C100超高強高性能混凝土配制技術的試驗研究

王成啟，劉思楠

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

近年來，隨著工程建設的發(fā)展，高層建筑、大跨度橋梁、港口碼頭等基礎設施不斷興建，對傳統(tǒng)混凝土提出較高的要求。要求混凝土具有良好的工作性能、較高的強度和耐久性，高強混凝土、超高強高性能混凝土已成為水泥基復合材料的重要研究方向之一[1-4]。為提高超高強混凝土的強度，一般采用較低的水膠比，較高的膠凝材料用量[5-6]。文獻[2]對配制C100超高強混凝土的水膠比推薦值為0.24～0.26，膠凝材料的推薦用量為550～600 kg/m3。隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的干燥收縮明顯增加，使混凝土開裂風險明顯加大[7]。而對于高強混凝土，在其干燥失水的過程中，致密的結構會阻礙水分由內向外擴散，形成更大的濕度梯度，加之高強混凝土較低的延性，使其易于因干燥收縮形成裂縫，影響高強混凝土的耐久性和使用功能[8-9]。因此，降低混凝土收縮是配制超高強混凝土需要解決的問題之一。磨細粉煤灰和硅灰等超細礦物摻合料具有比表面積大、活性高的優(yōu)點，能顯著改善混凝土的孔隙結構，提高混凝土強度、改善耐久性，采用超細礦物摻合料已成為配制高強高性能混凝土的基本途徑[10]。本文采用超細礦渣粉和粉煤灰微珠與高性能減水劑復合以及優(yōu)化設計，改善混凝土內部結構，降低混凝土膠凝材料用量，配制低膠凝材料用量的C100超高強高性能混凝土，使其具有較高的工作性能和耐久性，滿足工程實際需要。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：句容臺泥水泥廠生產的52.5RⅡ型硅酸鹽水泥，比表面積370 m2/kg，安定性合格，主要性能指標見表1。表1 水泥的主要性能指標

抗折強度/MPa抗壓強度/MPa凝結時間/min燒失量/%SO3/%3 d 3 d 初凝 終凝28 d 28 d MgO/%6.3 8.9 32.5 61.0 160 205 2.61 1.50 2.05

（2）超細礦物摻合料：馬鋼嘉華生產的S105級超細?；郀t礦渣粉，天津筑成新材料公司生產的粉煤灰微珠，主要物理力學性能指標如表2所示。

表2 礦渣粉和粉煤灰微珠的主要物理力學性能指標

（3）細骨料：閩江河砂，主要性能指標如表3所示。

表3 砂的主要性能指標

（4）粗骨料：5～10 mm 和 16～25 mm 二級配碎石，使用時按3∶7的質量比配制，主要性能指標如表4所示。

表4 粗骨料的主要性能指標

（5）減水劑：上海華登HP400聚羧酸系高性能減水劑，主要性能指標如表5所示。（6）拌合水：自來水，性能指標如表6所示。

表5 減水劑的主要性能指標

表6 拌合水的性能指標

1.2 試驗方法

混凝土抗壓強度試驗按JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的有關規(guī)定進行。混凝土電通量和擴散系數(shù)（RCM法）試驗按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》有關規(guī)定進行。掃描電子顯微鏡采用日本電子光學公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察混凝土內部結構的形貌，掃描電子顯微鏡分辨率為3.5 nm，加速電壓為20 kV。

1.3 混凝土配合比

為了減小超高強混凝土的收縮，控制混凝土的膠凝材料用量小于550 kg/m3。以水泥用量為519 kg/m3為基準混凝土，分別用超細礦渣粉和粉煤灰微珠取代等質量的水泥，單摻超細礦渣粉摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%，單摻粉煤灰微珠摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%，混凝土配合比如表7所示。

表7 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 超細礦物摻合料對混凝土工作性的影響（見表8）

從表8可以看出，隨著超細礦渣粉摻量的增加，混凝土坍落度呈不斷增大趨勢，表明礦渣粉具有一定的減水和塑化作用，有利于混凝土工作性的改善。隨著粉煤灰微珠摻量的增加，混凝土用水量不斷減小，而坍落度與基準混凝土相當，當摻5%粉煤灰微珠時，用水量可減少10 kg/m3左右，表明粉煤灰微珠具有明顯減水效果。此外，摻超細礦渣粉和粉煤灰微珠的混凝土含氣量均小于2.0%，表觀密度均大于2500 kg/m3。

表8 超細礦物摻合料對混凝土工作性的影響

2.2 超細礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響

（見表 9）

表9 超細礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響

從表9可以看出，當齡期為1 d時，摻10%～20%超細礦渣粉的混凝土抗壓強度比基準混凝土有所提高；當齡期為3 d和7 d時，摻10%～35%超細礦渣粉的混凝土抗壓強度已超過基準混凝土；當齡期為28 d時，摻超細礦渣粉的混凝土強度進一步提高，摻10%、15%、20%超細礦粉的混凝土強度均高于基準混凝土，增強效果顯著，抗壓強度均大于110 MPa，達到C100抗壓強度配制要求。因此，摻10%～20%超細礦渣粉的混凝土早期強度比基準混凝土有一定增長，還會使混凝土后期強度有一定增長，明顯提高混凝土抗壓強度，可滿足C100配制強度的技術要求。

從表9還可以看出，當齡期為1 d時，在減水劑摻量一定的條件下，隨著粉煤灰微珠摻量增加，混凝土用水量不斷減少（見表7），混凝土抗壓強度也呈不斷降低趨勢，但摻粉煤灰微珠混凝土抗壓強度均比基準混凝土明顯提高，摻5%、10%、15%、20%和25%粉煤灰微珠的混凝土抗壓強度分別比基準混凝土提高了23.6%、11.8%、12.9%、6.5%和6.1%。當齡期為3 d、7 d和28 d時，混凝土抗壓強度進一步提高，均高于基準混凝土，增強效果顯著，且28 d齡期混凝土抗壓強度均超過110 MPa，達到C100抗壓強度配制要求。因此，在混凝土中摻入粉煤灰微珠，不僅可減少混凝土用水量，而且明顯提高混凝土早期和后期強度。

2.3 超細礦物摻合料對混凝土耐久性的影響

（見表10）

表10 超細礦物摻合料對混凝土耐久性的影響

從表10可以看出，隨著超細礦渣粉摻量的增加，混凝土電通量和氯離子擴散系數(shù)均不斷降低，56 d電通量均小于1000 C，84d氯離子擴散系數(shù)均小于1.5×10-12m2/s。摻粉煤灰微珠的混凝土28d電通量小于700 C，56 d電通量小于500 C，84 d氯離子擴散系數(shù)均不大于1.0×10-12m2/s。摻入粉煤灰微珠有效降低了混凝土的用水量，提高了混凝土的密實性，具有較高的耐久性。因此，摻入超細礦渣、粉煤灰微珠均可有效提高混凝土的耐久性，粉煤灰微珠對混凝土耐久性的改善效果較佳。

2.4 SEM分析

單摻15%超細礦渣粉的3#試樣和單摻5%粉煤灰微珠的8#試樣28 d的SEM照片分別如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，放大15 000倍情況下，單摻超細礦渣粉和粉煤灰微珠的混凝土水化產物較多，形成了板狀氫氧化鈣和較多的凝膠體等多種水化產物交織的水化產物體系，水化產物發(fā)育良好且結構較為緊密，有效提高混凝土抗壓強度和耐久性。因此，所配制的混凝土具有高強度和高耐久性。

圖1 單摻15%超細礦渣粉混凝土的SEM照片

圖2 單摻5%粉煤灰微珠混凝土的SEM照片

3 結論

（1）采用超細礦渣粉和粉煤灰微珠，在膠凝材料用量小于550 kg/m3的情況下，配制出工作性、抗壓強度和耐久性良好的C100的超高強高性能混凝土。所制備的C100混凝土坍落度不低于180 mm，28 d抗壓強度大于110 MPa。

（2）單摻超細礦渣粉的混凝土56 d電通量小于1000 C，84 d氯離子擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s；單摻粉煤灰微珠的混凝土28 d電通量小于700 C，56 d電通量小于500 C，84 d氯離子擴散系數(shù)均不大于1.0×10-12m2/s。

（3）研發(fā)的單摻超細礦渣粉和粉煤灰微珠配制技術可有效控制混凝土中膠凝材料用量，降低混凝土的收縮，克服超高強混凝土在使用過程中由于膠凝材料用量大導致的混凝土開裂風險。