高性能混凝土用礦物摻合料在公路及應(yīng)急施工中的應(yīng)用

劉 健 李海鵬

(武警第一機(jī)動(dòng)總隊(duì)交通第一支隊(duì)，北京 102100)

0 引言

隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，“節(jié)能高效，綠色環(huán)?！币咽墙ㄖI(yè)健康發(fā)展的趨勢(shì)。混凝土的和易性、坍落度、可泵性、密實(shí)性與水泥的各種指示有很大關(guān)系，水泥中C3A含量過(guò)大、堿含量過(guò)高等因素，都會(huì)影響混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性；混凝土施工中摻入礦物摻合料可以減少水泥用量，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、改善混凝土施工和耐久性能、降低成本。高性能的摻合料在國(guó)內(nèi)外大型工程及高速鐵路中得到了廣泛應(yīng)用，陽(yáng)翼高速公路建設(shè)過(guò)程中對(duì)高性能摻合料的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 工程概述

山西陽(yáng)(城)翼(城)段高速公路全長(zhǎng)64.8 km，于2007年10月20日開(kāi)工建設(shè)，2010年10月20日建成通車(chē)。陽(yáng)翼高速公路位于山西省臨汾盆地東部，屬于構(gòu)造剝蝕基巖山區(qū)，地形起伏大，溝壑縱橫，地下水埋深較大，存在大量的煤層及采空區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜。為了提高混凝土施工和易性、確保耐久性、經(jīng)濟(jì)性，在大橋、隧道的混凝土施工中摻加了高性能礦物摻合料。

2 礦物摻合料的應(yīng)用機(jī)理

水泥主要成分是熟料，其水化活性與水化程度在普通四組分混凝土(水泥、水、砂、石)中起決定性作用。過(guò)分提高粉料磨細(xì)度，某種程度上會(huì)惡化水泥性能(需水量、收縮增大、初期水化熱增高等)。摻加礦物微粉摻合料，作為膠凝材料取代部分水泥，可使混凝土性能得到改善。

礦物摻合料包括磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)天然沸石、硅灰等。在山西省高速公路施工中，磨細(xì)礦渣粉和磨細(xì)粉煤灰具有材料來(lái)源廣泛、品質(zhì)有保障、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益好等多方面優(yōu)勢(shì)。適當(dāng)比例的雙摻疊加效應(yīng)是高性能混凝土最佳的選擇。

2.1 磨細(xì)礦渣粉

磨細(xì)礦渣粉是冶煉過(guò)程中排出的一種固體硅鈣系廢棄物，經(jīng)

超細(xì)粉磨，精細(xì)分級(jí)制造而成，具有一定的細(xì)度，摻入混凝土中，形成合理顆粒級(jí)配的微粉。磨細(xì)礦渣粉技術(shù)指標(biāo)集化學(xué)成分見(jiàn)表1，表2。

表2 主要化學(xué)成分

2.2 磨細(xì)粉煤灰

磨細(xì)粉煤灰是煤粉燃燒后的廢棄物，系黏土類(lèi)火山灰質(zhì)硅鋁系材料，經(jīng)過(guò)合理工藝磨細(xì)的一種活性摻合料，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，主要化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表3 磨細(xì)粉煤灰技術(shù)要求

表4 主要化學(xué)成分

2.3 礦物摻合料使用特點(diǎn)

2.3.1降低混凝土水化熱

混凝土在硬化過(guò)程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量水化熱，減少水泥用量降低水化熱，減少混凝土裂縫。

2.3.2提高混凝土抗?jié)B性能

摻合料可以產(chǎn)生火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，火山灰效應(yīng)吸收水泥水化時(shí)形成的Ca(OH)2，使晶粒變小，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的孔隙明顯下降，強(qiáng)化集料界面粘結(jié)力。微集料效應(yīng)可以填充水泥顆粒間隙的微集料，降低了孔隙率，使混凝土形成了密實(shí)充填結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗?jié)B性能。

2.3.3磨細(xì)礦渣與磨細(xì)粉煤灰摻入對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響

在水泥水化初期，磨細(xì)礦渣粉分布并包裹在水泥顆粒的表面，起到了延緩和減少水泥初期水化物相互搭接的隔離作用，改善混凝土坍落度損失。礦渣粉和磨細(xì)粉煤灰復(fù)合摻加，改善了新拌和易性和粘聚性，使混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)得到提高。

2.3.4磨細(xì)礦渣粉有效抗腐蝕

磨細(xì)礦渣中氧化鋁含量高于水泥，其氧化鋁組分，最終以C3A方式結(jié)合氯離子生成F鹽(C3A·Cl(NaK)·10H2O)；水泥中硫酸根含量明顯高于礦渣粉，所以普通混凝土結(jié)合氯離子受硫酸根的影響，就比摻礦渣粉混凝土大得多；礦渣粉水泥產(chǎn)物堿度低，能增強(qiáng)礦渣粉和氯離子的結(jié)合。礦渣粉具有優(yōu)越的氯離子結(jié)合能力，其抗腐蝕的能力比普通混凝土要強(qiáng)。

3 使用磨細(xì)礦渣粉、磨細(xì)粉煤灰的現(xiàn)實(shí)意義

磨細(xì)礦渣粉、磨細(xì)粉煤灰價(jià)格低于水泥，減少減水劑用量，降低成本?；炷帘砻嬷旅芄鉂崳^感好。改善因水泥品質(zhì)波動(dòng)而對(duì)混凝土產(chǎn)生的影響。摻合料可以改善混凝土的耐久性。

摻合料在大體積混凝土施工中減少了溫度應(yīng)力。對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，可大幅度降低成本?？垢g、抗?jié)B性能提高，適用于隧道、樁基等工程。高性能混凝土礦物摻合料還可大量使用于水泥基灌漿材料中，改善砂漿的工作性能，使噴錨支護(hù)、壓力注漿、噴射施工效率更高。

4 使用方法

作為一種膠凝材料組分，礦渣粉等量取代，粉煤灰超量取代部分水泥后，超量部分適當(dāng)減少原配合比砂率即可。

磨細(xì)礦渣粉執(zhí)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。所生產(chǎn)礦渣粉最高級(jí)別28 d強(qiáng)度比可達(dá)110，需水量比95，可供C100級(jí)以下混凝土使用，

其工藝控制的關(guān)鍵是礦粉的粒度形貌和顆粒級(jí)配。

磨細(xì)粉煤灰的比表面積可達(dá)800 m2/kg，甚至更高，選擇性使用粉煤灰與復(fù)合少量礦物激發(fā)劑， P.Ⅰ，P.Ⅱ型硅酸鹽水泥中，最高摻量可達(dá)60%，而強(qiáng)度等級(jí)不變。

混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)表

5 摻礦物摻合料混凝土的工程應(yīng)用注意事項(xiàng)

5.1 混凝土的制備與運(yùn)送

制備混凝土?xí)r，宜采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，并適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間。各種礦物摻合料的計(jì)量應(yīng)按重量計(jì)，每盤(pán)計(jì)量允許偏差不應(yīng)超過(guò)±2%?；炷吝\(yùn)送到澆筑點(diǎn)時(shí)，不離析，保證施工要求的工作性和均勻性。

5.2 混凝土的澆筑與成型

凝土澆筑時(shí)，實(shí)測(cè)坍落度與要求坍落度之間的允許偏差應(yīng)符合要求?；炷翝仓?yīng)分層連續(xù)進(jìn)行，其運(yùn)輸、澆筑及間歇的全部時(shí)間不應(yīng)超過(guò)混凝土的初凝時(shí)間?；炷脸跄螅坏檬艿蕉握駝?dòng)?；炷翝仓髴?yīng)立即進(jìn)行振搗，并應(yīng)避免漏振或過(guò)振。振搗后混凝土表面不應(yīng)出現(xiàn)明顯的摻合料浮漿層。

5.3 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)覆蓋混凝土表面；在高溫季節(jié)、大風(fēng)、日照較強(qiáng)等環(huán)境中或采用水膠比小于0.40的混凝土施工時(shí)應(yīng)立即覆蓋混凝土表面，并進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于7 d；當(dāng)有補(bǔ)償收縮或緩凝要求的混凝土保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于14 d；當(dāng)氣溫較低或在干燥環(huán)境下應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。蒸養(yǎng)時(shí)升、降溫速度宜小于20 ℃/h，恒溫溫度不宜超過(guò)60 ℃。當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5 d低于5 ℃時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)采取防凍措施。

6 應(yīng)用效果及在道路搶險(xiǎn)搶通中的探討

陽(yáng)翼高速公路橫穿崇山峻嶺，橋梁、隧道等控制性工程占到整個(gè)道路長(zhǎng)度的40%，混凝土用量多，在實(shí)踐中廣泛應(yīng)用高性能混凝土用礦物摻合料，改善了混凝土的性能、節(jié)約了造價(jià)，還起到節(jié)能降耗、美化環(huán)境的效果。在進(jìn)行道路大體積永久結(jié)構(gòu)混凝土搶險(xiǎn)搶通施工中，大體積的混凝土快速施工可能會(huì)產(chǎn)生大量水化熱，造成施工質(zhì)量隱患。這種情況下可以考慮摻加部分高性能的礦物摻合料，降低大體積混凝土施工的水化熱，在保證增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性的同時(shí)，明顯改善施工的工作性能。