C100高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)制備的試驗(yàn)研究

徐亮，凱樂，尹輪，王康

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

0 引言

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，超高層建筑、大跨度橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施不斷興建，對(duì)高強(qiáng)混凝土的需求日漸攀升，高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用已成為未來的發(fā)展趨勢(shì)[1]。在工程應(yīng)用方面，高強(qiáng)混凝土的工程應(yīng)用[2-3]不計(jì)其數(shù)，很多工程都具有混凝土強(qiáng)度高、方量大、超高泵送等特點(diǎn)。在生產(chǎn)配制方面，部分學(xué)者采用全計(jì)算法[4]進(jìn)行C100混凝土配合比設(shè)計(jì)，再加以試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)C100混凝土的制備提供一定參考。在原材料方面，地材的母巖強(qiáng)度是配制C100混凝土的關(guān)鍵因素之一，使用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料是改善高強(qiáng)混凝土工作性能、降低水化熱、減少收縮裂縫的有效措施[5]，微珠[6]在高強(qiáng)混凝土中的使用越來越廣泛，能夠起到很好的降粘增強(qiáng)效果。目前，C100混凝土仍然存在配合比設(shè)計(jì)尚無相應(yīng)規(guī)范參考、制備過程大多依靠經(jīng)驗(yàn)、配制技術(shù)尚不成熟、不同區(qū)域原材料差異大等問題。本文針對(duì)C100混凝土制備技術(shù)開展相關(guān)試驗(yàn)，以期為C100混凝土的制備和應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

1 技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)路線

1.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 281）對(duì)泵送高強(qiáng)混凝土的要求，C100混凝土坍落度≥220mm，擴(kuò)展度≥500mm，倒置坍落度筒排空時(shí)間＞5s且＜20s，坍落度經(jīng)時(shí)損失≤10mm/h，28d抗壓強(qiáng)度≥115MPa，其混凝土拌合物不應(yīng)離析和泌水，凝結(jié)時(shí)間應(yīng)滿足施工要求。

1.2 技術(shù)路線

C100混凝土配合比參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55）進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過研究水膠比、膠材用量對(duì)工作性能和力學(xué)性能的影響，對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，制備出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好的C100混凝土。原材料在重慶區(qū)域就地取材，在市場(chǎng)上容易購(gòu)買且供應(yīng)、質(zhì)量穩(wěn)定。采用高強(qiáng)石子和高活性的礦物摻合料，在保證C100混凝土強(qiáng)度的前提下盡量少用水泥，降低水化熱。采用具有降粘功能的礦物摻合料和高性能減水劑的雙摻技術(shù)，降低C100混凝土的粘度，改善其泵送性能。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用海螺P.Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥，28d膠砂抗壓強(qiáng)度60.0MPa。

（2）硅灰：SiO2含量90%，28d活性指數(shù)122%，需水量比118%。

（3）S95級(jí)礦粉：7d活性指數(shù)78%，28d天活性指數(shù)97%，流動(dòng)度比100%。

（4）Ⅰ級(jí)粉煤灰：28d活性指數(shù)84.4%，燒失量3.1%，細(xì)度6.0%，需水量比95%。

（5）微珠：28d活性指數(shù)103.5%，燒失量1.0%，需水量比95.0%。

（6）粗集料：采用玄武巖碎石，母巖強(qiáng)度180MPa，壓碎指標(biāo)3.1%。

（7）細(xì)集料：采用山機(jī)砂，細(xì)度模數(shù)2.6～3.0，壓碎指標(biāo)8.5%，MB值0.8。

（8）外加劑：采用高性能減水劑，減水率30%。

（9）拌和用水：自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

C100混凝土同配比砂漿試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671）。C100混凝土拌合物性能試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080），力學(xué)性能試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081）。

3 結(jié)果與分析

3.1 確定膠凝材料體系

通過C100混凝土同配比砂漿試驗(yàn)確定膠凝材料體系，砂漿配合比如表1所示，強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。對(duì)比組1的28d強(qiáng)度最高，達(dá)到144.7MPa，比基準(zhǔn)組高6.9MPa，滿足C100混凝土配制的砂漿強(qiáng)度要求。對(duì)比組2使用Ⅰ級(jí)粉煤灰替代微珠和部分礦粉，砂漿28d強(qiáng)度下降3.7MPa，相比Ⅰ級(jí)粉煤灰，微珠具有更大的比表面積，并含有更多的活性二氧化硅、氧化鋁，后期與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成更多具有膠凝作用的水化產(chǎn)物，從而提高砂漿后期強(qiáng)度。對(duì)比組3使用Ⅰ級(jí)粉煤灰，并降低硅灰用量，強(qiáng)度比基準(zhǔn)組低2.8MPa，因此，從強(qiáng)度方面考慮，對(duì)比組1的礦物摻合料搭配相對(duì)更合理，其搭配為硅灰、微珠和S95礦粉。

表1 砂漿配合比參數(shù)

圖1 砂漿強(qiáng)度對(duì)比

3.2 確定地材體系

在膠材體系確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行C100混凝土試配，選擇合理的地材體系，混凝土配合比參數(shù)如表2所示，測(cè)試結(jié)果如表3所示。不同地材組合配制的C100混凝土，強(qiáng)度、工作性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在強(qiáng)度方面，采用玄武巖加山機(jī)砂的組合，混凝土強(qiáng)度達(dá)到131.5MPa，比卵碎石強(qiáng)度高出10.3MPa，粗骨料的強(qiáng)度對(duì)C100混凝土的強(qiáng)度影響很大，母巖強(qiáng)度高、表面粗糙的玄武巖碎石比具有光滑表面的卵碎石更適合配制C100混凝土。使用卵石機(jī)砂并沒有大幅提高C100混凝土的強(qiáng)度，僅比山機(jī)砂高出4.0MPa，相比之下，使用山機(jī)砂更經(jīng)濟(jì)合理。在工作性能方面，玄武巖加山機(jī)砂的組合更好，這是因?yàn)樾鋷r碎石整體粒形好，基本無針片狀顆粒，新拌混凝土更容易流淌開，所以體現(xiàn)出更好的工作性能。因此，地材體系采用玄武巖碎石和山機(jī)砂組合具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

表2 C100混凝土配合比參數(shù)

表3 C100混凝土工作性能與強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3.3 強(qiáng)度影響因素

在確定C100混凝土材料體系的基礎(chǔ)上，主要考慮水膠比對(duì)C100混凝土力學(xué)性能的影響，混凝土配合比參數(shù)如表4所示，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著水膠比的增大，C100混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。水膠比在0.19～0.25范圍內(nèi)都能配制出C100混凝土，水膠比在0.19～0.21范圍內(nèi)時(shí)，強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小，并且下降幅度大；水膠比在0.21～0.25范圍內(nèi)變化時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低趨勢(shì)不明顯，此時(shí)混凝土強(qiáng)度的富余值較小，不利于C100混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量控制。按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，要求C100混凝土強(qiáng)度達(dá)到110MPa，試配時(shí)加上10MPa的強(qiáng)度富余，使C100混凝土強(qiáng)度控制在120MPa以上，此時(shí)水膠比不宜大于0.20。

表4 C100混凝土配合比參數(shù)

圖2 水膠比對(duì)強(qiáng)度的影響

3.4 配合比優(yōu)化

在配合比探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主要考慮C100混凝土的力學(xué)性能和工作性能，對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，配合比參數(shù)如表5所示，測(cè)試結(jié)果如表6、表7所示。根據(jù)硅灰對(duì)C100混凝土同配比砂漿強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果，硅灰摻量宜為6%～10%，考慮到硅灰的需水量比較大，摻量太大會(huì)影響C100混凝土的工作性能，因此將硅灰摻量定為6%；考慮到低水膠比下C100混凝土粘度很大，因此將水膠比定為0.20，再將降粘材料微珠的摻量增至10%～20%，來改善混凝土的粘度。配合比3的工作性能如圖3所示，坍落度260mm，擴(kuò)展度700mm，倒筒時(shí)間7s，混凝土不離析泌水，粘度低；而配合比1和配合比2的混凝土粘度相對(duì)要大一些。相比之下，配合比3工作性能良好，表明大摻量微珠能有效改善C100混凝土的工作性能，原因是微珠含有更多的細(xì)小球形顆粒，包裹在骨料表面，有利于骨料的相對(duì)滑動(dòng)，且微珠還能夠填充膠材中的小空隙，釋放出空隙中的自由水。在強(qiáng)度方面，配合比3與配合比1相比較，配合比3未達(dá)到強(qiáng)度配制要求，原因是過多的微珠不能完全發(fā)揮出火山灰效應(yīng)，部分只是起到填充和滾珠作用，所以工作性能得以改善，但后期強(qiáng)度未達(dá)到要求，故微珠摻量不宜大于20%。配合比2強(qiáng)度達(dá)到131.2MPa，比配合比1高出10.1MPa，然而粉煤灰活性并沒有微珠高，多數(shù)是填充作用，表明山機(jī)砂的母巖強(qiáng)度對(duì)C100混凝土的強(qiáng)度有很大影響，配制時(shí)宜選用高強(qiáng)母巖制得的機(jī)制砂。三種配合比的抗折強(qiáng)度差別不大，軸心抗壓強(qiáng)度都超過100MPa，彈性模量都大于4.0×104MPa。因此，在骨料選擇方面，無論是粗骨料還是細(xì)骨料，都宜具有高的母巖強(qiáng)度，搭配上具有降粘效果的摻合料和外加劑，配制出工作性能良好和強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的C100混凝土。通過優(yōu)化試驗(yàn)，配合比1的強(qiáng)度達(dá)121.1MPa，坍落度260mm，擴(kuò)展度660mm，倒筒時(shí)間7s，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，工作性能良好，采用配合比1配制C100混凝土相對(duì)更合理。

表5 C100混凝土配合比參數(shù)

表6 C100混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表7 C100混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖3 大摻量微珠C100混凝土工作性能

4 結(jié)論

（1）膠材體系宜采用P.Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰微珠和S95礦粉，降低C100混凝土粘度的同時(shí)保證其強(qiáng)度。

（2）在地材選擇方面，由于卵碎石具有較多的光滑表面，會(huì)降低其與水化產(chǎn)物的粘結(jié)力，故選擇表面粗糙的玄武巖碎石更為合理。最大粒徑為16mm，母巖強(qiáng)度為180MPa的玄武巖碎石適合用來制備C100混凝土。

（3）微珠摻量在10%～20%范圍內(nèi)時(shí)，C100混凝土的坍落度達(dá)到260mm，擴(kuò)展度達(dá)到700mm，但混凝土強(qiáng)度隨微珠摻量的增大而減小，最低降至109.2MPa，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此建議微珠摻量宜為10%。

（4）水膠比在0.19～0.25范圍內(nèi)時(shí)，C100混凝土強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，水膠比大于0.21時(shí)，強(qiáng)度低于120.0MPa，故C100高強(qiáng)混凝土的水膠比宜控制在0.20左右，膠凝材料用量不宜超過600kg/m3。