基于復(fù)摻礦物外摻料的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

姚軍??

摘要：通過“全集算法”對(duì)復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物摻合料對(duì)高性能混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，研究復(fù)摻礦粉粉煤灰的不同比例和不同摻量對(duì)高性能混凝土的工作性、力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)V粉與粉煤灰的比例為60∶40，摻量為膠凝材料總量的35%時(shí)，復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物摻合料可發(fā)揮“超疊加效應(yīng)”， 優(yōu)化界面過渡區(qū)，提高高性能混凝土的密實(shí)度，改善高性能混凝土的耐久性。

關(guān)鍵詞：復(fù)摻礦物摻合料；高性能混凝土；耐久性；密實(shí)度

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Durability of High Performance Concrete with Mineral Admixture

YAO Jun

（Ningbo Communication Engineering Construction Group Co.， Ltd.， Ningbo 315000， Zhejiang， China）

Abstract： Mix design of high performance concrete combined with mineral admixture was conducted by adopting the overall calculation method， and the impact of the ratio of slag to fly ash and admixture content on the performance and mechanical properties of the high performance concrete was studied. The results show that when the ratio of slag to fly ash is 60∶40 and admixture accounts for 35% of the binding material， an additive effect occurs between the slag and fly ash， and both the density anddurability of the high performance concrete are improved.

Key words： mineral admixture； high performance concrete； durability； density

0引言

高性能混凝土（簡(jiǎn)稱HPC）不僅具有較高的強(qiáng)度，最重要的是具有高工作性、高耐久性，利用高性能混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土以構(gòu)造在嚴(yán)酷環(huán)境使用的混凝土構(gòu)件，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[14]。

本文基于復(fù)摻礦物外摻料的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究，提出適應(yīng)于對(duì)材料有嚴(yán)格技術(shù)要求的結(jié)構(gòu)物，如橋梁的復(fù)摻礦物外摻料高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果可為復(fù)摻礦物外摻料高性能混凝土的推廣應(yīng)用和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)，具有重要意義。

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥采用冀東牌水泥P·O42.5。依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041—2000）對(duì)粗細(xì)集料的物理力學(xué)性能和堿活性進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果滿足規(guī)范要求；對(duì)細(xì)集料進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果如表1所示。計(jì)算細(xì)度模數(shù)可知，所用細(xì)集料河砂為中砂、粗集料粒徑為5～20 mm。

所用減水劑為聚羧酸系高效減水劑。所用水為自來水，水的氯離子含量應(yīng)小于210 mg·L-1，硫酸鹽含量按SO2-4計(jì)應(yīng)小于600 mg·L-1，pH值大于5。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1工作性能

高性能混凝土工作性能包括流動(dòng)性、粘聚性、保塑性和勻質(zhì)性。依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）中相關(guān)試驗(yàn)評(píng)定高性能混凝土的工作性能。

1.2.2力學(xué)性能

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用試件的尺寸為15 cm×15 cm×15 cm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用試件的尺寸15 cm×15 cm×550 cm。

2設(shè)計(jì)方法及結(jié)果

美國(guó)學(xué)者提出要使高性能混凝土具有最佳施工和易性又滿足要求的強(qiáng)度性能，其膠漿與骨料能最佳體積比為35∶65。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了“干砂漿體積”的概念[7]，建立了水泥漿體體積和集料體積之間的聯(lián)系，并提出混凝土配合比全計(jì)算法。本文據(jù)此進(jìn)行基于復(fù)摻礦物外摻料C50等級(jí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究。

（1）配制強(qiáng)度。設(shè)計(jì)強(qiáng)度為50 MPa，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差δ取值表，δ取6 MPa，則配制強(qiáng)度fcu，p應(yīng)不小于59.87 MPa，本研究取60 MPa以便于計(jì)算。

（2）水膠比。根據(jù)美國(guó)水泥漿與骨料最佳體積比，漿體體積取350，骨料體積取650，漿體中空氣體積取20，得到水膠比為0351。

（3）水的用量。mw=165 kg。

（4）膠凝材料（其中包括復(fù)摻礦物外摻料）的用量m=470 kg。

（5）砂率。Sp =（100+W）/650=40.8%。

（6）粗細(xì)骨料用量。ms=（100+W）ρs=694 kg；mg=（1000-Ves-Vw）ρg=1 043 kg。

由以上計(jì)算可知，C50高性能混凝土的初始配合比m∶ms∶mg∶mw=470∶694∶1 043∶165。

3復(fù)摻礦物外摻料比例及摻量研究

在設(shè)計(jì)配合比的基礎(chǔ)上研究復(fù)摻礦物外摻料中礦粉與粉煤灰比例以及摻量對(duì)C50高性能混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響規(guī)律。

3.1復(fù)摻礦物外摻料比例

（1）工作性能。采用的配合比中膠凝材料總量為470 kg·m-3，其中水泥用量、礦物外摻料用量均為235 kg·m-3，膠凝材料配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表4，表中礦粉和粉煤灰的百分?jǐn)?shù)表示在礦物外摻料總用量中各占的比例。

由表4可知，不同比例復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物外摻料對(duì)混凝土的工作性能改善顯著。隨著粉煤灰比例逐漸增大，其坍落度、擴(kuò)展度逐漸提高，但當(dāng)粉煤灰摻量超過50%后，坍落度和擴(kuò)展度變化不大；30 min和60 min坍落度、經(jīng)時(shí)損失均隨著粉煤灰比例的提高而降低，當(dāng)粉煤灰的比例超過40%后，坍落度、經(jīng)時(shí)損失變化趨緩。

（2）力學(xué)性能。試驗(yàn)對(duì)不同比例的礦粉粉煤灰礦物外摻料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可知：隨著礦粉含量的增加，混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度均有所提高；混凝土3 d強(qiáng)度隨著礦粉含量的增加逐漸提高。當(dāng)摻量在100%時(shí)，7、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度最高；當(dāng)?shù)V粉含量達(dá)到60%后，增長(zhǎng)速率變緩。表明礦粉含量的增加可提高混凝土的早期強(qiáng)度，在考慮混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能要求后，礦粉含量應(yīng)控制在60%。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可改善混凝土的工作性能，礦粉能夠提高混凝土的強(qiáng)度，而復(fù)摻礦物外摻料可起到“超疊加效應(yīng)”，在發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彌補(bǔ)不足之處，起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。因此，綜合考慮施工和易性和對(duì)混凝土力學(xué)性能的要求，結(jié)合研究結(jié)果，確定復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物外摻料中，礦粉所占比例應(yīng)在60%，粉煤灰所占比例應(yīng)在40%。

3.2復(fù)摻礦物外摻料摻量

試驗(yàn)按照礦粉與粉煤灰的比例為60∶40進(jìn)行復(fù)配，并將此復(fù)配后的礦粉粉煤灰礦物外摻料以不同摻量取代部分水泥，研究不同摻量的礦粉粉煤灰礦物外摻料對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)配合比中復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物外摻料不同摻量分別定為15%、30%、45%、60%、75%，所述的摻量是指膠凝材料（水泥和礦物外摻料）在每立方米混凝土中所占的比例，試驗(yàn)配合比見表6。

（1）工作性能。試驗(yàn)對(duì)不同摻量礦粉粉煤灰礦物外摻料的混凝土工作性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1、2所示。

由圖2可知，不同摻量的礦粉粉煤灰礦物外摻

料對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能影響顯著。隨著礦粉粉煤灰礦物外摻料的摻量增大，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度逐漸增大；當(dāng)摻量超過30%，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)摻量達(dá)45%以上時(shí)，混凝土具有較大的流動(dòng)性，混凝土的坍損則隨著復(fù)摻礦料外摻料的增大而逐漸減?。划?dāng)摻量為60%時(shí)，坍損最小。綜合考慮混凝土的工作性能，礦粉粉煤灰礦物外摻料的摻入范圍應(yīng)在30%～45%。

（2）力學(xué)性能。試驗(yàn)對(duì)不同摻量的礦粉粉煤灰礦物外摻料的混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖3、4。

由圖可知，隨著礦粉粉煤灰礦物外摻料的摻量不斷提高，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)摻量在0～15%時(shí)，隨著摻量的提高，混凝土的強(qiáng)度變化不明顯；但當(dāng)摻量達(dá)到30%后，再增大其摻量，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)；當(dāng)摻量超過45%時(shí)，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)急劇下降。分析原因：水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2可激發(fā)礦粉粉煤灰礦物外摻料中礦粉、粉煤灰的活性，促進(jìn)與水泥水化產(chǎn)生的游離氧化鈣及高堿性CSH，發(fā)生二次水化反應(yīng)而生成膠凝性物質(zhì)，從而改善混凝土的強(qiáng)度，發(fā)揮“火山灰效應(yīng)”。但當(dāng)混凝土中水泥用量較低，而礦物外摻料摻量相對(duì)增大時(shí)，由于水泥水化產(chǎn)物較少，缺少足夠的堿性物質(zhì)激發(fā)復(fù)摻礦物外摻料的活性，導(dǎo)致無法生成用于膠結(jié)集料的足夠的膠凝產(chǎn)物，而失去活性，無粘結(jié)力。此時(shí)，不僅不能提高混凝土的強(qiáng)度，而且產(chǎn)生的水化產(chǎn)物相互隔離，無法有效膠結(jié)集料，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度迅速下降。因此，在高性能混凝土配制過程中，要嚴(yán)格控制混凝土中的礦物外摻料，避免出現(xiàn)強(qiáng)度的突然塌崩。

基于以上不同摻量的礦粉粉煤灰礦物外摻料對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能影響研究可知，C50等級(jí)高性能混凝土的礦粉粉煤灰礦物外摻料摻量宜為30%～45%，為獲得性能穩(wěn)定的高性能混凝土，并考慮經(jīng)濟(jì)成本等因素，建議復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物外摻料摻量為35%。

4結(jié)語(yǔ)

（1）考慮摻入礦物外摻料以及強(qiáng)度等級(jí)要求，采用全計(jì)算法對(duì)基于復(fù)摻礦物外摻料的C50等級(jí)高性能混凝土的初始配合比進(jìn)行了計(jì)算，得出了初始配合比m∶ ms∶mg∶mw=470∶694∶1 043∶165。

（2）通過研究礦物外摻料中礦粉粉煤灰不同比例和摻量對(duì)高性能混凝土的工作性能、力學(xué)性能影響規(guī)律，得出了礦粉粉煤灰礦物外摻料以礦粉與粉煤灰的比例為60∶40，摻量為膠凝材料總用量的35%摻入混凝土中，即可改善高性能混凝土的工作性能，又能改善其力學(xué)性能。

（3）研究了復(fù)摻礦物外摻料在高性能混凝土中的作用機(jī)理。復(fù)摻礦物外摻料可在混凝土中發(fā)揮“超疊加效應(yīng)”，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短；復(fù)摻礦粉粉煤灰礦物外摻料的微集料效應(yīng)，起到減水作用，改善混凝土的工作性能，有利于混凝土的密實(shí)成型。

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[責(zé)任編輯：高甜]