礦物摻合料對高耐久性清水混凝土性能的影響

劉偉，張君韜，谷坤鵬

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200030）

0 引言

清水混凝土是直接利用混凝土成型后的自然質(zhì)感作為飾面效果的混凝土，一次性澆筑成型，不需要做任何外觀裝飾，因其極具裝飾效果，又稱為裝飾性混凝土。與普通混凝土相比，清水混凝土更加富有表現(xiàn)力，充分強調(diào)了造型的藝術(shù)性、材料的特異性，不但可以提高基礎(chǔ)設(shè)施的表觀質(zhì)量，而且可以大大提高工程質(zhì)量和使用壽命，同時，免去了各種裝飾材料的使用，有利于節(jié)約資源、保護環(huán)境。世界上一些地標性建筑悉尼歌劇院、日本國家大劇院、巴黎史前博物館等世界知名的藝術(shù)類公共建筑，均采用這一建筑藝術(shù)形式[1]。

近年來，軌道交通在國內(nèi)迅速發(fā)展，它是城市文明與文化的象征，是城市底蘊、面貌以及交通工程品位的體現(xiàn)，而清水混凝土的應(yīng)用正恰能體現(xiàn)城市建設(shè)和工程建設(shè)的文化與品質(zhì)要求，提升城市形象。軌道交通中特別是地鐵混凝土所處環(huán)境特殊，尤其是遭受地下水中腐蝕介質(zhì)、直流牽引列車導致的雜散電流、巖體及列車振動的荷載作用等多因素的影響，加快了對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋的腐蝕。而在地鐵站中，采用清水混凝土部位為地下站及高架站，牽涉專業(yè)面廣，如動照、消防、廣告等專業(yè)，管線、插座及燈箱等預埋件多，但施工過程要求一次性灌注不可中斷，以免影響外觀質(zhì)量，因此，軌道交通清水混凝土配制、施工及應(yīng)用除需考慮清水混凝土的耐久性問題，還需兼顧混凝土的流動性等問題，確保施工過程中一次性澆筑成型[1-6]。

本文在配合比設(shè)計時，以確定最優(yōu)水膠比及砂率為前提，著重研究了單摻礦粉，雙摻礦粉和粉煤灰、精細沉珠、石粉、硅粉以及三摻礦粉、粉煤灰和硅粉等不同礦物摻合料組合對清水混凝土工作性、強度、耐久性等關(guān)鍵指標的影響，并對作用機理進行分析。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：青島山水創(chuàng)新水泥廠P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）砂：水洗中砂，平度產(chǎn)，細度模數(shù)2.7，含泥量1.0%，細顆粒含量不小于10%。

（3）石：諸城石場（凝灰?guī)r）產(chǎn)的5~25 mm的三級配連續(xù)碎石。

（4）減水劑：江蘇西卡Visco Crete-3301C聚羧酸高效減水劑，減水率大于28%，含固量50%。

（5）礦物摻合料：青島中礦宏遠S95級礦粉，需水量比93.2%，燒失量2.2%，3、28 d活性指數(shù)分別為82%、103%；華電濰坊產(chǎn)F類Ⅰ級粉煤灰，需水量比93.2%，燒失量2.2%，細度11.6%；萊州虎頭崖某廠產(chǎn)400目石粉，流動度比107%，7、28 d活性指數(shù)分別為78%、70%；?？瞎井a(chǎn)硅粉，需水量比106%，燒失量2%，比表面積20 m2/g，7 d活性指數(shù)97%；深圳道特科技產(chǎn)精細沉珠，主要成分為SiO2的球形顆粒，呈灰白色至淺灰色，中位粒徑約2μm，活性指數(shù)大于110%，需水量比85%，燒失量1.9%。

1.2 試驗方法

1.2.1 新拌混凝土的工作性能

新拌混凝土的工作性能包括坍落度、倒筒時間、坍落度損失、含氣量、和易性、擴展度、泌水等。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

1.2.2 混凝土的力學性能和耐久性能

混凝土的抗壓強度：參照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；電通量：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標準》進行測試。

1.2.3 試驗基準配合比

清水混凝土基準配合比如表2所示，減水劑摻量為總摻量，按占膠凝材料質(zhì)量計。在基準配合比的基礎(chǔ)上，設(shè)計了單摻礦粉，雙摻礦粉與粉煤灰、精細沉珠、硅粉、石粉以及三摻礦粉、粉煤灰和硅粉系列等6個系列配合比（礦物摻合料均等質(zhì)量取代水泥），砂率根據(jù)混凝土狀態(tài)進行調(diào)整，調(diào)整減水劑摻量使混凝土的坍落度控制在（200±20）mm。

表2 清水混凝土的基準配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 單摻礦粉對清水混凝土性能的影響（見表3）

表3 單摻礦粉對清水混凝土性能的影響

由表3可見：

（1）隨著礦粉摻量從0增加至50%，混凝土的2 h坍落度損失從30 mm增大至65 mm，含氣量從2.0%增大至4.4%，倒筒時間從18 s延長至48 s，特別是摻量為40%、50%時，混凝土出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，黏度較大，和易性較差。因此，單摻礦粉且摻量較大時，拌合物的施工性能較差，且氣泡不易排出，影響清水混凝土的整體均一性和表面美觀[7-8]。

（2）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的3、28 d抗壓強度先提高后降低；當?shù)V粉摻量高于20%后，混凝土3、28 d抗壓強度都呈下降趨勢，而在礦粉摻量小于20%時，混凝土的抗壓強度變化較小。

（3）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的電通量逐漸減小，增加礦粉摻量對提高混凝土的耐久性有顯著作用。

2.2 雙摻礦物摻合料對清水混凝土性能的影響

2.2.1 雙摻礦粉和粉煤灰的影響（見表4）

表4 雙摻礦粉和粉煤灰對清水混凝土性能的影響

由表4可見：

（1）摻入適量粉煤灰有利于改善單摻礦粉的黏性問題，降低含氣量，倒筒時間明顯縮短，含氣量明顯減少，和易性和坍損也有一定幅度的改善，新拌混凝土的工作性能較好。

（2）摻入粉煤灰后，混凝土的抗壓強度均隨著齡期的延長而提高，但混凝土的早期強度均低于未摻粉煤組，但后期強度增長較快，甚至高于未摻粉煤灰組。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量逐漸減小，混凝土耐久性提高。

2.2.2 雙摻礦粉和精細沉珠的影響（見表5）

表5 雙摻礦粉和精細沉珠對清水混凝土性能的影響

由表5可見：

（1）摻入精細沉珠可大幅度縮短倒筒時間，降低混凝土的黏性，由于精細沉珠細度較小，和易性良好，但含氣量降低幅度較雙摻粉煤灰的小，2 h坍落度損失也稍大。

（2）精細沉珠對混凝土抗壓強度的影響與粉煤灰類似，混凝土抗壓強度都隨著精細沉珠摻量的增加大致呈早期強度降低、后期強度提高的趨勢。

（3）隨著精細沉珠摻量的增加，混凝土的電通量降低，耐久性提高。

2.2.3 雙摻礦粉和石粉的影響（見表6）

表6 雙摻礦粉和石粉對清水混凝土性能的影響

由表6可見：

（1）雙摻礦粉和石粉時拌合物的含氣量較大，倒筒時間較長，黏度較大，坍落度損失較大，但均無泌水現(xiàn)象。

（2）石粉摻量在15%以內(nèi)，混凝土的28 d抗壓強度隨著石粉摻量的增加呈提高的趨勢；當石粉摻量超過15%，混凝土抗壓強度開始下降。

（3）隨石粉摻量的增加，混凝土的電通量逐漸增大。

2.2.4 雙摻礦粉和硅粉的影響（見表7）

表7 雙摻礦粉和硅粉對清水混凝土性能的影響

由表7可見：

（1）當硅粉摻量大于5%時，拌合物的含氣量稍大，黏度也較大；但當硅粉摻量較小時（3%），可顯著改善拌合物的和易性，縮短倒筒時間，減小含氣量。

（2）隨著硅灰摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強度呈逐漸提高的趨勢，且各齡期抗壓強度都高于未摻硅粉組。這主要是由于硅灰的高活性以及填充作用，可以參與水泥水化并使水化后的水泥更密實。

（3）隨硅粉摻量的增加，混凝土的電通量大幅減小。

2.3 三摻礦物摻合料對清水混凝土性能的影響（見表8）

表8 三摻礦粉、硅粉和粉煤灰對清水混凝土性能的影響

由表8可見：

（1）三摻礦物摻合料減小了拌合物的2 h坍落度損失和含氣量，倒筒時間縮短，大幅改善混凝土的和易性[9-10]。

（2）隨三摻礦物摻合料摻量的增加，混凝土的早期抗壓強度有所降低，但后期抗壓強度逐步提高。

（3）三摻礦物摻合料可有效地降低混凝土的電通量，提高混凝土的耐久性。

3 結(jié)論

（1）單摻礦粉且摻量較大時，混凝土的施工性較差，且氣泡不易排出，影響清水混凝土的整體均一性和表面美觀；隨礦粉摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強度先提高后降低，礦粉摻量為20%時，混凝土的28 d抗壓強度最高；當?shù)V粉摻量超過20%以后，混凝土的電通量下降較為明顯，對提高混凝土的耐久性有顯著作用。

（2）雙摻礦粉和粉煤灰時，合適摻量粉煤灰加入后有利于改善單摻礦粉時的和易性和坍損；隨著粉煤灰摻量的增加，電通量逐漸減小，28 d抗壓強度先提高后降低，粉煤灰摻量為10%時，混凝土的28 d抗壓強度最高。

（3）雙摻礦粉和精細沉珠時，精細沉珠可大幅縮短倒筒時間，降低混凝土黏性；隨著精細沉珠摻量的增加，混凝土的早期抗壓強度逐漸降低，后期抗壓強度逐漸提高；耐久性與精細沉珠摻量成正相關(guān)。

（4）雙摻礦粉和石粉時，清水混凝土的工作性能受到較大影響；石粉摻量為15%時，混凝土的28 d抗壓強度最高。

（5）雙摻礦粉和硅灰時，摻加3%硅灰可顯著改善混凝土和易性，提高混凝土的工作性能；硅粉摻量增加會明顯提高混凝土的耐久性能。

（6）相比單摻和雙摻系列，三摻礦物摻合料大幅度改善混凝土的和易性，提高混凝土的耐久性。