大流動性混凝土配合比優(yōu)化及微結(jié)構(gòu)表征*

黎夢圓 曹豐澤 閻培渝 周予啟, 張一擎 李洪海

(1.清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084； 2.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司, 北京 100102)

一般情況下，礦物外加劑比普通硅酸鹽水泥便宜，適當(dāng)使用礦物外加劑不僅可以降低工程成本，還可以改善新拌混凝土的工作性能和耐久性[1-2]。與此相關(guān)的研究很多，比如Jiao等綜述了多種不同的礦物外加劑對新拌混凝土流動性能的影響[3];Vivek等研究了多種礦物外加劑對自密實混凝土耐久性的影響[4]。

某建筑工程處于非洲亞熱帶沙漠地區(qū)，砂石資源充足且質(zhì)量穩(wěn)定。目前使用的大流動性混凝土的性能可以滿足工程要求，但所用礦渣硅酸鹽水泥和硅灰等原料需要進(jìn)口，其購置成本數(shù)倍于當(dāng)?shù)厮a(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。針對此工程的具體問題，無法直接利用已有的礦物外加劑的研究成果來解決，需具體問題具體分析。在保證工程質(zhì)量的條件下，為降低原材料成本，探究利用普通硅酸鹽水泥制備大流動性混凝土的可行性。

1 原材料和試驗方法

目前配制混凝土用的膠凝材料為礦渣含量50%的礦渣硅酸鹽水泥(PSC)與硅灰(SF)，計劃改用成本低廉的普通硅酸鹽水泥(OPC)。這三種膠凝材料的X射線熒光譜分析(XRF)的結(jié)果如表1所示?？梢?，與礦渣硅酸鹽水泥+硅灰的復(fù)合膠凝體系相比，普通硅酸鹽水泥的鈣硅比更高。一般地，高鈣硅比的水化硅酸鈣(C-S-H)具有相對粗大的孔結(jié)構(gòu)，這對混凝土的強(qiáng)度和耐久性不利[5-6]。改用普通硅酸鹽水泥拌和混凝土應(yīng)適當(dāng)采用降低水膠比、提高漿骨比等措施以確?；炷恋膹?qiáng)度和耐久性。

表1 三種膠凝材料的XRF化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Chemical composition of three cementitious materials analyzed by XRF %

三種膠凝材料的X射線衍射分析(XRD)的結(jié)果如圖1所示。從圖中峰的相對強(qiáng)弱[7]可知，普通硅酸鹽水泥中硅酸三鈣(C3S)的含量高于礦渣硅酸鹽水泥。

1—C3S; 2—C2S; 3—C3A; 4—C4AF。圖1 三種膠凝材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of three cementitious materials

兩種水泥的顆粒粒徑分析結(jié)果如圖2所示。普通硅酸鹽水泥的平均顆粒粒徑高于礦渣硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥的比表面積小于礦渣硅酸鹽水泥[8-9]。硅灰的比表面積為23 136 m2/kg。

圖2 兩種水泥的顆粒粒徑分布Fig.2 Particle-size distribution of two kinds of cement

混凝土的配合比如表2所示，其中C1和C2為工程目前使用的摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土(對照組)，CC1和CC2是經(jīng)多次探索后計劃替代C1和C2的普通硅酸鹽水泥混凝土(試驗組)。細(xì)骨料為粒徑范圍不大于4.75 mm的當(dāng)?shù)靥烊簧?，粗骨料為兩種不同粒徑范圍的白云石。外加劑LXL3888和C315均為緩凝型聚羧酸減水劑。與對照組相比，試驗組的混凝土適當(dāng)降低了水膠比，提高了漿骨比，提高了粗骨料中較小粒徑骨料所占比例，調(diào)整了外加劑的種類和摻量。按不同的試驗要求制樣后，進(jìn)行新拌混凝土擴(kuò)展度測試和硬化混凝土的強(qiáng)度測試，圖3顯示的是在工地實驗室進(jìn)行的混凝土擴(kuò)展度測試?；炷恋陌柚坪宛B(yǎng)護(hù)均在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行。

表2 混凝土的配合比Table 2 Proportions of concrete mix kg/m3

顆徑1的粗骨料顆徑范圍在4.75～12.50 mm;顆徑2的粗骨料顆徑范圍在9.25～25.00 mm。

圖3 新拌混凝土的擴(kuò)展度測試Fig.3 Testing for slump flow of fresh concrete

制備了相應(yīng)的凈漿，配合比如表3所示。其中P1與P2為對照組，PP1與PP2為試驗組。按不同的試驗要求制樣后，進(jìn)行漿體的水化熱、微觀形貌和孔隙特征分析。

表3 凈漿的配合比Table 3 Proportions of paste mix %

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 新拌混凝土的擴(kuò)展度

4組混凝土拌和后5,180 min的擴(kuò)展度如圖4所示。摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土(C1、C2)與普通硅酸鹽水泥混凝土(CC1、CC2)在拌和后5 min的擴(kuò)展度均大于600 mm，且均無明顯的泌水離析現(xiàn)象。工程要求施工用的混凝土擴(kuò)展度不低于600 mm，4組大流動性混凝土均滿足拌和后混凝土初始工作性的基本要求?；炷罜1在拌和后180 min的擴(kuò)展度明顯低于600 mm，說明C1的保坍性能不良，未能滿足工程對混凝土新拌性能的要求。相比之下，CC1和CC2的180 min的擴(kuò)展度維持在600 mm以上，說明兩組普通硅酸鹽水泥混凝土均有良好的保坍性能，滿足工程對混凝土新拌性能的要求。

圖4 新拌混凝土的擴(kuò)展度Fig.4 Slump flow of fresh concrete

2.2 混凝土的抗壓強(qiáng)度

4組混凝土在經(jīng)過3，7，28 d養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度如圖5所示。相同齡期時，CC1的抗壓強(qiáng)度均高于C1，CC2的抗壓強(qiáng)度均高于C2，說明兩組普通硅酸鹽水泥混凝土的強(qiáng)度能夠滿足工程需求。

圖5 混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of concrete

經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)后，CC1的抗壓強(qiáng)度比C1高69.0%，CC2的抗壓強(qiáng)度比C2高91.4%，說明兩組普通硅酸鹽水泥混凝土比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土的早強(qiáng)性能更好。可能有兩方面原因：其一，普通硅酸鹽水泥的比表面積小于礦渣硅酸鹽水泥(圖2)，普通硅酸鹽水泥混凝土的早期水化程度更高[10]；其二，普通硅酸鹽水泥混凝土的水膠比低于摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土(表2)，經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)，形成了更為密實的微觀結(jié)構(gòu)[11]。使用早強(qiáng)性能顯著地有利于加快混凝土施工進(jìn)度，更易確保工程如期完工。

經(jīng)7,28 d的養(yǎng)護(hù)，CC1的強(qiáng)度相對于經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度的漲幅分別為20.0%、32.8%，同樣情況下，CC2的強(qiáng)度的漲幅分別為5.3%、14.3%，說明兩組普通硅酸鹽水泥混凝土的后期強(qiáng)度增加率較低。這可能是由于普通硅酸鹽水泥混凝土早期水化程度高，在膠凝材料顆粒表面形成了較為致密的水化產(chǎn)物，阻礙了水化反應(yīng)的進(jìn)行[12-13]。

2.3 漿體水化放熱特性

圖6為4種漿體的水化放熱速率曲線。4種漿體的水化放熱速率曲線中加速期均在拌和10 h后出現(xiàn)，這是混凝土拌和180 min后仍然具有較好流動性能的原因。普通硅酸鹽水泥凈漿PP1和PP2的第二放熱峰明顯高于摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P1和P2，說明普通硅酸鹽水泥凈漿早期水化程度更高，這是普通硅酸鹽水泥混凝土早強(qiáng)性能顯著的原因之一。

圖6 漿體水化放熱速率曲線Fig.6 Exothermic rate curves of binders

圖7為4種漿體的水化放熱量曲線。普通硅酸鹽水泥凈漿PP1和PP2在7 d內(nèi)的放熱量比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P1和P2高，普通硅酸鹽水泥凈漿水化放熱量與摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體的水化放熱量之間的差異在30 h后逐漸加大(圖7)，這與水化放熱速率曲線中第二放熱峰的時間相吻合(圖6)，也說明了普通硅酸鹽水泥凈漿比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體早期水化程度高。

圖7 漿體水化放熱量曲線Fig.7 Hydration heat curves of binders

2.4 硬化漿體的微觀形貌

圖8、圖9所示為4種漿體在20 ℃下水化不同齡期的顯微形貌。可見，摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P1和P2(圖8a、b)在水化早期漿體的致密度較低，漿體中含有大量的針狀鈣釩石晶體，同時伴隨大量孔隙。其中，由于P1的水膠比較高，因此漿體的孔隙較大，針狀鈣釩石晶體也較多。而普通硅酸鹽水泥漿體PP1和PP2 (圖8c、d)在水化第3天時即形成十分致密的膠凝體，C-S-H凝膠相互交疊成為致密的水泥石，漿體孔隙率很低。這是普通硅酸鹽水泥混凝土比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土早強(qiáng)性能好的另一原因。

a—P1; b—P2; c—PP1; d—PP2。圖8 20 ℃下經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)不同配比水泥凈漿的SEM圖像Fig.8 SEM images of binder paste with different mix proportions cured at 20 ℃ for 3 d

水化第7天時(圖9)各組凈漿相比于經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)的凈漿致密程度更高。摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P2致密程度仍較普通硅酸鹽水泥漿體PP2低，同時漿體中仍含有大量未水化的礦渣顆粒，與水化產(chǎn)物之間界限明顯(圖9b)。而對于普通硅酸鹽水泥漿體PP2，未水化水泥顆粒含量較低，并與水泥石之間結(jié)合緊密。

a—P1; b—P2; c—PP1; d—PP2。圖9 20 ℃下經(jīng)7 d養(yǎng)護(hù)不同配比水泥凈漿的SEM圖像Fig.9 SEM images of binder paste with different mix proportions cured at 20 ℃ for 7 d

2.5 硬化漿體的孔隙特征

圖10和圖11所示為4種漿體在20 ℃下養(yǎng)護(hù)不同齡期的孔隙特征。相同齡期時，4種漿體的孔徑分布曲線圖中的峰的位置(圖10a和圖11a)非常接近，說明4種漿體的最可幾孔徑的大小相差不大。相同齡期時，普通硅酸鹽水泥漿體PP1和PP2的孔隙率比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P1或P2低(圖10b和圖11b)，PP1和PP2的漿體結(jié)構(gòu)比P1或P2更為致密，這與硬化漿體的微觀形貌分析結(jié)論一致。

圖10 經(jīng)3 d養(yǎng)護(hù)漿體的孔徑分布Fig.10 Pore-size distribution of the paste cured for 3 days

圖11 漿體在7 d齡期時的孔徑分布Fig.11 Pore-size distribution of the paste cured for 7 days

2.6 混凝土的其他性能

受當(dāng)?shù)卦囼灄l件的限制和試驗設(shè)備的缺乏，無法進(jìn)行混凝土耐久性、抗裂性等一系列試驗。但這些性能對混凝土配合比優(yōu)化同樣重要。

設(shè)計的普通硅酸鹽水泥混凝土CC1和CC2的耐久性不比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土C1和C2差的可能性較高。其一，在相同的齡期時，CC1的抗壓強(qiáng)度高于C1，CC2的抗壓強(qiáng)度高于C2(圖5)。雖然混凝土的強(qiáng)度與其耐久性沒有必然的聯(lián)系，但一般情況下強(qiáng)度高的混凝土更為密實，這對耐久性是有利的。其二，在相同的齡期時，普通硅酸鹽水泥漿體PP1和PP2的漿體結(jié)構(gòu)比摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體P1和P2致密(圖8和圖9)，PP1和PP2的孔隙率比P1和P2低(圖10b、圖11b)，這都說明PP1和PP2比P1和P2更為密實。漿體的密實性是混凝土密實程度的重要部分，混凝土越密實，其耐久性越好[14]。其三、CC1和CC2的漿骨比分別高于C1和C2(表2)，因此混凝土CC1和CC2的界面過渡區(qū)數(shù)量少于C1和C2?；炷两缑孢^渡區(qū)薄弱會造成混凝土的耐久性不良。減少混凝土界面過渡區(qū)的數(shù)量對提高混凝土的耐久性有利。以上三點確保了普通硅酸鹽水泥混凝土(CC1、CC2)的耐久性大概率不低于摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土(C1、C2)。

抗裂性是指混凝土抵抗干縮變形或溫度變形而產(chǎn)生裂縫的能力。這些變形所引起的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時會產(chǎn)生裂縫。因此，混凝土的抗拉強(qiáng)度越高，抗裂性越好[15]。一般地，混凝土的彈性模量隨著混凝土強(qiáng)度的增大而增大，混凝土的抗拉強(qiáng)度也隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增大而增大。混凝土抗壓強(qiáng)度較高時，其抗裂性也較高。相同齡期時，CC1的抗壓強(qiáng)度均高于C1，CC2的抗壓強(qiáng)度均高于C2(圖5)。另外，增加漿骨比也有助于提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，有助于提高混凝土的抗裂性。CC1和CC2的漿骨比分別高于C1和C2(表2)。以上兩點確保普通硅酸鹽水泥混凝土(CC1、CC2)的抗裂性大概率不低于摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土(C1、C2)。

3 結(jié)束語

1)與摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土相比，普通硅酸鹽水泥混凝土拌和物的流動性能和保坍性能更好、早強(qiáng)性能顯著、各個齡期的抗壓強(qiáng)度更高。

2)與摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥漿體相比，普通硅酸鹽水泥漿體早期水化程度更高，漿體結(jié)構(gòu)更為致密。

3)多項性能對比結(jié)果表明，普通硅酸鹽水泥混凝土性能優(yōu)于摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、混凝土性能及其組成漿體的性能，可考慮使用普通硅酸鹽水泥混凝土替代摻有硅灰的礦渣硅酸鹽水泥混凝土。