粗集料C120超高強(qiáng)高性能混凝土配合比及耐久性研究

樸志海， 陳興盛， 姚瑞珊， 張廣偉

（1.龍建路橋股份有限公司，哈爾濱 150090；2.天津市農(nóng)村社會(huì)事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300384；3.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025）

0 引言

在世界范圍內(nèi)，城市建筑逐步向高層化、大跨度和輕量化發(fā)展，大跨度、超大跨度橋梁和高速鐵路對(duì)混凝土的性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)普通混凝土強(qiáng)度和耐久性不足的缺陷日益凸現(xiàn)，性能更好的超高強(qiáng)高性能混凝土的研究和應(yīng)用將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在國(guó)際上，混凝土研究和應(yīng)用強(qiáng)度不斷提高，C60～C100區(qū)段的高強(qiáng)混凝土的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)比較成熟，目前研究的熱點(diǎn)集中在C100～C150的強(qiáng)度區(qū)段，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，C100以上超高強(qiáng)度混凝土將會(huì)得到大量推廣應(yīng)用。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用雖然較西方發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但發(fā)展勢(shì)頭很好，研究團(tuán)隊(duì)及應(yīng)用工程比較多。在國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等許多科研團(tuán)隊(duì)都對(duì)C100及C100以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行過(guò)比較系統(tǒng)研究，取得了一系列研究成果。C100高性能混凝土在廣州、北京、上海等許多城市超高層建筑中都有成功應(yīng)用的報(bào)道［1，2］。

1 研究目的及技術(shù)路線

1.1 研究目的

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一直在不斷提高。采用傳統(tǒng)原材料，沿用傳統(tǒng)方法配制C120以上混凝土比較困難，雖然活性粉末混凝土的綜合性能優(yōu)越，但這種混凝土的單方成本是C120混凝土3倍甚至更高，而且其養(yǎng)生條件苛刻（需要70℃以上溫度養(yǎng)生），目前不適合一般工程應(yīng)用。為適應(yīng)工程需要，有必要研究一種采用常規(guī)原材料配制、常規(guī)條件養(yǎng)生和成本較低的超高強(qiáng)高性能混凝土，以適應(yīng)現(xiàn)代工程當(dāng)下及潛在的需要。在此背景下項(xiàng)目系統(tǒng)研究了C120超高強(qiáng)高性能混凝土及相關(guān)性能，這種混凝土選用高品質(zhì)傳統(tǒng)原材料配制，具有優(yōu)異的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能，但單方成本僅為活性粉末混凝土的30%左右。

1.2 研究的技術(shù)路線

傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計(jì)遵循“鮑羅米”公式，即混凝土強(qiáng)度與水灰比關(guān)系式。

現(xiàn)代超高強(qiáng)高性能混凝土的典型特征是高工作性、超高強(qiáng)度和良好的耐久性。研究發(fā)現(xiàn)影響這些性能的主要因素是高性能減水劑和水膠比，其次是高品質(zhì)的原材料。

研究基于豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在掌握大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擬定一個(gè)水膠比范圍，試配時(shí)不得超過(guò)該值；優(yōu)選高品質(zhì)的粗細(xì)集料和礦物摻合料，選擇減水率高、與水泥相容性良好的高性能聚羧酸減水劑，結(jié)合有針對(duì)性、有方向性的一系列嚴(yán)謹(jǐn)試驗(yàn)進(jìn)行系列研究。

2 C120超高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)要求

工作性要求：坍落度230±20mm［3］，擴(kuò)展度大于600mm×600mm，120min內(nèi)坍落度損失不超過(guò)10%，不離析，不泌水。試配強(qiáng)度f(wàn)cu.0≥138MPa。

2.2 原材料的選擇及性能

在掌握大量歷史資料基礎(chǔ)上，經(jīng)多方對(duì)比、優(yōu)選用于配制C120超高強(qiáng)高性能混凝土的全部原材料。

（1） 水泥：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)選了“天鵝”牌和“虎鼎”牌P.O52.5水泥備用，用同一種外加劑不同摻量對(duì)這兩種水泥凈漿流動(dòng)度的影響進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，在外加劑摻量相同條件下，“天鵝”牌P.O52.5水泥的凈漿流動(dòng)度較大。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，這兩種水泥其它物理力學(xué)指標(biāo)差別不大，根據(jù)此選擇流動(dòng)性更好的“天鵝”牌P.O52.5水泥。該水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.8%，28d抗折強(qiáng)度8.8MPa，28d抗壓強(qiáng)度58.0MPa。

圖1 外加劑不同摻量對(duì)兩種水泥凈漿流動(dòng)度影響

（2） 礦物摻合料：配制超高強(qiáng)高性能混凝土，礦物摻合料為必?fù)侥z凝材料，這種材料對(duì)提高混凝土的工作性、密實(shí)度、強(qiáng)度和耐久性幫助極大［4］?？紤]市場(chǎng)供應(yīng)情況，并兼顧經(jīng)濟(jì)性，項(xiàng)目的選擇結(jié)果是：Ⅰ級(jí)粉煤灰，摻量8%～10%；S105級(jí)粒化高爐礦渣粉，摻量12%～15%；微硅粉，二氧化硅含量95%，摻量5%～8%。

（3） 外加劑：性能優(yōu)異的外加劑是配制超高強(qiáng)高性能混凝土的必備材料。減水率高、相容性好的外加劑可以大幅度減少混凝土拌和用水量，提高混凝土的工作性，減少混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。研究中優(yōu)選了兩種聚羧酸鹽高性能減水劑A和B，用同種水泥對(duì)這兩種外加劑的不同摻量做凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 兩種外加劑不同摻量對(duì)同種水泥凈漿流動(dòng)度影響

圖2表明，A外加劑的飽和點(diǎn)低于B外加劑的飽和點(diǎn)，相同摻量下A外加劑的流動(dòng)度明顯高于B外加劑的流動(dòng)度，基于此，我們選擇A外加劑進(jìn)行后續(xù)研究。該外加劑的減水率大于35%，泌水率為0，其28d抗壓強(qiáng)度比大于180%。

（4） 粗集料：超高強(qiáng)高性能混凝土對(duì)粗集料要求較高，研究表明減小粗集料的缺陷和有害雜質(zhì)含量對(duì)提高混凝土性能有利，粗集料的平均粒徑越小，其內(nèi)部缺陷也越小，同時(shí)其總表面積也越大，與水泥漿接觸面積就越大，這樣二者之間的粘接強(qiáng)度就越大，用該粗集料配制的混凝土強(qiáng)度越高，耐久性也越好。項(xiàng)目研究選擇的粗集料公稱最大粒徑為16mm，屬于連續(xù)級(jí)配反擊破碎整形碎石。碎石母料為玄武巖，其單軸抗壓強(qiáng)度大于150MPa，壓碎值3%，針片狀含量2%，含泥量0%，石粉含量0.5%，表觀密度2780kg/m3。

（5） 細(xì)集料：配制混凝土最好的細(xì)集料是天然河砂，砂的粗細(xì)程度、有害雜質(zhì)含量多少對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性都有很大影響。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目研究選擇Ⅱ區(qū)河砂，其細(xì)度模數(shù)2.68，含泥量0.5%，表觀密度2750kg/m3，松堆積密度1600kg/m3。

（6） 拌合用水：研究選擇飲用水?dāng)嚢杌炷痢?/p>

2.3 試配C120超高強(qiáng)高性能混凝土

2.3.1 確定配合比

現(xiàn)代混凝土的配合比是經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的產(chǎn)物。實(shí)踐表明決定混凝土工作性、強(qiáng)度和耐久性的因素依次為：水膠比，外加劑，膠凝材料和粗細(xì)集料。其中水膠比是影響混凝土性能的決定因素，而外加劑又是主導(dǎo)水膠比的主要因素，其它材料是影響混凝土性能的次要因素。

在試配前根據(jù)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能要求，首先擬定水膠比的范圍，混凝土的工作性由外加劑摻量來(lái)調(diào)節(jié)。

研究擬定C120超高強(qiáng)高性能混凝土的水膠比范圍為0.16～0.18，根據(jù)外加劑前期檢測(cè)結(jié)果，初步確定外加劑摻量范圍3.6%～4.0%；同時(shí)選擇砂率取值范圍34%～36%，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多輪試配，確定了C120超高強(qiáng)高性能混凝土的配合比，其配合比、工作性及力學(xué)性能見(jiàn)表1～表3。

表1 C120超高強(qiáng)高性能混凝土配合比 kg/m3

表2 C120超高強(qiáng)高性能混凝土工作性 mm

表3 C120超高強(qiáng)高性能混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度 MPa

2.3.2 試配結(jié)果分析

（1） 水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的決定因素，采用0.16和0.17水膠比配制的混凝土28d抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到C120超高強(qiáng)高性能混凝土要求，但用0.16水膠比配制的混凝土60min坍落度損失大于40%，用0.17水膠比配制的混凝土120min坍落度損失小于10%；用0.18水膠比配制的混凝土28d抗壓強(qiáng)度不能滿足要求。研究選擇的水膠比為0.17。

（2） 水膠比對(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響最大，礦物摻合料的影響次之，砂率的影響再次之。

（3） 外加劑對(duì)C120超高強(qiáng)高性能混凝工作性影響最大，礦物摻合料的影響次之，砂率的影響稍小。

3 C120超高強(qiáng)高性能混凝土耐久性研究

耐久性是超高強(qiáng)高性能混凝土一個(gè)重要指標(biāo)，為直觀體現(xiàn)C120超高強(qiáng)高性能混凝土優(yōu)越的耐久性能，項(xiàng)目在研究過(guò)程中同時(shí)對(duì)C50混凝土的耐久性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

3.1 C120超高強(qiáng)高性能混凝土抗凍性能

抗凍性是反映混凝土耐久性能重要參數(shù)之一，為較全面檢驗(yàn)這一參數(shù)，項(xiàng)目采用鹽凍法和快凍法兩種方法研究C120超高強(qiáng)高性能混凝土的抗凍性能。

3.1.1 鹽凍法

C50混凝土與C120超高強(qiáng)高性能混凝土56次鹽凍試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 鹽凍法凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鹽凍法達(dá)到28次凍融循環(huán)時(shí)，5個(gè)試件表面積剝落物總質(zhì)量均為零。為進(jìn)一步驗(yàn)證該混凝土抗鹽凍性能，研究過(guò)程中在此基礎(chǔ)上又增加了28次凍融循環(huán)，使總凍融循環(huán)達(dá)到56次。結(jié)果表明C120超高強(qiáng)高性能混凝土抗鹽凍性能明顯優(yōu)于C50混凝土抗鹽凍性能；同時(shí)它的單位表面積剝落物總質(zhì)量平均值僅為7.3g/m2，遠(yuǎn)小于1500g/m2規(guī)范規(guī)定值［5］。由此可見(jiàn)，該混凝土具有及其優(yōu)異的抗鹽凍性能。這得益于該混凝土具有超低的水膠比，超高的密實(shí)度和適宜的含氣量等特質(zhì)。

3.1.2 快凍法

C50混凝土和C120超高強(qiáng)高性能混凝土快凍400次對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 快凍法凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù) %

C120超高強(qiáng)高性能混凝土采用快凍法達(dá)到400次凍融循環(huán)時(shí)，試件相對(duì)動(dòng)彈模量下降值和質(zhì)量損失率均遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的60%和5%，表明該混凝土具有極強(qiáng)的抗凍融循環(huán)能力。對(duì)比試驗(yàn)還表明，C120超高強(qiáng)高性能混凝土的抗凍融能力遠(yuǎn)超過(guò)C50混凝土抗凍融能力，原因在于該混凝土水膠比極小，水化28d以后其內(nèi)部自由水幾乎消耗殆盡，甚至可以忽略不計(jì)，此外，它具有適宜的含氣量。

3.2 C120超高強(qiáng)高性能混凝土抗氯離子滲透性

抗氯離子滲透性是衡量混凝土耐久性重要參數(shù)之一，它可以間接反映鋼筋混凝土中鋼筋被腐蝕的速度和難易程度。研究中采用快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）和電通量法兩種方法來(lái)檢驗(yàn)該混凝土抗氯離子滲透性能［6］。

3.2.1 RCM法

C50混凝土和C120超高強(qiáng)高性能混凝土RCM法氯離子滲透對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 RCM法氯離子遷移系數(shù)DRCM mm2/s

快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）試驗(yàn)結(jié)果表明，C120超高強(qiáng)高性能混凝土具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性能，其抗氯離子滲透性能已經(jīng)大大優(yōu)于RCM-5級(jí)。同時(shí)從對(duì)比試驗(yàn)可以看出，C120超高強(qiáng)高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。

3.2.2 電通量法

電通量法試驗(yàn)結(jié)果表明，C120超高強(qiáng)高性能混凝土具有優(yōu)異的抗抗氯離子滲透性能，其抗氯離子滲透性能已經(jīng)遠(yuǎn)優(yōu)于Qs-V級(jí)。從對(duì)比試驗(yàn)同時(shí)可以清楚看出，C120超高強(qiáng)高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。C120超高強(qiáng)高性能混凝土水膠比極低，密實(shí)度極高，氯離子極難遷移或滲透到混凝土內(nèi)部，它比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透能力。C50混凝土和C120超高強(qiáng)高性能混凝土電通量法氯離子滲透對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 電通量法氯離子電通量C

3.3 C120超高強(qiáng)高性能混凝土抗碳化性能

抗碳化性能是衡量混凝土耐久性的重要參數(shù)之一。研究中選擇將C50混凝土和C120超高強(qiáng)高性能混凝土碳化性能進(jìn)行對(duì)比分析。C120超高強(qiáng)高性能混凝土內(nèi)部密實(shí)度非常高，當(dāng)碳化試驗(yàn)進(jìn)行到28d時(shí)，3個(gè)試件的碳化深度仍然為0mm。為了進(jìn)一步研究該混凝土的抗碳化能力，研究過(guò)程中，將兩種混凝土碳化試驗(yàn)齡期增加到60d。結(jié)果表明碳化試驗(yàn)進(jìn)行到60d后，C50混凝土碳化深度為0.5mm，C120超高強(qiáng)高性能混凝土碳化深度為0mm，由此可以看出，后者密實(shí)度更高，具有更高的抗碳化能力。秦鴻根等［7］對(duì)此也進(jìn)行了研究。

3.4 C120超高強(qiáng)高性能混凝土收縮性能

收縮性能是衡量混凝土耐久性的重要參數(shù)之一。項(xiàng)目選擇非接觸法和接觸法兩種方法研究C50混凝土和C120超高強(qiáng)高性能混凝土的收縮性能。

3.4.1 非接觸法

非接觸法試驗(yàn)研究所得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 混凝土收縮率（非接觸法） 10-4

3.4.2 接觸法（臥式）

接觸法臥式試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 混凝土收縮率（接觸法臥式） 10-4

從表8和表9可以看出，C120超高強(qiáng)高性能混凝土比C50混凝土具有更低的收縮率，原因是具有更低的水膠比，具有更密實(shí)結(jié)構(gòu)和更低變形性能等特質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目研究在大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合豐富混凝土研究實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以擬定水膠比為核心，結(jié)合有針對(duì)性、有方向性的一系列嚴(yán)謹(jǐn)試驗(yàn)進(jìn)行了系列研究，大大簡(jiǎn)化了C120超高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)流程。該混凝土具有：水膠比低，工作性良好；力學(xué)性能優(yōu)越，28d抗壓強(qiáng)度平均值大于138MPa；耐久性優(yōu)于一般高強(qiáng)混凝土和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求；該混凝土的單方成本及養(yǎng)生條件與一般高強(qiáng)混凝土基本相同。該混凝土具有良好的工程應(yīng)用前景。