大摻量復合礦物摻合料高性能樁基混凝土性能研究及工程應用

石容艷

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

目前，高鐵施工過程中樁基結(jié)構(gòu)均采用水下自密成型的高性能混凝土。高性能混凝土要求具有良好的工作性能及后期耐久性，設計年限100 a，坍落度設計要求 180～220 mm，抗碳化、氯鹽、化學侵蝕及鹽類結(jié)晶破壞、凍融等環(huán)境，礦物摻合料不低于30%[1]，出機坍落擴展度不低于500 mm[2]。高性能混凝土重要特征是高耐久性，因而在組成材料上除了使用高效減水劑以外，無機超細粉的應用是其重要特征[3]。采用適當比例礦物摻和料替代水泥的混凝土兼具抗腐蝕和抗?jié)B能力[4]，國內(nèi)外相關學者[5-9]就粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理提出觀點：①粉煤灰呈球形顆粒分布可以起到分散水泥絮凝效果；②粉煤灰的微顆?！爸闋睢苯Y(jié)構(gòu)在拌合物相對運動時起到潤滑作用；③粒徑完整、球形顆粒搭配較好的粉煤灰一定程度上可以減少混凝土泌水率；④粉煤灰摻入有利于提高混凝土服役過程中耐久性。就現(xiàn)場高性能混凝土應用而言，研究人員[10-13]提出采用雙摻礦粉、粉煤灰，充分發(fā)揮兩種礦物摻合料的“優(yōu)勢互補效應”，相關結(jié)論表明雙摻的高性能混凝土一定程度上能夠改善混凝土的工作性能、強度、電通量、氯離子滲透性能，且具有更好的經(jīng)濟及社會效益。就礦物摻合料摻量問題，相關研究人員[14-15]進行探索，指出粉煤灰、礦粉摻量 40%時混凝土抗氯離子滲透性能最好，以恰當?shù)谋壤龑旌喜牧线M行摻合，才能有效提高混凝土的性能、發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而提高高性能混凝土性能。許遠榮[16]提出雙摻礦粉和粉煤灰可以明顯改善混凝土的微孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土的耐久性能。

京津城際延伸線天津～于家堡工程項目，樁基混凝土自密成型過程中面臨堵管、斷樁風險，且目前樁基混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評判指標主要以電通量、氯離子擴散系數(shù)為主，相關研究人員僅從強度、電通量、氯離子擴散系數(shù)等指標淺顯探究樁基混凝土性能。本研究綜合以往混凝土雙摻粉煤灰、礦粉配比經(jīng)驗，采用控制變量的方法，膠凝材料、集料、單位用水量、減水劑不變，通過調(diào)整膠凝材料中礦物摻合料的摻量，系統(tǒng)探究了樁基混凝土早期工作性能、抗壓強度、不同齡期孔溶液pH值、電通量以及經(jīng)濟適用性，得出最佳的配合比，并應用于實際工程中。樁基結(jié)構(gòu)澆筑14 d后采用超聲檢測法檢測樁基結(jié)構(gòu)性能，判斷樁基均勻性、密實性的同時，較大程度上保證了樁基結(jié)構(gòu)完整性。

1 試驗設計

設計要求：設計年限100 a；環(huán)境等級H1、L1；根據(jù)《高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準》(TB 10752-2010)第5.3.16規(guī)定水下樁基混凝土標準養(yǎng)護強度應達到設計強度等級的1.15倍，《鐵路混凝土》(TB/T3275-2018)規(guī)定混凝土抗壓強度以90 d為齡期，90 d設計強度等級C40；混凝土擴展度不低于500 mm；含氣量2.0%～4.0%；混凝土堿含量 ≤3.0 kg/m3； 90 d電通量小于1 200 C，90 d氯離子擴散系數(shù)≤7.0×10-12m2/s。

1.1 原材料來源

水泥：淄博崇正有限責任公司生產(chǎn)的P.O 42.5 低堿水泥，比表面積300～350 m2/kg；礦物摻合料：唐山陡河有限責任公司生產(chǎn)的F類I級粉煤灰，唐山興旺有限責任公司生產(chǎn)的S95級礦粉，比表面積≥400 m2/kg；集料：河北盧龍有限公司提供的中砂，細度模數(shù)2.4～2.8、含泥量1.5%～2.5%，河北玉田提供的5～25 mm連續(xù)級配的碎石；減水劑、引氣劑：深圳邁地科技有限公司提供，高性能聚羧酸減水劑的減水率25%以上；水：天津市東麗區(qū)東大橋村飲用水。水泥、粉煤灰、礦粉的化學組成見表1。

1.2 試驗方法

表1 水泥、粉煤灰、礦粉的化學組成 %

1.2.1 拌合物性能測試依據(jù)

(1)新拌混凝土工作性能測試：坍落度、坍落擴展度試驗依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/50080-2016)。

(2)混凝土抗壓強度測試依據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/50081-2019)。

(3)混凝土的電通量測試依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/50082-2019)。

(4)硬化漿體孔溶液pH值測試：測試抗壓強度已被壓碎的試件剔除大顆粒砂石料，研磨帶有水泥漿體的顆粒，使用研缽磨成細粉，使用200目篩篩分。將得到的細粉浸泡于10倍質(zhì)量的蒸餾水，利用磁力電子攪拌器攪拌2 h，之后使用濾紙過濾出浸提液，使用pH計測試。

1.2.2 配合比設計

設計的8種混凝土配比見表2。

表2 樁基用C40高性能混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 工作性能分析

目前我國已建、新建高鐵項目，均采用水下澆筑成樁的施工工藝提高地基承載力，即固定預制鋼筋骨架再澆筑預拌高性能混凝土，控制混凝土早期坍落度、坍落擴展度對保證混凝土后期施工質(zhì)量和施工效率十分必要。由圖1、圖2可知：①摻加礦物摻合料的配比坍落度、坍落擴展度的1 h 損失情況大都低于未摻加礦物摻合料的配比(C8)，即摻加礦物摻合料一定程度上延緩了膠凝組分的水化作用。②對比摻加礦物組分配比(C1～C7)，大致發(fā)展規(guī)律為隨著膠凝組分中粉煤灰摻量的增高，坍落度、坍落擴展度呈現(xiàn)增大趨勢，礦粉含量的增大，相對削弱了坍落度、坍落擴展度的發(fā)展。③60 min內(nèi)，坍落度、坍落擴展度損失最低的膠凝組分比例是粉煤灰摻量20%、礦粉摻量20%。分析原因：

(1)隨著膠凝組分中粉煤灰摻量的增多，坍落度值、坍落擴展度值呈增大趨勢發(fā)展，主要原因是粉煤灰微結(jié)構(gòu)形貌呈球形顆粒分布，早期作用于混凝土結(jié)構(gòu)中水化作用微弱，依據(jù)其自身結(jié)構(gòu)特征增大了混凝土的流動性。

圖1 不同配合比坍落度值發(fā)展規(guī)律

圖2 不同配合比坍落擴展度值發(fā)展規(guī)律

(2)1 h內(nèi)C8配合比坍落度值、擴展度值損失率最大，主要原因是早期水泥水化作用較強，水化作用消耗大量拌和用水，致使坍落度值、擴展度值損失較快，礦物摻合料水化作用需要較強的堿性環(huán)境，此階段一般發(fā)生于3～7 d階段，1 h內(nèi)生成的有效堿并未促使礦物摻合料水化反應，礦物摻合料起到改善混凝土流動性的效果，因此單一水泥膠凝組分的C8損失率高于其他配合比。

(3)1 h內(nèi)C4配合比坍落擴展度損失率與坍落度損失率均為8種配合比中的最小值，即適當?shù)碾p摻比例(粉煤灰20%、礦粉20%)下粉煤灰和礦粉相互促進、相互發(fā)展。粉煤灰微結(jié)構(gòu)呈球形顆粒分布，而礦粉微結(jié)構(gòu)呈多變片狀分布，粉煤灰的摻加增大了混凝土的流動性，混凝土的勻質(zhì)性得以提高；因礦物摻合料早期水化能力較弱，均勻分布于混凝土中，推遲水泥的水化，降低早期因水泥水化過快造成坍落度值、坍落擴展度值損失，有效控制了早期膠凝組分水化過快產(chǎn)生的溫度應力裂紋，有利于提高后期混凝土硬化強度以及硬化混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中的耐久性。

樁基用高性能混凝土技術(shù)要求是混凝土澆筑時坍落度180～220 mm，坍落擴展度≥500 mm，C1、C8配合比已不滿足于施工技術(shù)要求，C4配合比在1 h內(nèi)坍落度、坍落擴展度值損失值最小。

2.2 力學性能分析

混凝土強度指標是評判混凝土結(jié)構(gòu)合格與否的關鍵性指標，系統(tǒng)分析8種配合比下混凝土齡期為3 d、7 d、28 d、90 d抗壓強度發(fā)展趨勢。由圖3得出相關結(jié)論如下：①齡期3 d時，C8配合比的強度高于C1～C7配合比，且C1～C7配合比的強度相差甚微，不同配合比的膠凝材料的量不發(fā)生改變，存在差異的是C8配合比的膠凝組分是水泥，C1～C7的膠凝組分為粉煤灰—礦粉—水泥三元體系，粉煤灰+礦粉的占比為40%，早期礦物摻合料的加入并未發(fā)生較強水化反應而生成水化產(chǎn)物提高混凝土基體強度，起到了調(diào)節(jié)混凝土早期和易性的效果。②7～90 d抗壓強度的發(fā)展規(guī)律相同，即C1～C7強度均高于C8，養(yǎng)護齡期3 d后礦物摻合料在混凝土基體中發(fā)生火山灰反應，且生成的水化產(chǎn)物均勻密實填充于早期水泥水化生成的疏松狀結(jié)構(gòu)中，混凝土基體水化結(jié)晶相增多且微結(jié)構(gòu)密實，從而混凝土基體強度得以提高，致密的高強度混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中抵抗氯鹽、硫酸根鹽的能力增大，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性增強。③齡期7～90 d階段，C4配合比的強度均高于其他配合比，主要原因歸結(jié)于粉煤灰顆粒和礦粉顆粒較優(yōu)的搭配效果，因礦粉選取的比表面積為400 m2/kg，水泥比表面積300～350 m2/kg，比表面積越大，顆粒的粒徑越小，需水量隨之增大，礦粉的微結(jié)構(gòu)粒徑呈多邊形片狀分布，較易發(fā)生團聚現(xiàn)象，適量粉煤灰的摻入削弱了礦粉的團聚現(xiàn)象，同時礦粉在混凝土基體堿性較強的環(huán)境下火山灰活性高于粉煤灰，一定程度上隨著礦粉摻入量的增大，混凝土抗壓強度隨著增大，因此粉煤灰摻量20%、礦粉摻量20%最佳膠凝組分占比條件下混凝土硬化基體的強度最大。

圖3 不同配合比抗壓強度發(fā)展

2.3 pH值分析

混凝土硬化漿體孔溶液pH值的穩(wěn)定性是決定混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中強度穩(wěn)定的關鍵，當硬化漿體孔溶液pH值大于12.16[17]時，有利于膠凝材料水化生成的產(chǎn)物穩(wěn)定，因此展開孔溶液pH研究討論對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性至關重要。不同配合比齡期為3 d、28 d、90 d pH值發(fā)展規(guī)律如圖4所示。綜合圖4分析可得：①3 d、28 d、90 d孔溶液pH值均大于12.16，即水泥生成的水化產(chǎn)物穩(wěn)定性較好，強度也較為穩(wěn)定。②3 d時，C8混凝土硬化漿體孔溶液pH值 均高于C1～C7硬化漿體的孔溶液pH值，綜合新拌混凝土工作性能、強度發(fā)展性能，此階段中礦物摻合料未發(fā)揮其火山灰效應，C8的膠凝組分是水泥，C1～C7的膠凝組分為60%水泥+40%礦物摻合料(粉煤灰、礦粉)，且粉煤灰呈弱酸性、礦粉呈弱堿性，其遇水形成溶液的pH值均低于水泥遇水形成溶液，因此齡期3 d時C8孔溶液pH高于C1～C7。③pH值的減小預示著混凝土再次發(fā)生水化反應，消耗了原有混凝土中的有效堿，隨著養(yǎng)護齡期的增大，C1～C7 混凝土硬化漿體的pH值3～28 d、28～90 d的損失率均高于C8孔溶液pH值，即C1～C7混凝土基體中水泥水化反應的同時，礦物摻合料在水泥水化已累積的高堿環(huán)境下開始發(fā)揮其火山灰效應；C1～C7 3～28 d孔溶液pH值損失率高于28～90 d，說明礦物摻合料3～28 d的水化反應程度高于28～90 d。④C4混凝土90 d硬化漿體孔溶液pH值最低，即CH晶相含量相對降低，水泥水化生成CH晶相增大混凝土孔溶液pH值，礦物摻合料依據(jù)孔溶液pH值增大后的高堿環(huán)境，其內(nèi)部價鍵結(jié)構(gòu)開始發(fā)生肢解、重組，發(fā)生二次水化反應生成水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物成分中 CSH低堿凝膠、非晶相相對增多，微結(jié)構(gòu)較為致密，宏觀上抗壓強度值最高，與抗壓強度發(fā)展結(jié)論一致。

圖4 不同配合比pH值發(fā)展

2.4 耐久性分析

樁基用高性能混凝土耐久性評價指標主要以90 d電通量值和氯離子擴散系數(shù)為主。從圖5中可以得出：①高性能混凝土齡期90 d時電通量、氯離子擴散系數(shù)發(fā)展趨勢等同，其中C4配合比20%粉煤灰+20%礦粉+60%水泥膠凝組分90 d電通量值、氯離子擴散系數(shù)值最低，其抵抗?jié)B透能力較強，宏觀上反應為抗壓強度最高。②C1～C7粉煤灰—礦粉—水泥膠凝組分90 d電通量值、氯離子擴散系數(shù)值均符合設計要求；C8水泥膠凝組分的電通量、氯離子擴散系數(shù)值最值均大于C1～C7粉煤灰—礦粉—水泥膠凝組分，即C8的滲透能力最強，其斷面水化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)密實度最低，形成的水化產(chǎn)物網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)較為疏松。

圖5 不同配合比90 d電通量/氯離子擴散系數(shù)發(fā)展

3 工程應用

綜合上述不同配合比下混凝土工作性、力學性能、硬化漿體孔溶液pH值以及耐久性能分析，得出C4配合比均滿足樁基用高性能混凝土技術(shù)要求?，F(xiàn)今C4配合比已應用于京津城際延伸線天津至于家堡工程，第三方檢測單位對到達齡期后的樁基進行無損檢測，樁基檢測結(jié)果Ⅰ類樁98%，Ⅱ類樁2%，不存在Ⅲ類樁和斷樁，滿足高鐵建設過程中樁基要求。