青藏高原地區(qū)C60高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及耐久性實(shí)驗(yàn)研究

張 鵬 王忠芳

（1.青海民族大學(xué)，青海西寧810007；2.青海諾安檢測(cè)技術(shù)有限公司，青海西寧810002）

隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略、一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，以及青海省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，混凝土工程在青藏高原已建建筑物中的占比日益增大。青藏高原海拔高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)；干旱少雨，雷暴、冰雹災(zāi)害頻繁；晝夜溫差大，凍融循環(huán)劇烈；土壤腐蝕性強(qiáng)。這些特殊地理自然環(huán)境因素導(dǎo)致傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性嚴(yán)重降低，影響建筑物的正常使用，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。研究適合本地區(qū)環(huán)境使用的混凝土材料具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，簡(jiǎn)稱HPC)是一種新型的高技術(shù)含量的混凝土，以耐久性作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，保證混凝土的強(qiáng)度和適用性并達(dá)到高耐久性、高工作性、高體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。由于上述優(yōu)良特性，在青藏高原地區(qū)應(yīng)用HPC，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)HPC的研究已經(jīng)頗為成熟，但對(duì)高寒地區(qū)HPC的應(yīng)用研究還不夠深入。

本文針對(duì)青藏高原嚴(yán)酷的自然環(huán)境，對(duì)高性能混凝土的原材料選擇、高性能混凝土強(qiáng)度和耐久性能中各種影響因素及其相互關(guān)系進(jìn)行研究；設(shè)計(jì)了適合于本地區(qū)C60混凝土配合比；通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證本配合比的強(qiáng)度、耐久性，以期用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 青藏高原地區(qū)HPC強(qiáng)度和耐久性影響因素研究

HPC由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、外加劑、礦物摻和料組成，依據(jù)國(guó)家和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)組成材料的物理、化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，研究混凝土中膠凝材料體系、骨料體系、減水劑品種等主要因素對(duì)HPC強(qiáng)度和耐久性的影響，為材料的優(yōu)化選擇提供依據(jù)。

1.1 水泥

HPC用的水泥，C3A含量應(yīng)低，細(xì)度應(yīng)合適。為確保其流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高耐久性，水泥必須與所用高效減水劑相容性好，使混凝土拌合物在滿足工作性條件下用水量盡可能的低，塌落度損失小。水泥的技術(shù)要求應(yīng)滿足以下要求：①.比表面積不應(yīng)小于350m2/kg，不得超過(guò)400m2/kg；②堿含量（按Na2O當(dāng)量計(jì)）≤0.6%；③孰料中C3A含量≤8%，氯離子含量≤0.06%；④堿含量≤0.6%。

1.2 粗骨料

粗骨料體積占混凝土的70%左右，質(zhì)量占混凝土的60%左右，粗骨料性能優(yōu)劣不僅對(duì)HPC的強(qiáng)度有直接影響，而且對(duì)HPC的工作性、耐久性等方面也存在較大影響。

（1）粗骨料種類、針片狀含量含泥量

粗骨料應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖等碎石或碎卵石，以石灰?guī)r碎石為佳。堿—骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction，簡(jiǎn)稱AAR)是指粗骨料與混凝土中膠凝材料水化產(chǎn)物發(fā)生的反應(yīng)，是最典型的化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土發(fā)生不均勻膨脹，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的破壞。為避免堿骨料反應(yīng)，要求進(jìn)行粗骨料砂漿長(zhǎng)度法試驗(yàn)，砂漿半年的膨脹率低于0.10%。粗骨料的含泥量控制在1.0%以下，泥塊含量控制在0.5%以下。

含針片狀顆粒多的粗骨料，空隙率和比表面積增大，與水泥漿體接觸面積大，表面吸水量增加，摩阻力增大，和易性降低；力學(xué)性能方面，針片狀顆粒受力時(shí)薄弱點(diǎn)易斷裂?；炷猎诔尚瓦^(guò)程中針片狀顆粒多數(shù)被其它顆粒支承呈簡(jiǎn)支梁狀，易被折斷，個(gè)別針狀顆粒又起尖劈作用，使混凝土較早出現(xiàn)裂縫而提前破壞?；炷劣么止橇现凶罴厌樒瑺詈繛?2%。

（2）粗骨料壓碎值和巖石強(qiáng)度

粗骨料母巖強(qiáng)度是粗骨料選材的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，混凝土粗骨料巖石抗壓強(qiáng)度為1.5～2倍所配制的混凝土強(qiáng)度。工程實(shí)踐中常采用粗骨料壓碎值量化粗骨料強(qiáng)度，C35～C60混凝土的壓碎值均要求限制在12%以下。

（3）粗骨料堅(jiān)固性、硫化物含量

堅(jiān)固性反應(yīng)骨料在氣候、外力或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力。通常用硫酸鹽浸泡法來(lái)檢驗(yàn)顆粒抵抗膨脹應(yīng)力的能力，C30～C60有抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土堅(jiān)固性要求＜8%。

硫化物含量是指粗骨料中的SO42-含量的百分比，SO42-含量過(guò)高容易與水泥水化硅酸鈣凝膠發(fā)生反應(yīng)，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)高硫型硫鋁酸鈣，降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。硫化物和硫酸鹽含量≤1.0%。

1.3 細(xì)骨料

砂應(yīng)選用統(tǒng)一的質(zhì)地硬、合理級(jí)配、吸水率低、孔隙率小的清潔自然河沙，細(xì)度模數(shù)在2.6～3.1之間。細(xì)度模數(shù)3.0左右時(shí)，混凝土工作性最好，強(qiáng)度最高。砂子中有害物質(zhì)含量應(yīng)符合下述規(guī)定：①表觀密度≥2.500g/m3；②堆積密度≥1.350g/m3；③細(xì)度模數(shù)2.3至3.1之間；④含泥量≤3.0%；⑤泥塊含量≤1.0%。

1.4 外加劑

高效減水劑是制備高強(qiáng)高性能混凝土的一個(gè)重要原材料，可以改善混凝土工作性能，提高新拌混凝土的流動(dòng)性，降低混凝土水膠比，提高混凝土的強(qiáng)度與耐久性。聚羧酸鹽減水劑具有低摻量、高保坍、低收縮等優(yōu)勢(shì)，有利于提高混凝土的使用壽命。

1.5 礦物摻和料

摻合料主要為粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅粉（灰）或?qū)⑵渲袔追N進(jìn)行混合，粉煤灰物理性能指標(biāo)如下：①需水量比≤105%；②細(xì)度≤25%；③燒失量≤8.0%；④含水率≤1.0%。

硅粉物理性能指標(biāo)如下：①燒失量≤6.0%；②二氧化硅含量≥85%；③含水率≤3.0%；④45μm方孔篩篩余≤5.0%；⑤需水量比≤125%；⑥3d活性指數(shù)、7d活性指數(shù)、28d活性指數(shù)分別為90、95、115。

2 青藏高原地區(qū)C60混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 混凝土原材料選擇

（1）水泥

采用青海本地生產(chǎn)的硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)如下：①水泥標(biāo)號(hào)P·Ⅰ52.5；②比表面積為361m2/kg；③燒失量為0.80%；④三氧化硫含量1.84%；⑤氧化鎂含量2.81%；⑥氯離子含量0.030%；⑦安定性合格；⑧初凝時(shí)間、終凝時(shí)間分別為123min、183min；⑨3d抗折強(qiáng)度、28d抗折強(qiáng)度分別為5.6MPa、8.9MPa；⑩3d抗壓強(qiáng)度、28d抗壓強(qiáng)度分別為26.2MPa、58.5MPa。

（2）粗、細(xì)骨料

采用本地砂石場(chǎng)生產(chǎn)的粗、細(xì)骨料，粗骨料粒徑5～20mm，連續(xù)級(jí)配，級(jí)配情況良好。粗骨料詳細(xì)指標(biāo)如下：①表觀密度2.731g/cm3；②堅(jiān)固性指數(shù)為3.8%；③壓碎值為8.07%；④粗骨料堿活性（砂漿半年膨脹率）為0.037%；⑤硫化物和硫酸鹽含量為0.2%；⑥含泥量為0.38%；⑦針片狀含量為3.8%。

細(xì)骨料詳細(xì)指標(biāo)如下：①表觀密度2.728g/cm3；堆積密度1.586g/cm3；②細(xì)度模數(shù)2.9；③含泥量7.9%；④泥塊含量0.7%；⑤云母含量0.34%；⑥輕物質(zhì)含量0.04%。

（3）摻合料

采用本地企業(yè)生產(chǎn)的硅粉、Ⅰ級(jí)粉煤灰。硅粉性能指標(biāo)如下：①品級(jí)SiO2-92；②各化學(xué)成分含量：SiO2含量 90.5%、H20含量 0.8%、Fe2O3含量0.3%、CaO含量0.9%、MgO含量0.8%、K2O含量0.9%、Na2O含量0.38%；③燒失量為1.8。

Ⅰ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)如下：①細(xì)度（45μm方孔篩篩余）20%；②需水量103%；③燒失量3.3%；④含水量0.39%；⑤28d抗壓強(qiáng)度比61；⑥SiO2含量52.8%；⑦Al2O3含量33.5%；⑧Fe2O3含量8.0%。

（4）外加劑

采用徐州建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽減水劑，減水率32%，固含量20%。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin教授所提出的全計(jì)算法，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

（1）確定配制強(qiáng)度

（3）確定水的用量

（4）確定膠凝材料的組成與用量

（5）確定砂率

（6）確定粗、細(xì)骨料用量

根據(jù)計(jì)算得到理論配合比如下：

對(duì)理論計(jì)算得到的配合比進(jìn)行調(diào)整，確定最終配合比如表1所示。

表1 C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)

3 C60混凝土配合比強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

在7d、28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試樣開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 7d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d的混凝土試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 C60混凝土7d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度

3.2 28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的混凝土試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 C60混凝土28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度最低值為64.1MPa，最大強(qiáng)度為65.9MPa，平均值為64.97MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

4 C60混凝土配合比抗凍性、抗?jié)B透性（抗氯離子滲透性）實(shí)驗(yàn)

4.1 混凝土抗凍性

采用TDR-1型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)，取尺寸為100mm×100mm×400mm的試件（每組三塊），試件在飽水狀態(tài)下進(jìn)行凍融試驗(yàn)；每25次凍融循環(huán)對(duì)試件進(jìn)行質(zhì)量與動(dòng)彈性模量測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)125次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率達(dá)到了5%，快速凍融循環(huán)結(jié)束，試驗(yàn)停止。所配置混凝土的抗凍等級(jí)為F125。

表4 C60混凝土快速凍融試驗(yàn)記錄

4.2 混凝土滲透性

采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定混凝土的滲透性，測(cè)試結(jié)果如表5所示。根據(jù)NEL法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土滲透性級(jí)別為Ⅲ級(jí)，中級(jí)滲透性。

表5 NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

在明晰原材料物理、化學(xué)指標(biāo)對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度和耐久性影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)選本地原材料，對(duì)C60高性能混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了強(qiáng)度、抗凍、抗?jié)B性的耐久性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明：

（1）C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度最低值為64.1MPa，最大值為65.9MPa，平均值為64.97MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）該配合比設(shè)計(jì)配制出的C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)125次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率達(dá)到了5%，抗凍等級(jí)為F125。

（3）該配合比設(shè)計(jì)配制出的C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土滲透性級(jí)別為Ⅲ級(jí)，中級(jí)滲透性。