程的建設(shè)對(duì)高性能混凝土提出了更高的要求，例如，某些海洋工程的大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)荷載大，配筋密集，振搗困難，容易產(chǎn)生蜂窩、麻面、氣泡、空洞等缺陷，從而對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生影響。采用高性能自密實(shí)混凝土可使混凝土流動(dòng)性明顯增大，同時(shí)，也具有足夠的塑性黏度，依靠自重自流平、自密實(shí)，充滿模板和包裹鋼筋。因此，研究海工自密實(shí)高性能混凝土以滿足海洋環(huán)境高性能混凝土施工需要，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。

粉煤灰是配制高性能混凝土最常用的摻合料，摻入粉煤灰可改善混凝土的工作性和耐久性，并可降低混凝土的絕熱溫升，是配制高性能混凝土的主要途徑之一[5-8]，也是配制自密實(shí)混凝土的常用礦物摻合料[9-11]。石灰石粉具有減水、填充和顆粒形貌效應(yīng)，可有效改善混凝土的工作性，石灰石粉具有一定活性[12-13]，也是改善海工自密實(shí)混凝土工作性的有效途徑之一。本文通過自密實(shí)混凝土原材料的優(yōu)選，開展復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

采用臺(tái)泥句榮52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥。對(duì)水泥的強(qiáng)度等級(jí)、安定性、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，其性能指標(biāo)見表1，其安定性合格，性能達(dá)到了GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[14]中52.5Ⅱ型硅酸鹽水泥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2 粉煤灰

采用鎮(zhèn)江諫壁發(fā)電廠生產(chǎn)的蘇源牌Ⅰ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示，達(dá)到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[15]的質(zhì)量要求。

表2 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.3 石灰石粉

采用浙江省湖州石粉廠生產(chǎn)的400目石灰石粉，其化學(xué)組成如表3所示。采用勃氏法，400目石灰石粉的比表面積為495 m2/kg，密度為2.71 g/cm3。

表3 石灰石粉的化學(xué)組成 %

1.4 骨料

1.4.1 細(xì)骨料

采用河砂，性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表4、表5所示。由表4和表5可知，該河砂為細(xì)度模數(shù)2.76的Ⅱ區(qū)中砂，級(jí)配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]的質(zhì)量基本要求。河砂中粒徑小于0.16 mm的石粉含量為1.4%。符合國(guó)內(nèi)外對(duì)自密實(shí)混凝土細(xì)骨料的基本要求。

表4 砂的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.4.2 粗骨料

由于海工自密實(shí)高性能混凝土多用于薄壁構(gòu)件以及鋼筋較為密集的混凝土構(gòu)件，粗骨料的粒徑不宜過大。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，粗骨料的最大粒徑不宜大于20 mm，否則將增大混凝土拌合物的流動(dòng)阻力和分層離析的幾率。

表5 砂級(jí)配測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，由5～10 mm和10～20 mm兩級(jí)配配制而成，并將兩級(jí)配的碎石分別進(jìn)行比例為1∶9、2∶8、3∶7篩分試驗(yàn)，其性能指標(biāo)及篩分試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7所示。從表6可以看出，粗骨料最大粒徑小于20 mm，針片狀顆粒含量小于8%，空隙率小于40%，含泥量不大于1%，泥塊含量不大于0.5%，滿足配制自密實(shí)混凝土的基本要求。從表7的篩分試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由兩級(jí)配比例3∶7配制的連續(xù)級(jí)配的碎石級(jí)配良好，滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》級(jí)配要求。因此，采用兩級(jí)配比例3∶7的碎石配制海工自密實(shí)混凝土。

表6 粗骨料的性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表7 粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果

1.5 減水劑

采用巴斯夫有限公司RP25聚羧酸高效減水劑，其性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表8所示，其減水率均達(dá)到GB 8076—2008《混凝土外加劑》[17]的質(zhì)量要求。

表8 聚羧酸高效減水劑檢測(cè)結(jié)果

2 混凝土配合比與試驗(yàn)方法

2.1 混凝土配合比

分別配制單摻石灰石粉和復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土，粉煤灰與石灰石粉摻量為10%、20%和30%，測(cè)試混凝土的拌合物的工作性、強(qiáng)度和耐久性，混凝土的配合比如表9所示。

表9 復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土的配合比kg·m-3

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 工作性試驗(yàn)

工作性能主要包括坍落度、坍落擴(kuò)展度、T500、L型儀、V型儀、U型儀拌合物穩(wěn)定性跳桌等試驗(yàn)，工作性試驗(yàn)方法參照CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和CECS 203：2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.2.2 耐久性試驗(yàn)

耐久性試驗(yàn)主要包括電通量、擴(kuò)散系數(shù)和碳化試驗(yàn)等。電通量試驗(yàn)按ASTM C 1202《混凝土抗氯離子滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行；擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)分別按NT BUILD 443《硬化混凝土：快速氯離子侵蝕試驗(yàn)方法》[18]和GBJ 82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（RCM法）[19]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[20]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論分析

3.1 拌合物性能

3.1.1 流動(dòng)性和填充性試驗(yàn)

測(cè)試了粉煤灰混凝土的流動(dòng)性和填充性參數(shù)，坍落擴(kuò)展度、T500流動(dòng)時(shí)間、V型漏斗通過時(shí)間等試驗(yàn)結(jié)果如表10。從表10可以看出，單摻20%的400目石灰石粉自密實(shí)混凝土均具有較大的坍落度和坍落擴(kuò)展度，T500流動(dòng)時(shí)間和V型漏斗通過時(shí)間有所降低，當(dāng)石灰石粉摻量為20%時(shí)，復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉的自密實(shí)混凝土具有較高的坍落擴(kuò)展度，T500流動(dòng)時(shí)間和V型漏斗通過時(shí)間最小，混凝土拌合物的流動(dòng)性和填充性最好；復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度比單摻石灰石粉自密實(shí)混凝土有所增加，T500流動(dòng)時(shí)間和V型漏斗通過時(shí)間也有所增加。

表10 復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和填充性測(cè)試結(jié)果

3.1.2 間隙通過性試驗(yàn)

表征自密實(shí)混凝土拌合物間隙通過性采用L型儀測(cè)試高度比（H2/H1），U型儀測(cè)試填充高度。測(cè)試結(jié)果如表11所示?？梢钥闯觯瑔螕?0%石灰石粉自密實(shí)混凝土L型儀高度比和U型儀填充高度均較大，間隙通過性能改善。從表11還可以看出，在粉煤灰和石灰石粉總摻量為40%的情況下，當(dāng)石灰石粉摻量為20%時(shí)，復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土L型儀高度比和U型儀填充高度較大，具有較高的間隙通過能力；復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土的間隙通過性比單摻石灰石粉自密實(shí)混凝土有所提高。3.1.3 抗離析穩(wěn)定性試驗(yàn)

表11 復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土間隙通過性測(cè)試結(jié)果

進(jìn)行混凝土拌合物穩(wěn)定性跳桌試驗(yàn)，判斷自密實(shí)混凝土的抗離析穩(wěn)定性，其測(cè)試結(jié)果如表12所示?？梢钥闯?，隨著石灰石粉摻量的增加，自密實(shí)混凝土粗骨料振動(dòng)離析率均具有不斷降低趨勢(shì)，摻入20%的石灰石粉自密實(shí)混凝土具有較低振動(dòng)離析率；從表12還可以看出，復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土粗骨料振動(dòng)離析率在5.0%～7.5%之間，且隨著石灰石粉摻量增加有下降的趨勢(shì)，具有較高抗離析穩(wěn)定性。

表12 復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土抗離析性

3.2 抗壓強(qiáng)度

測(cè)試了單摻石灰石粉自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、含氣量和表觀密度，測(cè)試結(jié)果如表13。表13表明，不同細(xì)度和摻量石灰石粉混凝土的含氣量在1.2%～1.6%之間，變化不大；混凝土的表觀密度在2 406～2 437 kg/m3之間，石灰石粉對(duì)混凝土含氣量和表觀密度影響不大；隨著石灰石粉摻量的增加，7 d、28 d、56 d和90 d的抗壓強(qiáng)度均有所下降，摻入10%～30%石灰石粉自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均高于60 MPa，在64.3～76.1 MPa之間。

表13 復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉自密實(shí)混凝土的含氣量、表觀密度和抗壓強(qiáng)度

從表13還可以看出，復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土的含氣量在0.7%～1.0%之間，表觀密度在2 380～2 400 kg/m3之間，含氣量與表觀密度變化不大；復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均大于50 MPa，在52.1～54.1 MPa之間，90 d的抗壓強(qiáng)度還會(huì)繼續(xù)增加，在60.5～63.1 MPa之間，具有較高的抗壓強(qiáng)度，滿足海工混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度要求。

3.3 耐久性

開展了粉煤灰自密實(shí)混凝土的耐久性試驗(yàn)，包括電通量、RCM法擴(kuò)散系數(shù)和NTBUILD443擴(kuò)散系數(shù)，28 d、56 d和90 d的電通量和擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試結(jié)果分別如表14所示?？梢钥闯?，隨著齡期的增加，混凝土的電通量逐漸降低；隨著石灰石粉摻量的增加，自密實(shí)混凝土的電量沒有明顯的降低，56 d和90 d的電通量均大于1 000 C，表明單摻石灰石粉混凝土的抗氯鹽侵蝕性能不高；混凝土擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律與電通量基本相同，自密實(shí)混凝土的56 d擴(kuò)散系數(shù)均大于3.0×10-12m2/s，90 d擴(kuò)散系數(shù)均大于2.5×10-12m2/s。因此，單摻石灰石粉混凝土的抗氯鹽侵蝕性能不高，需采用復(fù)合礦物摻合料配制海工自密實(shí)高性能混凝土。

表14 復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土的電通量和擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試結(jié)果

從表14還可以看出，摻入20%石灰石粉自密實(shí)高性能混凝土電通量較低，56 d和90 d的電通量均小于1 000 C；擴(kuò)散系數(shù)與電通量基本相同，摻入20%的石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土擴(kuò)散系數(shù)較低，90 d的擴(kuò)散系數(shù)均小于1.5×10-12m2/s。因此，復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉自密實(shí)混凝土的摻合料總摻量宜控制在40%左右，粉煤灰摻量宜為10%～30%，石灰石粉摻量宜為10%～30%。

4 結(jié)語

通過優(yōu)選原材料和配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了復(fù)摻粉煤灰與石灰石粉海工自密實(shí)高性能混凝土，包括工作性、抗壓強(qiáng)度和耐久性等性能指標(biāo)，并優(yōu)選出復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉的組成。在粉煤灰和石灰石粉摻量為40%的條件下，摻入10%～30%粉煤灰自密實(shí)混凝土具有較高的流動(dòng)性、填充性、間隙通過性和抗離析性等性能，滿足自密實(shí)混凝土的施工要求；同時(shí)，具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗氯鹽侵蝕耐久性，28 d抗壓強(qiáng)度大于50 MPa，56 d的電通量小于1 000 C，90 d擴(kuò)散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s，滿足海洋環(huán)境下抗氯鹽侵蝕的耐久性要求。

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