C80 高強(qiáng)混凝土配合比探討與制備研究

趙明亮，徐文

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

文章統(tǒng)計(jì)了相關(guān)文獻(xiàn)中C80 高強(qiáng)混凝土的配合比，結(jié)果表明：C80 混凝土膠材總量基本穩(wěn)定在550~600 kg/m3，其中有9%文獻(xiàn)報(bào)道的膠材量超過600 kg/m3， 尚未發(fā)現(xiàn)采用低熱水泥制備C80 混凝土的研究。

水泥是建材行業(yè)中碳排放量最大的子行業(yè)，目前C80 混凝土配制思路顯然不利于控制水泥行業(yè)的碳排放、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)[1]。 另一方面，使用高摻量高標(biāo)號水泥制備C80 混凝土，早期水化快、自收縮明顯，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，這種現(xiàn)象尤為突出，不利于結(jié)構(gòu)抗裂和體積穩(wěn)定性，因溫度上升產(chǎn)生的應(yīng)力、混凝土收縮以及收縮抑制而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體發(fā)生開裂、與模板、鋼管、鋼殼脫空的風(fēng)險(xiǎn)較大，須引起足夠重視[2]。

綜合考慮了高強(qiáng)混凝土低碳化制備和水化熱、收縮控制等方面，采用低熱水泥和文獻(xiàn)中很少使用的低水泥用量、大摻量粉煤灰方案制備C80 高強(qiáng)混凝土，并測試了混凝土工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性能和放熱性能。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 混凝土原材料

水泥： 江南小野田P·II 52.5 硅酸鹽水泥和白鶴灘PLH 42.5 低熱水泥，水泥熟料礦物組成見表1。

表1 水泥熟料主要礦物組成單位：%

粉煤灰：鎮(zhèn)江諫壁電廠F 類I 級粉煤灰。

礦粉：南鋼嘉華S95 礦粉。

硅灰：武漢紐瑞琪非加密SF90 硅灰。

骨料： 采用細(xì)度模數(shù)2.7 的天然砂和5~10 mm、10~20 mm 的玄武巖碎石。

減水劑：采用聚羧酸型高性能減水劑，固體含量20%。

水：拌合用水為潔凈自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能按JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試擴(kuò)展度、T500、倒筒時(shí)間、含氣量、容重。 根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土7 d、28 d、56 d齡期抗壓強(qiáng)度。 收縮性能測試采用R=100 mm、H=400 mm 的PVC 管模具，成型結(jié)束后將測頭埋入混凝土表面，用塑料薄膜覆蓋，室溫保持在（20±2）℃，相對濕度保持在（60±5）%，在混凝土凝結(jié)硬化后用石蠟封住表面，放置于立式測試支架上，采用千分表測試試件收縮變化值。 參照DL/T 5150—2017 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測試混凝土絕熱溫升。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

配合比見表2，1# 組是采用P·II 52.5 硅酸鹽水泥制備C80 混凝土的配合比， 此組作為對比。2#~13#組為采用低熱水泥制備C80 混凝土的配合比，配合比分為不含礦粉和含礦粉兩種，在不含礦粉配合比中， 水泥用量設(shè)置300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3、380 kg/m3梯度，含礦粉配合比中，水泥用量設(shè)置300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3梯度，W/B 設(shè)置0.214、0.23 梯度。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比單位：kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性能

通過調(diào)整減水劑摻量，控制所有混凝土擴(kuò)展度基本處于（650±25） mm 范圍，含氣量在（3±1）%范圍，表觀密度在（2 500±50） kg/m3范圍。 試驗(yàn)結(jié)果見表3， 表3 中1# 組是采用硅酸鹽水泥制備的C80 混凝土，T500、倒筒時(shí)間分別為9.5 s、7.5 s，混凝土流動性良好。 采用低熱水泥制備的C80 混凝土工作性能指標(biāo)T500、倒筒時(shí)間見圖1、2。

圖1 水膠比0.214 下低熱水泥C80 混凝土工作性能

表3 混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度

由于低熱水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量較低，所以在減水劑摻量沒有顯著變化的情況下，可采用更低水膠比制備出施工性能良好的C80 混凝土。 由圖1 可知，當(dāng)水膠比為0.214 時(shí)，混凝土T500 12~16 s，倒筒時(shí)間12~14 s，混凝土流速相對于1#組降低較明顯，且隨著水泥摻量增加，混凝土流速逐漸降低，這主要是由于水泥顆粒初期因潤濕、溶解需結(jié)合大量自由水，導(dǎo)致混凝土流速下降。此外，當(dāng)使用礦粉等質(zhì)量取代一部分粉煤灰后， 混凝土流速會進(jìn)一步降低，主要是由于礦粉顆粒呈棱角狀，取代粉煤灰后會降低球狀顆粒的滾珠軸承作用， 從而降低了流速。 由圖2 可知，當(dāng)水膠比增加至0.23 時(shí)，混凝土流速得到改善，在同等水泥摻量下，T500、倒筒時(shí)間大約降低3 s，水泥摻量、礦粉取代粉煤灰對流速影響規(guī)律和圖1 中相同。 試驗(yàn)結(jié)果表明W/B=0.23 時(shí)混凝土流速可以達(dá)到較佳水平。

圖2 水膠比0.23 下低熱水泥C80 混凝土工作性能

2.2 抗壓強(qiáng)度

由表3 可知，采用硅酸鹽水泥制備的C80 混凝土早期強(qiáng)度較高，7 d 強(qiáng)度達(dá)到了74.4 MPa，28 d 強(qiáng)度為94.8 MPa，增長率為27%，56 d 強(qiáng)度為104.0 MPa，增長率為9.7%。 采用低熱水泥制備的C80 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律見圖3。

圖3 低熱水泥制備C80 混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖3（a）為W/B=0.214 下混凝土強(qiáng)度規(guī)律，盡管水膠比更低，但是由于配合比中無礦粉，混凝土早期強(qiáng)度仍然偏低，7 d 強(qiáng)度大約60~65 MPa。 當(dāng)配合比中摻入礦粉以等量取代部分粉煤灰時(shí)，各個(gè)齡期強(qiáng)度均有增加，尤其明顯提高了早期7 d 強(qiáng)度。不含礦粉時(shí)， 水泥量為300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3所對應(yīng)的28 d 強(qiáng)度增長率分別為42.4%、39.7%、37.1%，56 d 強(qiáng)度增長率分別為3.5%、4.7%、6.5%，含礦粉時(shí)28 d、56 d 強(qiáng)度增長率分別為35.0%、32.5%、20.0%和1.0%、3.9%、9.3%， 說明采用低熱水泥、大摻量粉煤灰后，盡管早期強(qiáng)度偏低，但是后期強(qiáng)度增長率會高于含礦粉的配合比，強(qiáng)度差距在逐漸縮小。圖3（b）中W/B=0.23 下強(qiáng)度變化規(guī)律基本與圖3（a）規(guī)律相同，由于水膠比增加，強(qiáng)度整體稍有偏低，但也有不同之處，不含礦粉時(shí)，水泥量325 kg/m3、350 kg/m3所對應(yīng)的56 d 強(qiáng)度增長率分別為12.5%、20.5%，含礦粉時(shí)，水泥量325 kg/m3、350 kg/m3所對應(yīng)的56 d 強(qiáng)度增長率分別為14.1%、14.7%， 說明適當(dāng)提高水膠比后，56 d 強(qiáng)度增長率會更高，強(qiáng)度增長空間更大。

對比采用硅酸鹽水泥和低熱水泥、大摻量粉煤灰制備的C80 混凝土試驗(yàn)結(jié)果可知， 盡管后者早期強(qiáng)度偏低，但是28 d 強(qiáng)度增長率明顯高于前者，56 d 強(qiáng)度增長率因水膠比不同而存在一定差異，后期強(qiáng)度逐漸接近并達(dá)到硅酸鹽水泥混凝土抗壓強(qiáng)度水平。

2.3 自收縮

測試對比了硅酸鹽水泥混凝土配合比（1#）和低熱水泥混凝土配合比 （8#、9#、10#、11#、12#）在22 ℃條件下混凝土自生體積變形特點(diǎn)，結(jié)果見圖4。

圖4 C80 混凝土自生體積變形

由圖4 可知， 采用硅酸鹽水泥制備的C80 混凝土?xí)a(chǎn)生非常明顯的自收縮，早期收縮增加速率也很快， 大約75%自收縮量集中產(chǎn)生于早期10 d內(nèi)，28 d 后自收縮會持續(xù)增加， 但增加速率緩慢，60 d 齡期自收縮累計(jì)為200 με。

當(dāng)采用低熱水泥、大摻量粉煤灰方案后，混凝土總體收縮量和早、后期收縮增加速率均降低，不摻入礦粉時(shí)， 如圖4 中325 kg/m3-PLH 42.5-no slag、350 kg/m3-PLH 42.5-no slag 組， 自收縮量大約降低了60%，后期收縮增加速率和收縮量也更低；當(dāng)摻入礦粉部分取代粉煤灰后，如圖4 中325 kg/m3-PLH 42.5-slag、350 kg/m3-PLH 42.5-slag 組， 和不摻礦粉配合比相比， 混凝土自收縮均不同程度增加， 說明摻入礦粉不利于混凝土自收縮的降低；對比圖4 中325 kg/m3-PLH 42.5-no slag、350 kg/m3-PLH 42.5-no slag、380 kg/m3-PLH 42.5-no slag 組可知，隨著水泥含量增加，混凝土自收縮逐漸增加，說明水泥摻量對自收縮影響非常明顯，降低水泥摻量可以有效抑制混凝土自收縮。

2.4 絕熱溫升

根據(jù)工作性能、 抗壓強(qiáng)度和自收縮試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合對大體積混凝土結(jié)構(gòu)安全的綜合考慮，現(xiàn)選擇了低熱水泥、 大摻量粉煤灰混凝土配合比（10#）和硅酸鹽水泥混凝土配合比（1#），分別測試了C80混凝土在絕室條件下的溫升特點(diǎn)， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 C80 混凝土絕熱溫升

由圖5 可知，采用兩種配合比制備的混凝土出機(jī)溫度基本相同（22.5 ℃），在絕熱條件下，采用硅酸鹽水泥和低熱水泥、大摻量粉煤灰制備的混凝土最終穩(wěn)定溫度分別為75 ℃和70 ℃，絕熱溫升值分別為52.5 ℃、47.5 ℃，此外，采用低熱水泥、大摻量粉煤灰方案制備的混凝土早期水化溫升速率也更低，說明混凝土水化溫升得到了很好的控制，有利于大體積混凝土體積穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

采用低摻量的低熱水泥、大摻量粉煤灰的方案可以制備出施工性能良好的C80 混凝土， 混凝土早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度發(fā)展速率加快，并逐漸趕上硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度水平。相較于硅酸鹽水泥混凝土，混凝土自收縮值降低60%，絕熱溫升降低5 ℃，混凝土抗裂性能顯著提升。

降低水泥摻量、 采用低熱水泥措施有利于水泥行業(yè)碳減排，混凝土抗裂性能改善提高了結(jié)構(gòu)服役壽命，從全壽命周期上極大地支撐了建筑的低碳可持續(xù)發(fā)展。