陳社生，黃沛增，潘榮國，王寶卿，黃興亮，斯方海

（陜西省建筑科學(xué)研究院，陜西  西安  710082）

Utilizing Materials in Shanxi to Prepare C90 High Strength and High Performance Concrete

Chen Shesheng，Huang Peizeng，Pan Rongguo Wang Baoqing，Huang Xingliang，Si Fanghai

（Shanxi Provincial Academy of Building Research, Xi’an Shanxi 710082, China ）

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，帶來物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)，混凝土已逐漸成為人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、生活的基礎(chǔ)。混凝土是以水泥為主要膠凝材料的建筑材料，水泥生產(chǎn)歷來是一種污染源，在其制造過程中，原生資源耗量大，廢氣、粉塵排放量大，水泥的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的惡化已造成不可低估的影響。如何解決建設(shè)發(fā)展對(duì)混凝土的需求和環(huán)境保護(hù)需限制水泥生產(chǎn)的這對(duì)矛盾，需要我們進(jìn)行深入地思考。發(fā)展應(yīng)用綠色混凝土將是解決這矛盾一個(gè)途徑，而高強(qiáng)高性能混凝土又是綠色混凝土發(fā)展的主要方向。這是由于高強(qiáng)高性能混凝土能有效地減輕結(jié)構(gòu)自重，這樣就可大幅度減少水泥和混凝土用量，增加建筑使用面積和縮短施工工期，帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)高性能混凝土能大幅度地提高混凝土的耐久性，降低建筑物的維修費(fèi)用和增長使用壽命。同時(shí)應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土還能使工程的材料用量及建筑成本將大量減少，生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工能耗也將大量降低，減小對(duì)環(huán)境的破壞。

 

    研究高強(qiáng)高性能混凝土技術(shù)途徑就是要嚴(yán)格篩選控制原材料，盡量降低混凝土內(nèi)部的缺陷（如大孔、弱界面、弱體相等結(jié)構(gòu)缺陷）�；炷�土是非勻質(zhì)材料，硬化的混凝土由集料、水泥漿體和界面過渡區(qū)三個(gè)重要環(huán)節(jié)組成。這三個(gè)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則必然影響混凝土的總體性能。

    水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，選擇優(yōu)質(zhì)的水泥對(duì)高強(qiáng)混凝土的配制非常重要。經(jīng)過初期的篩選試驗(yàn)，優(yōu)選的冀東P.O52.5R水泥來配制C90高強(qiáng)高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到63.4MPa。

 

    對(duì)集料總的要求是巖石強(qiáng)度盡量高、粒形和級(jí)配盡可能好，集料與水泥漿體最好能產(chǎn)生化學(xué)或物理嚙合。本試驗(yàn)采用陜西涇陽石灰石碎石，粒徑分別為0～5mm、5～20mm，該產(chǎn)地巖石抗壓強(qiáng)度在120～140MPa之間。細(xì)集料選用西安灞河的中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，為Ⅱ 區(qū)砂。

 

    主要解決配制高強(qiáng)混凝土要求低水膠比、低用水量與工作性之間的矛盾。本試驗(yàn)中選擇了SNF型萘系高效減水劑與XC型聚羧酸系高效減水劑，減水率均在25%以上，外加劑與水泥具有良好的適應(yīng)性，水泥漿體均無出現(xiàn)離析、泌水或閃凝現(xiàn)象。

 

    加入混凝土中可改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，提高混凝土的抗裂能力；另一方面水化生成的鈣礬石晶體能填充、堵塞混凝土的毛細(xì)孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)選用HCSA型膨脹劑。

 

    利用礦物摻合料的形態(tài)、微集料、火山灰活性三項(xiàng)效應(yīng)，使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度和工作性得到改進(jìn)，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，對(duì)抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗(yàn)中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，S95型礦渣粉，�？瞎杌�。

 

    高強(qiáng)高性能混凝土是一種多組分復(fù)合材料，各組分性能的疊加甚至超疊加效應(yīng)表現(xiàn)得十分明顯。因此，選用兩種或兩種以上礦物摻合料和外加劑同時(shí)摻入混凝土，可以進(jìn)一步改進(jìn)混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。

 

    在完成原材料篩選和性能檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復(fù)摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進(jìn)行了大量混凝土配制試驗(yàn)。配制混凝土?xí)r用水量根據(jù)混凝土拌合性能來確定，要達(dá)到泵送要求。表3.1選取部分代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

表3.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土配合比

編號(hào)	水膠比	水	水泥	砂	石	粉煤灰	礦渣粉	硅灰	膨脹劑	聚羧酸/萘系*
K-3	0.24	136.7	385	646	1149	110	55	/	23.1	7.15
K-4	0.25	143.3	385	646	1149	110	55	/	23.1	17.2*
K-12	0.22	140	450	754	999	150	/	/	27	8.15
K-14	0.23	145.3	450	754	999	60	90	/	27	8.15
K-15	0.23	146.7	450	754	999	/	150	/	27	8.15
K-21	0.22	140	450	701	1052	90	60	/	27	6.27
K-23-1	0.21	140	480	700	/	1050	90	60	30	8.58
K-23-2	0.19	127.5	480	700	/	1050	90	60	30	25.74
K-25	0.21	142	480	700	1050	90	60	12.9	30	8.58
K-28	0.21	152	480	700	1050	90	60	54.8	30	8.58

    注：①“/”表示該摻量為零；②表中將膨脹劑歸入膠凝材料組分計(jì)算；③“*”代表摻的是萘系高效減水劑，同一列內(nèi)其余的都是摻聚羧酸高效減水劑。

 

    混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是基于材料耐久性的進(jìn)一步深化�；炷�土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，出現(xiàn)損傷甚至損壞，繼而影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能和承載力下降，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

 

    課題組在混凝土配制強(qiáng)度達(dá)到C90基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量耐久性試驗(yàn)研究（抗凍性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗裂性等），以確定所研制混凝土的耐久性能情況。

 

表4.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土拌合性能和強(qiáng)度

編號(hào)	擴(kuò)展度/mm	坍落度/mm	R3/MPa	R7/MPa	R28/MPa	R56、R60*/MPa
K-3	240	640	55.4	76.2	80.4	/
K-4	265	570	52.3	68.1	76.6	/
K-12	260	660	61.6	77.4	87.1	/
K-14	260	610	66.0	81.7	89.3	/
K-15	250	620	71.6	79.5	86.5	/
K-21	245	600	70.9	77.0	89.5	91.7
K-23-1	260	650	71.9	81.2	92.6	99.5
K-23-2	265	670	68.2	81.1	86.9	95.0
K-25	255	630	71.5	88.1	100.8	109.3*
K-28	200	510	68.2	82.6	90.8	97.2*

    注：“*”代表60天齡期抗壓強(qiáng)度。

    由圖4.1可知，應(yīng)用通用的工藝配制C90強(qiáng)度等級(jí)混凝土，膠凝材料用量要達(dá)到一定量，特別是水泥的用量要適宜（水泥用量≥480kg/m³；《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2002規(guī)定的高強(qiáng)混凝土的水泥用量不應(yīng)大于550 kg/m³）。

 

    由于粉煤灰與礦渣粉效應(yīng)互相疊加，從圖4.2可以看出，復(fù)摻摻合料的混凝土后期強(qiáng)度要明顯高于單摻，礦渣粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展作用優(yōu)于粉煤灰。通過試驗(yàn)得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m³、90kg/m³。

 

    編號(hào)K-4為萘系高效減水劑的最佳摻量，從圖4.3可看出，聚羧酸高效減水劑性能明顯萘系。聚羧酸高效減水劑摻量對(duì)混凝土性能作用顯著，摻量少達(dá)不到減水效果，無法降低水膠比；摻量過大混凝土出現(xiàn)趴底、泌水，對(duì)強(qiáng)度發(fā)展也不利；最終確定最佳摻量為1.3%（占膠凝材料）。

 

    硅灰的超微粉作用顯著，摻適量的硅灰能較大提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但由于硅灰的需水量大，當(dāng)硅灰摻量大于6%時(shí)，混凝土的拌合性能明顯變差，強(qiáng)度相對(duì)于未摻硅灰的混凝土略有下降。