雙摻粉煤灰和礦粉高性能混凝土在高寒干燥地區(qū)的應(yīng)用

楊海峰

（陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

高性能混凝土是近年來發(fā)展起來的一種新型混凝土，是混凝土技術(shù)進(jìn)入高科技時(shí)代的里程碑。一般認(rèn)為，高性能混凝土具有良好的工作性能、高強(qiáng)度和極佳的耐久性。與普通混凝土相比，高性能混凝土能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求，能最大限度地延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。在配制高性能混凝土?xí)r采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，還要摻加一定數(shù)量的高性能外加劑和活性礦物摻合料。

利用活性礦物摻合料配制高性能混凝土是近年來該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，目前，應(yīng)用的礦物摻合料主要有粉煤灰、礦粉和硅灰等。礦物摻料可以提高混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性以及后期強(qiáng)度，降低水化熱，提高抗酸堿腐蝕，防止堿骨料反應(yīng)的能力。但單一的礦物摻合料對(duì)于混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生不良影響，例如混凝土拌和物的泌水量較大、早期強(qiáng)度較低等，使得它在工程中的應(yīng)用受到一些限制。如果將兩種或多種礦物摻合料復(fù)合使用，就可能產(chǎn)生復(fù)合交互效應(yīng)，成為改善混凝土綜合性能的一條最有效途徑。

目前在陜西省高速公路建設(shè)施工領(lǐng)域，混凝土配合比中重點(diǎn)將水泥作為膠凝材料，只有部分項(xiàng)目利用粉煤灰，而采用粉煤灰和礦粉雙摻的研究及應(yīng)用極少。本文主要研究雙摻粉煤灰和礦粉摻合料對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響，以便在陜西省內(nèi)外類似工程中更好地推廣應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

陜西省省級(jí)高速公路榆商線神木至府谷高速公路窟野河特大橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑布置為（88＋4×165＋88）m＋（69＋4×130＋79.5＋39.5）m＋（76＋4×140＋76）m，采用懸臂澆筑施工，主梁混凝土數(shù)量為6.8萬(wàn)m3。該橋地處毛烏素沙漠東南邊緣，屬高寒干燥地區(qū)；主梁施工歷經(jīng)一年，期間溫差極大；主梁有效施工工期較短，要求晝夜不間斷施工；主梁混凝土采用泵送運(yùn)輸，其中垂直輸送高度超過90m，水平輸送距離超過120m；主梁斷面尺寸較大，屬大體積混凝土；懸臂澆筑工藝復(fù)雜，混凝土技術(shù)指標(biāo)要求較高。綜上所述，該橋主梁混凝土必須具有優(yōu)異的工作性能，高強(qiáng)、早強(qiáng)，以及較低的水化熱、極佳的抗裂性和極高的耐久性，否則工程質(zhì)量無法滿足。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

（1）水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的DP.O52.5R（低堿）水泥，物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥物理性能

（2）細(xì)集料選用府谷黃河Ⅱ區(qū)中砂，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

（3）粗集料采用包頭大青山產(chǎn)的5～10mm、10～20mm單粒級(jí)碎石，按照3∶7比例摻配，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

（4）粉煤灰采用神木縣若陽(yáng)粉煤灰C類Ⅰ級(jí)，技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

（5）礦粉采用包頭明峰建材有限公司生產(chǎn)的S75礦粉，技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表4 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

（6）外加劑采用山西黃河化工有限公司生產(chǎn)的“紅浪”牌UNF-1B聚羧酸高校減水劑，技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 外加劑技術(shù)指標(biāo)

2.2 配合比

在水膠比、集料和外加劑一定的情況下，采用不同摻量粉煤灰和礦粉代替水泥，設(shè)計(jì)的配合比如表7所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表7 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.2 試驗(yàn)分析

3.2.1 對(duì)混凝土工作性能的影響

粉煤灰和礦粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響如圖1～3所示。

圖1 單摻粉煤灰或礦粉不同摻量對(duì)初始坍落度的影響

圖2 單摻粉煤灰或礦粉不同摻量對(duì)坍落度損失的影響

由圖1中可以看出，單摻時(shí)，隨著礦粉取代量的增加，坍落度變化幅度較小，而粉煤灰取代量的增加對(duì)提高坍落度的作用很明顯，坍落度增加幅度較大。以上結(jié)果表明，對(duì)于初始坍落度的提高，粉煤灰的作用優(yōu)于礦粉。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒形狀較為圓滑，在自由水的作用下能減少體系中顆粒間的摩擦，起到“滾動(dòng)軸承”的作用，從而改善混凝土和易性并提高坍落度［1］。

由圖1～3可以看出，粉煤灰在一定范圍的取代量?jī)?nèi)具有“增坍性”，而礦粉具有降低坍落度損失的作用；兩種摻合料按照合理比例使用可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但存在一個(gè)臨界取代量，即當(dāng)超過該點(diǎn)時(shí)混凝土坍落度反而下降［2］。這是因?yàn)殡S著攪拌過程的進(jìn)行，體系中的細(xì)微顆粒增加，顆粒吸附了體系中的液相量，降低了體系中的有效水量，并降低外加劑的有效減水組分，導(dǎo)致混凝土的坍落度下降和經(jīng)時(shí)損失增加；當(dāng)試件成型后靜置時(shí)，被吸附的部分液相得以釋放而產(chǎn)生大量的表面水，產(chǎn)生泌水現(xiàn)象。

3.2.2 對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖4可以看出，當(dāng)粉煤灰和礦粉單摻時(shí)，隨著添加量的提高，混凝土3、7、28d強(qiáng)度均有降低的趨勢(shì)；對(duì)于3d和7d強(qiáng)度，摻加礦粉較粉煤灰好，28d強(qiáng)度變化不大，說明適量提高礦粉摻量對(duì)早期強(qiáng)度有利。這主要有兩個(gè)方面的原因：礦粉的平均顆粒細(xì)度較粉煤灰細(xì)，水化速度更快；礦粉中的活性成分比粉煤灰多，且活性高于粉煤灰。

圖4 粉煤灰或礦粉單摻對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，隨著粉煤灰和礦粉復(fù)合比例的降低，混凝土3、7、28d強(qiáng)度均有增長(zhǎng)趨勢(shì)，和圖4進(jìn)行比較，均高于單摻強(qiáng)度。這說明細(xì)磨礦粉可以提高粉煤灰的活性，使粉煤灰能夠較早地參與反應(yīng)，并且隨粉煤灰和礦粉復(fù)合比例的降低，混凝土的3、7、28d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土及單摻粉煤灰或礦粉的混凝土。以上結(jié)果表明，單從強(qiáng)度角度考慮，粉煤灰與礦粉復(fù)合時(shí)，應(yīng)以礦粉為主。

圖5 粉煤灰和礦粉雙摻對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰和礦粉復(fù)合使用時(shí)，首先，水泥水化產(chǎn)生Ca（OH）2，在Ca（OH）2的作用下，礦渣立即水化生成大量的低密度水化硅酸鈣、鈣礬石及Ca（OH）2。這些具有大比表面積的水化產(chǎn)物聚集在粉煤灰顆粒周圍，起著晶核的作用，從而加速粉煤灰的水化反應(yīng)。其次，由于礦粉的堿度遠(yuǎn)大于粉煤灰，礦渣水化時(shí)將提高膠凝材料體系中的OH-含量，以及新拌混凝土漿體中的堿度。堿度的提高，將打破粉煤灰的玻璃相，加速粉煤灰的水化。隨著粉煤灰快速反應(yīng)，大量的晶核被消耗，同時(shí)漿體體系中的堿度也將迅速降低，又會(huì)加快礦粉的水化速度。由粉煤灰和礦粉組成的復(fù)合摻合料在混凝土中應(yīng)用，可以對(duì)礦渣的晶核作用加以利用，并提高混凝土的堿度，激發(fā)粉煤灰的活性，使“疊加效應(yīng)”充分發(fā)揮［3］。

3.2.3 對(duì)混凝土耐久性的影響

混凝土中加入粉煤灰或礦粉，可有效減少混凝土的水化熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度峰值，并延緩溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，有利于避免或減少溫度裂縫，對(duì)混凝土耐久性有利，特別是對(duì)大體積混凝土尤為重要［4］。

（1）對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響。從抗?jié)B的結(jié)果可以看出，單摻或雙摻粉煤灰和礦粉都能提高混凝土的抗?jié)B性能，特別是雙摻的混凝土抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P20（沒有透水）。這是充分發(fā)揮了粉煤灰和礦粉“火山灰效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”的結(jié)果。“火山灰效應(yīng)”改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高密實(shí)度，加強(qiáng)了與骨料界面的粘結(jié)力，從而提高了混凝土的抗?jié)B能力；“微集料效應(yīng)”改善了混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，減小了大孔徑的尺寸，使混凝土更加密實(shí)，提高了抗?jié)B性能［5］。

（2）對(duì)混凝土抗凍性能的影響。從表8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單摻粉煤灰混凝土的抗凍性下降，單摻礦粉的混凝土抗凍性提高。這是由于礦粉中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥的水化產(chǎn)物在有水的情況下發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣［6］。上述反應(yīng)幾乎都在水泥孔隙中進(jìn)行，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變了孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土中各組分的粘結(jié)作用，提高了密實(shí)度。同時(shí)，礦粉的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，不僅填充了水泥顆粒間的孔隙，還能改善顆粒級(jí)配，增加水泥膠體的密實(shí)度；另外，礦粉與Ca（OH）2生成的CS-H膠凝體填充于毛細(xì)孔內(nèi)，使其變?yōu)椴贿B通的毛細(xì)孔，增加水泥石結(jié)構(gòu)的致密程度，混凝土總孔隙率降低，孔結(jié)構(gòu)變小，有效阻斷了水分?jǐn)U散，提高混凝土的抗凍性。

綜合以上結(jié)果可以看出，在混凝土中復(fù)合摻加兩種摻合料，不只是兩種摻合料的簡(jiǎn)單混合，而是有意識(shí)地使兩種摻合料互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰，產(chǎn)生單一摻合料無法達(dá)到的優(yōu)良效果。粉煤灰和礦粉復(fù)合摻入混凝土后，混凝土拌和物的和易性更好，硬化混凝土更加密實(shí)，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都得到提高，孔隙結(jié)構(gòu)明顯改善，有害的孔隙基本被消除，孔隙率大幅度降低，表明混凝土耐久性的各項(xiàng)指標(biāo)，諸如抗?jié)B性、抗凍融性以及耐化學(xué)腐蝕性等均有顯著提高。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

結(jié)合混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性，當(dāng)粉煤灰與礦粉比例為1∶1時(shí)，效果最佳，所以，確定最終施工用配合比為D2，其主要性能指標(biāo)見表9。

表9 窟野河特大橋混凝土主要性能指標(biāo)

此配合比混凝土抗?jié)B等級(jí)為P20，不透水，抗凍等級(jí)為F150。

目前，該工程交付使用近2年，混凝土硬化狀態(tài)好，無明顯溫度裂紋，表面無明顯蜂窩、麻面等缺陷。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）粉煤灰和礦粉雙摻能明顯改善混凝土的和易性，減少坍落度經(jīng)時(shí)損失，大大改善混凝土的施工性能。

（2）粉煤灰和礦粉雙摻可以較為顯著地提高混凝土的強(qiáng)度，單摻礦粉混凝土的強(qiáng)度較單摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度高，但單摻粉煤灰混凝土具有更高的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。

（3）粉煤灰和礦粉的早期物理填充作用和后期活性填充作用等特性，不僅可以改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實(shí)性，還可以使混凝土耐久性得到提高。

（4）粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)利用了粉煤灰和礦粉的潛在活性，大大減少了水泥用量，降低和延緩了水化熱峰值及出現(xiàn)時(shí)間，有效地抑制了混凝土溫度裂縫和收縮裂縫的形成。

（5）經(jīng)本次工程實(shí)踐，確認(rèn)了粉煤灰和礦粉雙摻高性能混凝土在公路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，不但可以提高混凝土的質(zhì)量，利用工業(yè)廢料，減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，還降低了工程造價(jià)。因此，這項(xiàng)技術(shù)值得大力推廣。