不同摻合料對C80機(jī)制砂混凝土性能的改善效果分析

楊海成，陳志強(qiáng)，陳燦，范志宏

（1.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510230；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州510000）

0 前言

高強(qiáng)高性能混凝土由于強(qiáng)度高、剛度大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨度橋梁等現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的重要方向。高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)與普通混凝土有所不同，如原材料選取、配合比設(shè)計(jì)、施工性能要求等方面[1-2]。當(dāng)前采用普通河砂制備高強(qiáng)混凝土已經(jīng)具備較為成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究成果也在廣州新電視塔及東塔、天津高銀117大廈等工程中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。鑒于我國河砂資源逐漸匱乏，機(jī)制砂已成為工程建設(shè)制備混凝土的原材料[5-6]。機(jī)制砂骨料由于顆粒形貌粗糙、含有一定數(shù)量小于0.075 mm的石粉等因素影響，使得機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的制備技術(shù)與河砂具有一定的差異[7]，造成機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的黏度大、施工性能不良、泵送過程易堵管等技術(shù)問題，而活性摻合料具有改善混凝土的工作性、力學(xué)性能、耐久性等突出優(yōu)點(diǎn)，成為高性能混凝土重要的組分之一。此外，隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，石灰石粉、微珠粉等新型活性摻合料的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用不斷深化，在河砂高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)混凝土等制備技術(shù)方面已開展了理論研究與工程實(shí)踐[8－10]，為推動新型活性摻合料的規(guī)模化應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但在機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土技術(shù)方面尚缺乏系統(tǒng)研究。為此，有必要開展粉煤灰、石灰石粉、微珠粉、硅灰等活性摻合料對機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土性能的影響研究，通過活性摻合料對機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土性能的改進(jìn)，以提升機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的施工性能、力學(xué)性能及耐久性，為機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥：越秀P·Ⅱ52.5水泥，物理力學(xué)性能見表1；國電諫壁電廠Ⅰ級粉煤灰和S95級礦粉，性能指標(biāo)見表2，其中水泥和粉煤灰的細(xì)度均采用45 μm方孔篩篩余；硅灰：比表面積（BET法）為18 m2/g，SiO2含量為90.9%，7 d活性指數(shù)為96%；石灰石粉：細(xì)度（45 μm方孔篩篩余）14.5%，碳酸鈣含量99.1%，7 d活性指數(shù)67%，流動度比84%；微珠粉：流動度比為102%，燒失量為2.1%。機(jī)制砂：采用花崗巖干法生產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)為2.8，石粉含量為4.5%，MB值為0.5，吸水率0.5%。粗骨料：花崗巖碎石，采用5～10 mm小石與10～20 mm大石按照4∶6比例復(fù)配使用。減水劑：粉狀高效聚羧酸減水劑。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰和礦粉的性能指標(biāo)

C80機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土配合比見表3，膠凝材料總量為550 kg/m3，水膠比為0.26，配合比考慮了不同膠凝材料體系，其中A1為純水泥體系，A2為10%粉煤灰+25%礦粉雙摻，A3為15%粉煤灰+20%礦粉+5%硅灰混摻，A4為20%礦粉+5%硅灰+5%微珠粉混摻，A5和A6分別為25%礦粉+5%硅灰+8%石灰石粉及25%礦粉+5%硅灰+13%石灰石粉混摻。

表3 機(jī)制砂C80混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)測試

按照表3配合比成型混凝土，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試新拌混凝土坍落度、擴(kuò)展度及倒置坍落度筒排空時間；成型的混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試抗壓強(qiáng)度、劈裂抗裂強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量；參照GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土的抗氯離子滲透性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活性摻合料對C80機(jī)制砂混凝土工作性的影響

新拌混凝土的工作性見表4及圖1，為保證C80機(jī)制砂混凝土良好的施工性能，根據(jù)JGJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對泵送混凝土的技術(shù)要求：新拌混凝土坍落度≥220 mm、擴(kuò)展度≥500 mm、倒置坍落度筒排空時間為5～20 s。

表4 摻合料對C80機(jī)制砂混凝土工作性的影響

由表4、圖1可知，除A1采用純水泥的配合比的倒置坍落度筒排空時間偏長外，其他5個膠凝材料體系的配合比均滿足JGJ/T 281—2012要求，且A1配合比的工作性一般，尤其包裹性和流動性比其他5個配合比差，說明活性摻合料可改善高強(qiáng)混凝土的和易性。不同膠凝材料體系對新拌混凝土性能的影響也有一定的差異，采用8%～13%的石灰石粉與25%礦渣粉和5%硅灰混摻后（A5、A6），可顯著改善C80機(jī)制砂混凝土的工作性，且由于石灰石粉良好的形態(tài)效應(yīng)，有效減少了新拌混凝土所需的外加劑用量，具有顯著的減水作用，同時由于石灰石粉良好的顆粒效應(yīng)，可填充水泥、礦渣粉、硅灰之間的顆?？障?，有效提高新拌混凝土的包裹性和抗離析性能[11－12]，可有效解決C80高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土黏度大不利于遠(yuǎn)距離泵送的技術(shù)難題。微珠粉主要通過優(yōu)質(zhì)粉煤灰精選出的一種超細(xì)粉體產(chǎn)品，理論上可較好地改善新拌混凝土的工作性，但相比采用石灰石粉體系其作用并不顯著，可能與微珠粉的摻量比較低有關(guān)。

圖1 新拌混凝土的工作性

2.2 活性摻合料對C80機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響（見表5）

表5 摻合料對C80機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響

由表5可見，C80機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度早期發(fā)展較快，不同配合比混凝土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了28 d抗壓強(qiáng)度的85%以上，并且采用純水泥的機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土A1早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快，7 d抗壓強(qiáng)度已達(dá)到83.6 MPa，為28 d抗壓強(qiáng)度的96%；從混凝土28 d抗壓強(qiáng)度來看，采用粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻及粉煤灰與礦渣粉、硅灰混摻的A2、A3的抗壓強(qiáng)度比較低，28 d抗壓強(qiáng)度僅分別為80.5、83.7 MPa，這主要是由于粉煤灰的早期水化反應(yīng)較慢所致。當(dāng)石灰石粉摻量≤13%時，通過石灰石粉與礦渣粉、硅灰混摻的方式并不會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)13%石灰石粉與礦渣粉、硅灰混摻時（A6），混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度最高。

C80機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗裂強(qiáng)度等力學(xué)性能同樣早期發(fā)展較快，不同配合比混凝土7 d軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗裂強(qiáng)度基本達(dá)到了28 d強(qiáng)度的80%以上。此外，采用純水泥的高強(qiáng)混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快，與抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢一致。不同摻合料體系對高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土28 d劈裂抗裂強(qiáng)度總體影響并不顯著，基本位于5.4～5.6 MPa。另外，不同摻合料體系配合比的混凝土28 d彈性模量均較高，均高于4.1 GPa。

2.3 機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土不同力學(xué)性能之間的關(guān)系

機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗裂強(qiáng)度的關(guān)系見圖2，并依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，見式（1）。

圖2 機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗裂強(qiáng)度的關(guān)系

機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的劈裂抗裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.061～0.071，均值為0.065，而根據(jù)式（1）計(jì)算的抗壓強(qiáng)度為70～90 MPa高強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.062～0.066。本文采用機(jī)制砂制備的高強(qiáng)高性能混凝土的實(shí)測值稍高于GB 50010—2010計(jì)算值，但總體差別并不顯著，說明機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的脆性并沒有發(fā)生顯著變化。

機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖3，機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.88。對比了GB 50010—2010給出的軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，見式（2），式中對C50及以下普通混凝土取0.76，對C80高強(qiáng)混凝土取0.82，中間按線性插值；對C40以上的混凝土取1.00，對C80高強(qiáng)混凝土取0.87，中間按線性插值。

圖3 機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)式（2）計(jì)算的抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.71～0.73，要顯著低于本試驗(yàn)的實(shí)測值。因此，當(dāng)采用機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土開展混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該考慮與普通河砂高強(qiáng)混凝土的差異。

機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系見圖4，GB 50010—2010給出的彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見式（3），并根據(jù)式（3）計(jì)算了抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系曲線。

圖4 機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系

由圖4可知，機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的散點(diǎn)圖位于GB 50010—2010擬合的曲線上方，根據(jù)式（3）計(jì)算的抗壓強(qiáng)度為80～90 MPa，混凝土彈性模量為3.80～3.88 GPa，而機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的實(shí)測值為4.12～4.59 GPa。說明采用機(jī)制砂制備的高強(qiáng)混凝土彈性模量要優(yōu)于普通河砂混凝土，該結(jié)論與文獻(xiàn)[2]研究基本一致?；谝陨戏治隹芍瑱C(jī)制砂制備的C80高強(qiáng)高性能混凝土的力學(xué)性能要優(yōu)于河砂混凝土。

2.4 活性摻合料對C80機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性的影響（見表6）

表6 摻合料對C80機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

由表6可知，活性摻合料可顯著降低C80機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，提高機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的抗氯離子侵蝕性能，并且不同活性摻合料體系對提升高強(qiáng)混凝土抗氯離子侵蝕性能的作用效果有所不同。相比純水泥高強(qiáng)混凝土A1，粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻的A2混凝土7 d和28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)有所降低，但7 d齡期時氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低幅度并不顯著。其主要是由于粉煤灰、礦渣粉的早期活性較低，但隨齡期的延長、水泥水化進(jìn)程的推進(jìn)，水泥水化產(chǎn)物CH與粉煤灰、礦渣粉中鈣硅鋁相發(fā)生二次水化反應(yīng)，進(jìn)而提高混凝土基體的密實(shí)度和抗氯離子滲透性[13]。當(dāng)采用硅灰與粉煤灰、礦渣粉混摻時，由于硅灰早期火山灰活性較高，不僅可顯著降低混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，且對7 d早齡期的抗氯離子滲透性有較好的提升作用。相比A3配合比，采用粉煤灰微珠替換Ⅰ級粉煤灰的A4配合比，混凝土7 d和28 d抗氯離子滲透性均有所降低。其主要是由于粉煤灰微珠是一種新型超細(xì)玻璃珠材料，是從優(yōu)質(zhì)粉煤灰中提取的以球形玻璃體為主的顆粒，平均粒徑僅為幾微米，火山灰活性高、需水量小、顆粒填充與分散作用顯著，對提升高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的工作性和耐久性具有較好的作用[14]。相比粉煤灰微珠與礦渣粉和硅灰混摻的配合比A4，采用石灰石粉與礦渣粉和硅灰混摻可進(jìn)一步降低機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的抗氯離子侵蝕性能，當(dāng)石灰石粉摻量為13%時，混凝土7 d和28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為3.74×10－12m2/s、1.56×10－12m2/s，比A4配合比分別降低了19%、14%，比純水泥混凝土A1分別降低了39%、62%。其主要是由于石灰石粉表面具有特殊的表面結(jié)構(gòu)，能夠作為C－SH沉淀生成的晶核，有助于C－S－H的生長，對于膠凝材料用量大、水膠比低的高強(qiáng)混凝土，水泥、硅灰等膠凝材料的水化程度較低，大量未水化的水泥熟料、硅灰顆粒等僅作為填充材料，造成極大的浪費(fèi)。而石灰石粉作為惰性材料，基本不與膠凝材料水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，但其在混凝土中可起到顆粒填充效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)。石灰石粉顆粒的填充效應(yīng)不僅填充了水泥－礦渣粉－硅灰之間的空隙，也促進(jìn)了水泥的分散、稀釋了水泥的含量，提高了混凝土的有效水灰比，促進(jìn)了水泥的水化程度，進(jìn)而可提高混凝土早期強(qiáng)度和耐久性。因此，結(jié)合前文的分析，說明石灰石粉與礦渣粉和硅灰混摻的膠凝材料體系可顯著改善機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的工作性、力學(xué)性能及長期耐久性，是提升機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土性能的重要技術(shù)途徑。

3 結(jié)論

（1）采用10%粉煤灰+25%礦粉、15%粉煤灰+20%礦粉+5%硅灰、20%礦粉+5%硅灰+5%微珠粉、25%礦粉+5%硅灰+8%石灰石粉及25%礦粉+5%硅灰+13%石灰石粉等活性摻合料混摻，均可改善C80機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的工作性，顯著降低機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，且8%～13%的石灰石粉+25%礦粉+5%硅灰的混摻體系改善效果更優(yōu)，混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于2.0×10－12m2/s。

（2）C80機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的力學(xué)性能早期發(fā)展較快，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗裂強(qiáng)度等達(dá)到了28 d齡期的80%以上。機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.065，基本與GB 50010—2010計(jì)算值一致，機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的脆性并沒有顯著變化。機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.88，要顯著高于GB 50010—2010的計(jì)算值，且機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土具有較高的彈性模量，28 d彈性模量達(dá)4.1 GPa以上。

（3）采用8%～13%的石灰石粉+25%礦粉+5%硅灰混摻的膠凝材料體系可顯著改善機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土的工作性、力學(xué)性能及長期耐久性，是提升機(jī)制砂高強(qiáng)高性能混凝土性能的重要技術(shù)途徑。