S105級礦粉在超高強混凝土中的應用探索

文蓓蓓 高 博

（武漢武新新型建材有限公司，湖北 武漢 430080）

前言

1.1 超高強混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

近十年來，高強混凝土特別是超高強混凝土的研究與發(fā)展已受到了各國研究機構(gòu)與工程部門的廣泛重視，在美國、日本、挪威及西德已有用抗壓強度達到100 MPa左右的超高強混凝土建造橋梁貯油灌及高層建筑的工程實例[1]，特別是挪威已經(jīng)頒布了有關(guān)高強混凝土的標準[2]，而且有關(guān)超高強混凝土的原材料、配合比、和易性、強度、收縮、徐變、耐久性及力學行為等各項性能的研究正方興未艾，取得了可喜的成果。在國內(nèi)，高強混凝土也開始引起學術(shù)界和工程界的重視，1992年6月由中國土木工程學會、混凝土與預應力混凝土學會所屬高強混凝土委員會在清華大學組織召開的“高強混凝土及其應用第一屆學術(shù)討論會”交流了我國高強混凝土的研究情況，與起步較早的國家相比，我們的研究水平還比較落后，特別是28d的強度多在70MPa～80MPa之間徘徊，100MPa以上的超高強混凝土的應用實例還比較少見。

1.2 超高強混凝土的原材料要求

隨著科學技術(shù)和建筑業(yè)的發(fā)展，社會對建筑材料提出更高要求，不僅要滿足設計要求、施工可行性，還要遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因而在保證混凝土強度要求的前提下，合理選擇優(yōu)質(zhì)摻合料，最大限度地降低水泥用量，是改善混凝土諸多技術(shù)性能的有效途徑，也是高性能混凝土需要重點研究和解決的課題。

目前，硅灰是我國配制超高強混凝土的必用材料之一，對于提高混凝土的早期強度以及耐久性效果明顯。但硅灰是一種稀缺資源，價格很高，不利于超高強混凝土的大規(guī)模推廣應用。而且有研究表明：使用硅灰的超高強混凝土收縮加大，后期強度存在倒縮的現(xiàn)象[3]。

1.3 S105級礦粉性能優(yōu)勢

S105級礦粉是采用生鐵冶煉中排除的高溫熔渣并經(jīng)水淬處理后的粒化高爐礦渣，經(jīng)干燥、粉磨等工藝處理后得到的具有規(guī)定細度及顆粒級配并滿足相應活性指標要求的粉料，其應用在高強混凝土中能改善混凝土后期強度，減小混凝收縮，并在一定程度上提高混凝土的耐久性[4]，并具有綠色環(huán)保特性，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

礦粉目前在高強混凝土中的應用以S95為主。S105礦粉較S95礦粉活性更高，性能更優(yōu)良，由于生產(chǎn)工藝等方面原因，應用很少。

本文在分析國外學者對超高強混凝土研究的基礎上[5]，結(jié)合國內(nèi)的原材料，利用硅灰的早強特性與礦粉的后期強度增長起到互補作用，通過采用雙摻硅灰和礦粉的方法來克服超高強混凝土收縮大，后期強度倒縮[6]，并研究了S105礦粉全取代S95礦粉以及部分取代硅灰對C100超高強混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。

2 試驗部分

2.1 原材料

水泥：某品牌P.O52.5水泥，其性能見表1；

礦粉：武新S95礦粉；某品牌S105礦粉（球磨），性能見表2；

粉煤灰：武漢陽邏電廠Ι級FA，相關(guān)性能見表3；

硅灰：武漢新必達化工有限公司提供的硅灰，比表面積15000m2/kg～20000m2/kg，SiO2含量91%；

砂：巴河河砂，細度模數(shù)2.8，含泥量0.3%；

碎石：產(chǎn)地武穴，粒徑5mm～25mm，連續(xù)級配，壓碎值7.5，含泥量0.2%；

減水劑：西卡3301，固含量20%，減水率25%；

水：普通自來水。

2.2 試驗方法

（1）混凝土工作性測試：參照普通混凝土拌合物性能試驗方法的規(guī)定，用新拌混凝土的初始坍落度法/擴展度以及混凝土1h后坍落度/擴展度來表征混凝土拌合物的工作性能。

（2）混凝土強度測試：成型的試塊放入標養(yǎng)室進行養(yǎng)護，待達到齡期后，按GB/T50081標準進行抗壓強度測試。

（3）混凝土耐久性測試：參照JC/T1086-2008《水泥氯離子擴散系數(shù)檢驗方法》進行，采用NEL氯離子擴散系數(shù)測定儀，試件規(guī)格Φ100mm×50mm。

2.3 超高強混凝土配合比設計

為研究S105級礦粉在超高強混凝土中的應用情況，在《普通混凝土的配合比設計規(guī)程》的基礎上，設計了一系列C100混凝土配合比，見表4。

由表4可見：J1是C100基準配合比，礦粉為S95級，硅灰摻量10%；D1為采用 S105級礦粉取代S95級礦粉，硅灰摻量不變；D2~D5為S105級礦粉進一步取代部分硅灰，硅灰摻量從10%降至6%。在此基礎上研究S105級礦粉取代S95級礦粉以及部分硅灰對超高強混凝土工作性能、強度、耐久性能的影響。

表1 水泥物理性能

表2 S105礦粉性能

表3 粉煤灰性能

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 S105級礦粉的應用對C100混凝土工作性能的影響

對于超高強混凝土來說，其工作性的好壞對混凝土的施工質(zhì)量影響較大。通過新拌混凝土的初始以及1h坍落度/擴展度來表征混凝土的工作性，結(jié)果如表5所示。從以上結(jié)果可以看出，隨著S105級礦粉摻量的增加，硅灰摻量的降低，混凝土的工作性能變化不是很明顯，且均有良好的工作性能。

3.2 S105級礦粉的應用對C100混凝土強度的影響

對超高強混凝土而言，抗壓強度是決定其強度等級的重要指標。S105級礦粉對C100混凝土抗壓強度的影響見表6。從表6可以得出如下結(jié)果：

3.2.1 基準配合比設計

從實驗結(jié)果可知，J1為基準配合比，C100混凝土的3d抗壓達90.1MPa，7d抗壓強度超過100MPa，28d接近120MPa，說明該配合比能達到C100混凝土設計要求，各項性能良好。

3.2.2 S105級礦粉取代S95級礦粉

與基準混凝土J1相比較，D2可以看出，S105礦粉取代S95礦粉后，無論3d、7d、28d強度均不同程度的提高，其中28d強度提高達5MPa。這是由于S105礦粉較S95礦粉而言活性更高，在混凝土中的微集料填充效應更明顯。這也為S105礦粉取代部分硅灰提供了數(shù)據(jù)支持。

表4 C100混凝土配合比

表5 S105礦粉對C100混凝土工作性的影響

表6 S105級礦粉對C100混凝土強度的影響

3.2.3 S105級礦粉取代硅灰

（1）采用S105級礦粉取代硅灰后，C100混凝土3d強度有所降低。

D2~D5為在D1基礎上，用S105級礦粉取代部分硅灰。從表中數(shù)據(jù)可以看出：采用S105礦粉取代硅灰后，C100混凝土3d強度有所降低，這是因為硅灰比水泥顆粒更小，它在混凝土中主要填充于水泥顆粒之間的空隙，改善了膠結(jié)料的級配，將原束縛在其中的水分置換出來，產(chǎn)生了填充效應與微集料效應[7]，置換出的水能和水泥中的有效成分繼續(xù)反應，增加水泥最終強度，同時，添加硅灰后水泥中CSH凝膠的CaO/SiO2之比值約從1.7下降到了1.3，CaO/SiO2的比值越低，說明SiO2立體網(wǎng)絡增密，凝膠有良好的致密性[8]，因此膠結(jié)層區(qū)域的密度和強度同時得到了提高，從而使材料的整體強度得到了提高，使混凝土強度得到了提高。

（2）采用S105級礦粉取代硅灰后，C100混凝土的7d抗壓強度均能達到設計要求。

采用S105礦粉取代部分硅灰后，C100混凝土的3d強度均高于基準混凝土強度（除硅灰摻量為6%，強度89.7MPa略低于基準混凝土強度）；7d抗壓強度均達到100MPa，能滿足設計要求。這是因為S105礦粉也有填充效應與微集料效應，但是由于礦粉的顆粒細度比硅灰大，置換效應沒有硅灰明顯，水泥與集料膠結(jié)層的孔洞無法完全被填滿，所以強度的提高沒有硅灰大。

（3）采用S105級礦粉取代硅灰后，C100混凝土的28d抗壓強度均超過設計要求。

從28d抗壓強度結(jié)果來看，即使硅灰摻量從10%降至6%，C100混凝土的強度也超過110MPa，能滿足應用要求。這是因為礦粉是具有活性效應的摻合料，在混凝土中可與水泥水化后的水化產(chǎn)物產(chǎn)生二次水化，活性SiO2和Al2O3與水泥熟料水化析出的Ca（OH）2發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，促進混凝土后期強度增長[9]。

（4）在硅灰摻量為7%，硅灰摻量下降到7%時，其強度綜合性能最好。這是因為摻用S105級礦粉的混凝土強度與基準混凝土接近。

3.3 S105礦粉的應用對C100混凝土耐久性的影響

高性能混凝土不僅要求有高強度，還要求具有良好的耐久性。S105礦粉取代部分硅灰對混凝土耐久性的影響通過測試混凝土的氯離子擴散系數(shù)來表征，結(jié)果見表7。

混凝土耐久性參照《GB/T 50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，采用NEL氯離子擴散系數(shù)測定儀，結(jié)果表明適量S105礦粉取代硅灰對C100混凝土的氯離子滲透系數(shù)無不利的影響，也即對混凝土的耐久性影響不大。

4 S105礦粉在超高強混凝土中應用的經(jīng)濟效益分析

以C100為例，使用S105礦粉，硅灰摻量可降至7%，單方可減少硅灰用量20kg，武漢市場硅灰價格在1800元/噸，目前可每方節(jié)約硅灰成本20×1.8=36.0元；假設S105礦粉較S95礦粉售價增加200元/t（實際達不到這么多），根據(jù)本文配比，礦粉成本增加80×0.2=16.0元，差價為36.0-16.0=20.0元。按照未來混凝土攪拌站超高強混凝土C100年方量為10萬方，則可節(jié)約20.0×10萬=200萬元。從經(jīng)濟效益角度分析，可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

表7 S105礦粉對C100混凝土氯離子滲透系數(shù)的影響

結(jié)論

根據(jù)以上結(jié)果，可以得到出以下結(jié)論：

（1）摻入S105級礦粉，超高強混凝土的工作性能良好且穩(wěn)定；

（2）用S105級礦粉取代部分硅灰，超高強混凝土物理性能均能達到設計強度要求，且當硅灰摻量降為7%時，其強度及綜合性能最好；

（3）摻S105級礦粉可以實現(xiàn)超高強混凝土具有優(yōu)異的耐久性能；

（4）硅灰價格昂貴，采用S105級礦粉取代部分硅灰，可以降低成本，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益；

（5）采用S105級礦粉是利用工業(yè)廢料，保護環(huán)境，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

[1] FIP--CEB Working GrouP,High Strength Conerete , astate of the artre Port ,1990.

[2] Norwegian Standard NS 3473,AusgabeNov.1989 .

[3] 超高強高性能混凝土配合比設計方法，焦楚杰， 周云， 程從密， 張文華（1671-4229 （2009） 04-0078-05，廣州大學學報.

[4] 礦渣粉在高性能混凝土中的試驗研究，蓋永豐，戴民，張敬會，混凝土，2005年第7期（總第189期）Number 7 in 2005（ Total No.189）.

[5] 超高強高性能混凝土， 蒲心誠. 重慶: 重慶大學出版社，2004.

[6] 微米級超細礦渣粉與硅灰性能對比研究，郭永智，李培彥，李秋義，濟南魯新新型建材有限公司，山東青島大學，混凝土，2008年第十期（總第228期）Number 10 in 2008（Total No.228）。

[7] Pratt C J. Use o f permeable,reservoir pavement constructions for storm water treatment and storage for reuse [ J]. Water Science and Technology,1999,39（ 5） : 145-151.

[8] 硅灰在混凝土中的作用，楊玉喜，劉學擴，黑龍江交通科技，2007（6）: 51-52

[9] 磨細礦粉對高強大體積混凝土性能的影響，肖歷文. 理與技術(shù)，2006（2）: 7-11.