三元復合膠凝體系下海工高品質(zhì)混凝土性能研究

陽 俊，秦明強，楊如仙，汪華文

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.中交二航武漢港灣新材料有限公司，武漢 430040)

隨著交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，在重視工程質(zhì)量的同時，人們也不斷追求工程外在質(zhì)量的提升。2016年12月，交通運輸部明確了品質(zhì)工程是“踐行現(xiàn)代工程管理發(fā)展的新要求，追求工程內(nèi)在質(zhì)量和外在品味的有機統(tǒng)一，以優(yōu)質(zhì)耐久、安全舒適、經(jīng)濟環(huán)保、社會認可為建設(shè)目標的公路水運工程建設(shè)成果”。高品質(zhì)工程建設(shè)的基礎(chǔ)之一便是高品質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)。高品質(zhì)混凝土具有外觀形象美、內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)、結(jié)構(gòu)功能全和使用壽命長等特點。

近年來，清水混凝土等高品質(zhì)混凝土開始被大力推廣應用于海洋環(huán)境下的混凝土工程中，但由于海洋環(huán)境耐久性的要求非常高，目前在海工混凝土中通常采用大摻量優(yōu)質(zhì)礦物摻合料及性能穩(wěn)定的外加劑來保證海洋工程混凝土的品質(zhì)。然而，隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)規(guī)模的擴大，滿足現(xiàn)有混凝土技術(shù)要求的粉煤灰和礦渣粉已經(jīng)日益短缺，優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的分布不均和質(zhì)量不穩(wěn)定，也使混凝土品質(zhì)提升難度增大。而石灰石粉作為一種儲量大、易獲取、價格低的混凝土用礦物摻合料，在海工混凝土中應用還較少。針對石灰石粉作為混凝土摻合料的物理和化學性能、應用效果和作用機理，國內(nèi)學者進行了大量的研究。汪華文等[1]用一定細度的石灰石粉取代粉煤灰，改善混凝土工作性能、表觀質(zhì)量和耐久性能。楊如仙等[2]系統(tǒng)分析了磨細石粉作為礦物摻合料對混凝土的影響，證明適量的石灰石粉可以提高混凝土的工作性能、力學性能和抗?jié)B性能、降低抗氯離子滲透性及抗硫酸鹽侵蝕性能、抗碳化性。胡紅梅等[3]試驗得出在合適的摻量范圍和復配比例條件下，石灰石粉與礦粉復摻不僅可以改善混凝土的自密實性能，同時也能滿足高強要求。鄢佳佳等[4]研究得出，比表面積對石粉活性影響較顯著，而對其需水性的影響相對較小。隨著石粉比表面積的提高，砂漿流動度、抗壓強度、干縮等輕微增大，抗氯離子滲透性小幅降低。馮慶革等[5]得出石灰石粉替代部分粉煤灰或礦粉，可以有效地改善工作性能，但對混凝土的抗氯離子滲透性不利。

粉煤灰和礦粉的單摻或復摻技術(shù)在海工混凝土中已得到較普遍應用，石灰石粉、粉煤灰和礦渣粉三者不同組合的多元復摻配制海工高品質(zhì)混凝土的研究還相對較少，試驗通過研究復合摻合料對混凝土工作性能、力學性能、耐久性能及外觀質(zhì)量的影響，為海工高品質(zhì)混凝土配制提供一定的理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：海螺PO 42.5，密度3.1 g/cm3，比表面積367 m2/kg，初凝215 min、終凝285 min，3 d抗壓強度29.5 MPa、28 d抗壓強度53.6 MPa。

2)礦渣粉：首鋼S95級?；郀t礦渣粉，7 d、28 d活性指數(shù)分別為78%、97%，流動度比100%。

3)粉煤灰：華源新型材料公司F類Ⅰ級粉煤灰,密度2.15 g/cm3，需水量比90%，燒失量9.05%。

4)石灰石粉：連州400 目石灰石粉，其流動度比為121.2%，亞甲藍0.33 g/kg，7 d和28 d活性指數(shù)分別為66%、80%。

5)河砂：江西贛江中粗砂，細度模數(shù)為2.7，含泥量0.5%，泥塊含量0.1%。

6) 碎石：5～10 mm、10～20 mm二級配連續(xù)碎石。表觀密度2 690 kg/m3，含泥量0.4%，吸水率1.0%，泥塊含量0.1%，針片狀9.2%，壓碎指標6.4%。

7)減水劑：中交二航武漢港灣新材料公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，摻量為1.1%時減水率28%,固含量23%，7 d、28 d抗壓強度比分別為173%、152%。

1.2 方法

混凝土工作性能試驗按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行；混凝土力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行，試件為標準尺寸；混凝土干燥收縮試驗及氯離子擴散系數(shù)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)進行；絕熱溫升按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2020)5.19試驗方法，主要儀器為耐爾NELD-TV810型混凝土絕熱溫升儀；采用相同的脫模體系及振搗工藝，通過室外縮尺模型對比混凝土外觀質(zhì)量，模型尺寸2 m×0.5 m×1 m。

1.3 配合比設(shè)計

海工混凝土配制上多采用多種礦物摻合料復合，發(fā)揮其疊加效應，提高混凝土密實度及勻質(zhì)性，以配制出高質(zhì)量的混凝土。該試驗以C40墩身海工高品質(zhì)混凝土為設(shè)計目標，通過室內(nèi)多次試驗，設(shè)計了膠凝體系分別為水泥-粉煤灰-礦渣粉、水泥-粉煤灰-石灰石粉、水泥-礦渣粉-石灰石粉的三組配合比，水膠比為0.36、砂率為40%，水泥和摻合料總量為420 kg/m3，比較三組配合比混凝土工作性能、力學性能、抗裂性能、耐久性能以及外觀質(zhì)量，具體試驗配比如表1 所示。

表1 不同膠凝體系下混凝土基準配合比 /(kg·m-3)

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土工作性能

不同復合膠凝體系對新拌混凝土工作性能的影響見表2。由表2可知：三種膠凝體系下配制的混凝土工作性能均滿足要求，但采用粉煤灰+礦渣粉的膠凝體系配制的混凝土有少量泌水、黏度偏大。說明摻石灰石粉的混凝土，在水膠比和用水量相同的情況下，較其他膠凝材料體系混凝土，更有助于混凝土工作性的提升。采用石灰石粉膠凝體系，在同樣坍落、擴展度要求下，能降低混凝土用水量。

表2 不同膠凝材料體系對混凝土工作性能影響

2.2 混凝土力學性能及耐久性能

測試混凝土強度、彈性模量及氯離子擴散系數(shù)，試驗結(jié)果見表3。

表3 膠凝材料體系對混凝土力學性能及耐久性能的影響

由表3可知：在工作性能相同的條件下，摻入石灰石粉后，3 d及7 d強度及彈性模量均高于未摻石灰石粉的混凝土，但后期強度略低。摻入石灰石粉后，混凝土抗氯離子滲透系數(shù)明顯降低，但基本上能滿足一般海工混凝土耐久性要求。分析原因，主要是由于活性摻合料比石灰石粉比表面積更大、活性組分參與后期水化，能改善混凝土微結(jié)構(gòu)。

2.3 混凝土熱學性能

圖1為三種不同膠凝體系下混凝土的絕熱溫升曲線。從圖1可以發(fā)現(xiàn)：三種混凝土的絕熱溫升均低于40 ℃；礦渣粉+粉煤灰溫度快速上升期始于約0.9 d齡期，溫峰達到38 ℃；石灰石粉+粉煤灰溫度快速上升期始于約1.2 d齡期，較礦渣粉+粉煤灰膠凝體系晚，且溫峰僅為36 ℃，較礦渣粉+粉煤灰膠凝體系低。這是由于大量粉煤灰和石灰石粉的摻入,降低了混凝土在早期的水化放熱和水化速度。相較而言,礦渣粉活性最大、石灰石粉活性最低,且礦渣粉的熱反應速度遠大于粉煤灰的熱反應速度,因此礦渣粉+粉煤灰早期溫度增幅也較高。由于混凝土的早期溫升對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制尤為重要，因此從控制早期溫升角度考慮，石灰石粉與粉煤灰復合膠凝體系較石灰石粉+礦渣粉及粉煤灰+礦渣粉體系更適用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，更不易因溫度應力而發(fā)生開裂。

2.4 混凝土體積收縮

試驗對比了不同膠凝材料體系下的混凝土干燥收縮值，如圖2所示。

由圖2可知，三種膠凝體系組成的海工混凝土收縮曲線基本一致，同等摻合料比例下，石灰石粉+粉煤灰干燥收縮值最小、石灰石粉+礦渣粉收縮值最大。當C40混凝土中摻入20%石灰石粉和20%粉煤灰后，混凝土干燥收縮變小，主要原因為石灰石粉+粉煤灰組成的復合摻合料密度較小，同等質(zhì)量下，摻入的體積大于其他組合，充分發(fā)揮了密實效應，減少了混凝土的干燥收縮。

2.5 混凝土成型外觀質(zhì)量

對比不同膠凝材料體系下混凝土成型外觀質(zhì)量，可以看出：

1)三組小尺寸模型試件，均有較好的外觀質(zhì)量，表面無麻面、砂線以及直徑大于5 mm的氣泡等缺陷，混凝土表面平整光滑，無明顯色差，但都分布有少量微小氣泡。

2)采用粉煤灰+礦渣粉膠凝體系的混凝土，局部有少量淺層黑斑，邊角有黃色銹跡、混凝土顏色偏暗，而采用粉煤灰+石灰石粉和石灰石粉+礦渣粉膠凝體系配制的混凝土色澤更加均勻、光澤更亮白、表面缺陷更少。

因此，采用摻入磨細石灰石粉配制混凝土，更易配制出外觀質(zhì)量佳的高品質(zhì)混凝土。

3 結(jié) 論

a.通過調(diào)整砂率、調(diào)節(jié)減水劑用量等措施，三種復合膠凝體系均能配制出性能優(yōu)良的混凝土。其中，石灰石粉替代粉煤灰、礦渣粉，能夠提供較好的填充效應，改善混凝土粉料級配，明顯提升混凝土的工作性能，存在一定“減水”作用。合理使用石灰石粉，能降低單方混凝土用水量。

b.相較于礦渣粉及粉煤灰，石灰石粉能提高混凝土早期力學性能，后期強度略低于粉煤灰+礦渣粉體系。

c.對比粉煤灰復合膠凝材料體系，石灰石粉與礦渣粉復合后，混凝土工作性能、力學性能和抗裂性能指標略有提高，抗氯離子滲透性能有所降低，外觀質(zhì)量明顯改善，色澤均勻、光澤亮白。

d.石灰石粉作為惰性填料，其反應活性低，能降低混凝土的水化熱和溫度收縮，提高混凝土體積穩(wěn)定性，降低混凝土開裂風險，適于配制大體積混凝土。