C100超高強泵送混凝土的配制研究

牟 龍， 于 方， 熊建波， 鄧春林

(1. 1510工程建設(shè)指揮部， 北京 100036；2. 中交四航工程研究院有限公司 水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 510230)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代建筑逐漸向高層化、大跨度和輕量化邁進，超高強泵送混凝土的應用將成為未來發(fā)展的必然趨勢。近年來，超高強泵送混凝土已經(jīng)在超高層建筑、大跨度橋梁等工程中得到了應用[1-5]。超高強泵送混凝土具有較高強度的同時，也具有混凝土黏度大、自收縮大、脆性大、易產(chǎn)生開裂等一系列問題[6-7]。如何配制高可泵性、高體積穩(wěn)定性的超高強泵送混凝土，是困擾混凝土行業(yè)研究工作者和生產(chǎn)者的一大難題。

目前，國內(nèi)諸多學者對超高強混凝土的配制技術(shù)進行了廣泛研究。王沖等[8]研究了超高強混凝土的制備及強度基礎(chǔ)，并在不剔除粗骨料的情況下，采用普通工藝和常規(guī)材料，制得365 d抗壓強度為178.3 MPa、坍落度為210 mm的超高強高性能混凝土。王成啟等[9]采用超細礦物摻合料進行C100超高強高性能混凝土的配制研究，結(jié)果表明超細礦渣粉和粉煤灰微珠可有效改善超高強混凝土的工作性、抗壓強度和耐久性。劉洋[10]在國內(nèi)外多種高強混凝土配合比調(diào)研的基礎(chǔ)上，開展了基于全計算法的C100超高強混凝土的配制研究，使得C100超高強混凝土的配制方法更合理。李美丹等[11]采用常規(guī)材料配制C100超高強混凝土，結(jié)果表明通過摻加高效減水劑和復合摻合料，控制水泥用量為550 kg/m3，水膠比為0.22～0.23，能夠配制出符合預制混凝土構(gòu)件的快速蒸汽養(yǎng)護制度的C100超高強混凝土。鄭應生等[12]闡述了C100 高強高性能混凝土的配制技術(shù)，即使用P·Ⅱ52.5水泥，采取優(yōu)化復合礦物摻合料和高性能聚羧酸外加劑“雙摻”的技術(shù)路線，可配制出28 d抗壓強度為111.1 MPa、坍落/擴展度為230 mm/660 mm、倒筒時間為17 s、體積穩(wěn)定性良好的混凝土。路來軍等[13]通過原材料和配合比的優(yōu)化，配制出C100高性能混凝土并成功應用于國家大劇院混凝土工程。宋偉明等[14]采用機制砂和“雙摻”技術(shù)成功配制出具有重慶地方特色的C80～C100機制砂高性能混凝土。張坤等[15]研究了原料形態(tài)及石粉含量對C100 機制砂高強混凝土抗壓強度、工作性和收縮性的影響，結(jié)果表明配制出的機制砂混凝土具有良好的工作性能與力學性能，石粉對混凝土性能影響較大。綜上，目前國內(nèi)關(guān)于超高強混凝土配制的研究主要集中在如何配制出滿足目標要求的混凝土，而關(guān)于配合比參數(shù)對C100超高強泵送混凝土性能影響的研究不多，配合比參數(shù)對混凝土性能的影響規(guī)律也不明晰，仍需進一步研究。

本文通過系統(tǒng)研究水泥品種、膠凝材料用量、礦物摻合料種類、水膠比和碎石種類等配制參數(shù)對混凝土工作性能、抗壓強度的影響規(guī)律，優(yōu)選配合比參數(shù)，成功配制出黏度低、工作性好的C100超高強泵送混凝土，并應用于工程中。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本試驗研究采用6種水泥、5種摻合料體系、3種碎石類型，原材料的檢測結(jié)果分別見表1、表2和表3。其他材料的產(chǎn)地及性能指標如下： 細骨料采用廣西合浦河砂，2區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.6，含泥量為0.5%； 減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的聚羧酸高性能減水劑，含固量為30.4%，減水率為30%； 阻銹劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的阻銹劑，含固量為5.19%； 水采用飲用水。

表1 不同種類水泥的性能

注： A為嘉華P·LH42.5水泥； B為防城港P·O42.5水泥； C為防城港P·O52.5水泥； D為南寧P·Ⅱ 52.5水泥； E為東莞P·Ⅱ 52.5水泥； F為粵秀P·Ⅱ 52.5水泥。下同。*為強度等級42.5 MPa的低熱硅酸鹽水泥。

表2 礦物摻合料的理化性能

1.2 配制目標與試驗方法

參考JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于高強混凝土配制的技術(shù)要求，得到配制目標： 28 d抗壓強度≥115.0 MPa； 混凝土出機坍落度： 240±20 mm； 擴展度≥500 mm； 5 s≤倒置坍落度筒排空時間≤20 s； 1 h坍落度經(jīng)時損失≤10 mm； 滿足泵送混凝土要求。

表3 不同類型碎石檢測結(jié)果

注： *漳州玄武巖分為5～10 mm碎石(小石)和10～16 mm碎石(中石)； 文中未指明碎石類型的，均指漳州玄武巖碎石。

采用固定其他參數(shù)不變，改變其中一個參數(shù)的方式，分別研究水泥品種、膠凝材料用量、摻合料種類和摻量、水膠比以及碎石類型等對混凝土工作性能和抗壓強度的影響規(guī)律，在滿足配制目標的前提下，選擇工作性能和抗壓強度均最佳的混凝土配合比。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥品種

固定膠凝材料用量、摻合料用量和水膠比等配合比參數(shù)不變，研究水泥品種對混凝土工作性能和抗壓強度的影響?；炷僚浜媳纫约盎炷凉ぷ餍阅堋⒖箟簭姸仍囼灲Y(jié)果分別如表4、表5和圖1所示。

表4 不同水泥品種的混凝土配合比

注： a表示減水劑含固量為30.4%； b表示阻銹劑含固量為5.19%。下同。

表5 水泥品種對混凝土性能的影響

圖1水泥品種對混凝土抗壓強度的影響

Fig. 1 Effect of cement varieties on concrete compressive strength

由表5和圖1可知： 配合比參數(shù)相同的情況下，采用粵秀P·Ⅱ 52.5水泥配制的混凝土28 d抗壓強度最高，但是其工作性能最差，難以滿足泵送混凝土的要求； 相比之下，雖然采用南寧P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土28 d抗壓強度比采用粵秀P·Ⅱ 52.5水泥時稍低，但其工作性能較優(yōu)。

為了分析水泥品種對配制C100泵送混凝土工作性能和力學性能的影響機制，采用XRD定量測試6種水泥樣品的礦物組成，結(jié)果見表6。

表6水泥X射線Rietveld全譜擬合定量結(jié)果

Table 6 Quantitative results of cement X-ray Rietveld full spectrum fitting

物相礦物成分/%ABCDEF“C3S HKL”21.1033.6735.1240.1235.6334.68“C3S ”20.4925.9022.7626.6325.6133.66β-C2S37.4616.2418.265.7513.025.72C3A_立方0.621.823.211.961.025.38C3A_斜方1.030.810.780.742.200.33C4AF13.7312.5610.1316.1013.1212.07石灰0.000.060.180.080.000.14氫氧化鈣0.881.141.881.410.581.49方鎂石0.380.450.250.573.160.14石英0.160.490.560.240.510.33硫酸鉀石0.000.330.200.210.000.25無水鉀鎂礬0.210.030.000.130.200.00鉀芒硝0.000.050.080.040.230.04石膏0.160.120.080.002.850.06燒石膏0.372.892.673.560.001.79硬石膏1.530.780.820.230.820.77方解石1.341.282.011.390.962.84白云石0.521.370.980.850.100.29

由表6可知： 粵秀P·Ⅱ 52.5水泥的C3A含量最大，嘉華P·LH 42.5水泥的C3A含量最小。在同樣配合比情況下，采用粵秀P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土倒筒時間最長(見表5)，而采用嘉華P·LH 42.5水泥的混凝土倒筒時間最短，這是因為水泥中的C3A含量越高，水泥的需水量越大，而水泥標準稠度用水量大小對混凝土的工作性能影響很大。水泥的早期強度與C3S和C3A的含量關(guān)系密切，中后期強度與C2S含量有關(guān)。C3S和C3A的含量越高，混凝土的早期強度越高； C2S含量越高，混凝土中后期強度越高。所以在3 d和7 d齡期時，采用粵秀P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土抗壓強度最高，采用嘉華P·LH 42.5水泥的抗壓強度最低； 而28 d齡期時二者抗壓強度相當。

可見，配制C100超高強泵送混凝土，宜選用標準稠度用水量較低(不宜大于26%)、C3S含量較高(不宜小于60%)、C3A含量較低(不宜大于5%)、比表面積較低(不宜大于350 m2/kg)的水泥。采用本試驗所用原材料，在保證工作性能、配合比參數(shù)固定的情況下，遵循“強度優(yōu)先”原則，配制C100超高強泵送混凝土宜優(yōu)先選擇南寧P·Ⅱ 52.5水泥。

2.2 膠凝材料用量

在膠凝材料用量為610～730 kg/m3、碎石類型為玄武巖碎石、摻合料用量為25%、水膠比為0.18～0.24的情況下，對40組標養(yǎng)抗壓強度數(shù)據(jù)進行模糊統(tǒng)計分析，得到膠凝材料用量與混凝土抗壓強度的關(guān)系如圖2所示。

括號中為統(tǒng)計樣本數(shù)量。

圖2膠凝材料用量對混凝土抗壓強度的影響

Fig. 2 Effect of total amount of gelling material on compressive strength of concrete

由圖2可知，混凝土標養(yǎng)3 d、7 d和28 d抗壓強度均隨膠凝材料用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。抗壓強度在膠凝材料用量為640 kg/m3時達到最大，混凝土標養(yǎng)3、7、28 d抗壓強度分別為93.8、106.5、122.6 MPa。

可見，采用本試驗所用原材料，在保證工作性能前提下，遵循“強度優(yōu)先”原則，配制C100超高強泵送混凝土宜優(yōu)先選擇640 kg/m3的膠凝材料用量。

2.3 摻合料種類

固定水泥品種及用量、膠凝材料用量和水膠比等配合比參數(shù)不變，采用超細礦粉、硅灰、微珠粉和偏高嶺土等礦物摻合料拌制混凝土，研究摻合料種類對混凝土工作性能和抗壓強度的影響?；炷恋呐浜媳燃霸囼灲Y(jié)果分別見表7和表8。

表7 不同摻合料體系的混凝土配比

注： 1)*表示華潤南寧P·Ⅱ52.5水泥； 2)HN9-1為水泥∶摻合料=75∶25； 3)HN11為水泥∶礦粉∶硅灰=75∶15∶10； 4)HN12為水泥∶礦粉∶微珠粉=75∶15∶10； 5)HN13為水泥∶礦粉∶偏高嶺土=75∶15∶10； 6)HN14為水泥∶礦粉∶硅灰∶微珠粉=75∶7.5∶7.5∶10。

表8 礦物摻合料對混凝土性能的影響

由表7和表8可知：

1)與蘇博特摻合料體系相比，采用“超細礦粉+硅灰”、“超細礦粉+微珠粉”及“超細礦粉+硅灰+微珠粉”的體系，混凝土坍落/擴展度略降低，倒筒時間略延長； 采用“超細礦粉+偏高嶺土”的體系，混凝土的擴展度降低較大，倒筒時間也較長。與蘇博特摻合料體系相比，摻入超細礦粉、硅灰、微珠粉和偏高嶺土的混凝土，3 d和7 d抗壓強度均有較大提高，28 d抗壓強度則基本持平。

除了HN13外，其他摻合料體系配合比混凝土的抗壓強度在3—7 d基本無增長。這可能與使用了超細礦粉(平均粒徑小于10 μm)有關(guān)： 超細礦粉由于粒徑極小，反應活性很高，在早齡期內(nèi)(3 d)發(fā)生了較大的水化反應，而在3—7 d內(nèi)的水化較少； 同時，由于微珠粉和硅灰在早齡期內(nèi)(7 d)反應活性不高、水化較少，而偏高嶺土顆粒極小(平均粒徑1.8 μm)，反應活性較高，所以3—7 d內(nèi)仍有較大的強度增長。各摻合料體系混凝土的28 d抗壓強度基本持平，說明此時決定混凝土抗壓強度的因素已經(jīng)不是摻合料種類和摻量了。

綜合來看，采用蘇博特摻合料的配合比，雖3 d和7 d強度較低，但28 d強度與其他摻合料體系均相當，且其工作性能均較其他配合比優(yōu)異。因此，宜優(yōu)先選擇蘇博特摻合料進行C100超高強泵送混凝土的配制。

2.4 水膠比

固定膠凝材料用量和水泥品種及用量等配合比參數(shù)不變，研究水膠比對混凝土工作性能和抗壓強度的影響規(guī)律?；炷恋呐浜媳群驮囼灲Y(jié)果分別見表9和表10。

表9不同水膠比下的混凝土配合比

Table 9 Mixing proportion of concrete under different water-to-binder ratios kg/m3

序號水膠比水泥*摻合料砂小石中石用水量減水劑a阻銹劑bHN30.184801606695465469317.688.0HNJ70.2048016066954654611012.808.0HNJ30.2248016066954654612312.208.0SY30.244801606695465461389.768.0

注： *表示華潤南寧P·Ⅱ52.5水泥。

表10 水膠比對混凝土性能的影響

由表10可知： 隨著水膠比的增大，混凝土工作性能有較大的改善，水膠比為0.20～0.24時，混凝土的倒筒時間均在10 s以內(nèi)。采用南寧P·Ⅱ 52.5水泥，水膠比為0.18、0.20、0.22、0.24時，28 d標養(yǎng)抗壓強度分別為118.8、126.7、117.3、120.6 MPa，呈先增大后減小的趨勢。水膠比為0.20時，混凝土的28 d抗壓強度最高。

為了進一步說明水膠比與C100超高強泵送混凝土抗壓強度之間的關(guān)系，在水膠比為0.18～0.24、膠凝材料用量為610～730 kg/m3、摻合料用量為25%的情況下，對42組標養(yǎng)抗壓強度數(shù)據(jù)進行模糊統(tǒng)計分析，得到水膠比與混凝土抗壓強度的關(guān)系如圖3所示。

括號中為統(tǒng)計樣本數(shù)量。

圖3水膠比對混凝土抗壓強度的影響

Fig. 3 Effect of water-to-binder ratio on concrete compressive strength

由圖3可知： 水膠比為0.18～0.24時，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強度先增大后減??； 水膠比為0.20時，混凝土抗壓強度最高，達120 MPa以上。一般情況下，配制C100以上混凝土時水膠比越低強度越高，0.18水膠比配制的混凝土抗壓強度小于0.20水膠比配制的混凝土抗壓強度，原因是： 較低水膠比時，新拌混凝土黏度大，不易密實成型，影響混凝土致密性，進而影響硬化混凝土抗壓強度。因此，在保證混凝土工作性能和抗壓強度的前提下，宜優(yōu)先選用0.20的水膠比配制C100超高強泵送混凝土。

2.5 碎石類型

在水膠比為0.18～0.24、膠凝材料用量為680～700 kg/m3、摻合料用量為25%的情況下，采用模糊統(tǒng)計法對74組標養(yǎng)抗壓強度數(shù)據(jù)進行模糊統(tǒng)計分析，得到碎石類型(惠州花崗巖、文昌玄武巖(見圖4)和漳州玄武巖(見圖5))與混凝土抗壓強度的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖4 文昌玄武巖

圖5 漳州玄武巖

括號中為統(tǒng)計樣本數(shù)量。

圖6不同碎石類型混凝土的抗壓強度

Fig. 6 Compressive strength of different types of gravel concrete

由圖6可知： 采用漳州玄武巖配制的混凝土標養(yǎng)3 d、7 d和28 d抗壓強度都是最高的。從圖7中試件的破壞斷面可以發(fā)現(xiàn)，漳州玄武巖碎石料粒徑規(guī)整，且只有少部分碎石被折斷或壓碎。說明漳州玄武巖混凝土的破壞大多是沿著骨料進行的，這與漳州玄武巖的母巖強度(母巖強度140～260 MPa，平均值229 MPa)較高和碎石粒形較好(見圖4和圖5)有關(guān)。因此，配制C100超高強泵送混凝土宜選用粒形較好、母巖強度較高的反擊破碎石。

圖7 漳州玄武巖混凝土破壞形態(tài)

在以上配合比參數(shù)對混凝土工作性能和抗壓強度影響研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出配合比參數(shù)，確定了工程混凝土配合比。工程現(xiàn)場采用的C100超高強泵送混凝土配合比見表11。

表11現(xiàn)場使用的C100超高強泵送混凝土配合比

Table 11 Mixing proportion of C100 ultra-high-strength pumping concrete used on site

參數(shù)配合比/(kg/m3)質(zhì)量比水泥4801.00摻合料1600.33砂6731.40小石5～10 mm5501.15中石10～16 mm5501.15減水劑13.440.03阻銹劑8.00.017水110.60.23

其中，水泥為華潤(南寧)水泥有限公司的P·Ⅱ 52.5水泥； 摻合料采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的SBT-HDC(V)UHPC摻合料；細骨料采用北海合浦2區(qū)中粗砂，Mx=2.9； 粗骨料采用5～10 mm和10～16 mm漳州玄武巖碎石，母巖強度為140～230 MPa，針狀、片狀顆粒含量3%； 減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的PCA-I聚羧酸高性能減水劑； 阻銹劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的SBT-ZX(V)鋼筋混凝土阻銹劑； 水為天然淡水。

利用現(xiàn)場的原材料生產(chǎn)C100超高強泵送混凝土，出機坍落度為250～260 mm、擴展度為570～635 mm、倒筒時間為10～13 s，1 h坍落度無損失，28 d標準養(yǎng)護抗壓強度為116.8～136.8 MPa。工程現(xiàn)場混凝土的工作性能測試如圖8所示。

(a) 混凝土坍落度測試

(b) 混凝土倒筒時間測試

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)配制C100超高強泵送混凝土，水泥品種和碎石種類是原材料中2個最關(guān)鍵的影響因素，其性能除滿足規(guī)范要求外，水泥的性能還應滿足低標準稠度用水量(不宜大于26%)、高C3S含量(不宜小于60%)、低C3A含量(不宜大于5%)、低比表面積(不宜大于350 m2/kg)的要求，碎石的性能還應滿足高母巖強度(不宜低于140 MPa)、低壓碎指標(不宜高于5%)、低針片狀含量(不宜高于5%)的要求。

2)C100超高強泵送混凝土的配合比設(shè)計應采用絕對體積法計算，并通過優(yōu)選符合要求且質(zhì)量穩(wěn)定的原材料，優(yōu)選和優(yōu)化配合比參數(shù)，選用適當?shù)耐饧觿┑冗M行綜合設(shè)計?；炷僚浜媳葏?shù)： 膠凝材料用量宜為640 kg/m3(不宜大于680 kg/m3)，礦物摻合料摻量宜為25%(宜選用含硅灰的摻合料體系)，水膠比宜為0.20(不宜大于0.24)。

3)利用工程現(xiàn)場材料制備的C100超高強泵送混凝土，總體應用效果良好： 混凝土泵送順利(出機坍落度為250～260 mm、擴展度為570～635 mm、倒筒時間為10～13 s，1 h坍落度無損失，連續(xù)泵送52 h無堵管)，混凝土28 d強度滿足設(shè)計要求(28 d標準養(yǎng)護抗壓強度為116.8～136.8 MPa)，澆筑完成的混凝土結(jié)構(gòu)色澤均勻、外觀良好，取得了C100超高強泵送混凝土在海工領(lǐng)域的成功應用。

3.2 討論

1)C100超高強泵送混凝土由于其膠材用量大，雖采用優(yōu)質(zhì)摻合料和高效減水劑，但其黏度仍比普通混凝土大，對泵送機械的損耗較大；因水膠比極低，在施工中混凝土表面極易產(chǎn)生“起殼”現(xiàn)象；因膠材用量大、水膠比低，常常導致混凝土水化熱溫升高、自收縮大，混凝土的控裂難度極大。后續(xù)應進一步研究C100超高強混凝土的體積穩(wěn)定性和抗裂性能。

2)目前C100超高強高性能混凝土的應用越來越廣泛，但隨著河砂資源的日益減少，采石場環(huán)境保護要求的提高以及電廠、煉鋼廠等升級改造等原因，優(yōu)質(zhì)砂石和優(yōu)質(zhì)礦物摻合料資源日益緊缺，建議進一步研究采用機制砂等人工砂、石灰石粉和偏高嶺土等新型礦物摻合料配制C100超高強機制砂自密實混凝土，并研究其超高泵送性能、生產(chǎn)制備工藝、質(zhì)量評價方法等。

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