利用陕西地区原材料研制C90高强高性能混凝土

　　1、引言

　　随着社会经济和生产力的高速发展，带来物质文明高度发达，混凝土已逐渐成为人类社会、经济、文化、生活的基础。混凝土是以水泥为主要胶凝材料的建筑材料，水泥生产历来是一种污染源，在其制造过程中，原生资源耗量大，废气、粉尘排放量大，水泥的生产对环境的恶化已造成不可低估的影响。如何解决建设发展对混凝土的需求和环境保护需限制水泥生产的这对矛盾，需要我们进行深入地思考。发展应用绿色混凝土将是解决这矛盾一个途径，而高强高性能混凝土又是绿色混凝土发展的主要方向。这是由于高强高性能混凝土能有效地减轻结构自重，这样就可大幅度减少水泥和混凝土用量，增加建筑使用面积和缩短施工工期，带来了明显的经济效益。高强高性能混凝土能大幅度地提高混凝土的耐久性，降低建筑物的维修费用和增长使用寿命。同时应用高强高性能混凝土还能使工程的材料用量及建筑成本将大量减少，生产、运输和施工能耗也将大量降低，减小对环境的破坏。

　　研究高强高性能混凝土技术途径就是要严格筛选控制原材料，尽量降低混凝土内部的缺陷（如大孔、弱界面、弱体相等结构缺陷）。混凝土是非匀质材料，硬化的混凝土由集料、水泥浆体和界面过渡区三个重要环节组成。这三个节环环相扣，任何一个环节出现问题，则必然影响混凝土的总体性能。

　　2、原材料

　　2.1水泥

　　水泥是混凝土中最主要的胶凝材料，选择优质的水泥对高强混凝土的配制非常重要。经过初期的筛选试验，优选的冀东P.O52.5R水泥来配制C90高强高性能混凝土，冀东P.O52.5R水泥28d抗压强度达到63.4MPa。

　　2.2集料

　　对集料总的要求是岩石强度尽量高、粒形和级配尽可能好，集料与水泥浆体最好能产生化学或物理啮合。本试验采用陕西泾阳石灰石碎石，粒径分别为0～5mm、5～20mm，该产地岩石抗压强度在120～140MPa之间。细集料选用西安灞河的中砂，细度模数2.6，为Ⅱ 区砂。

　　2.3减水剂

　　主要解决配制高强混凝土要求低水胶比、低用水量与工作性之间的矛盾。本试验中选择了SNF型萘系高效减水剂与XC型聚羧酸系高效减水剂，减水率均在25%以上，外加剂与水泥具有良好的适应性，水泥浆体均无出现离析、泌水或闪凝现象。

　　2.4膨胀剂

　　加入混凝土中可改善混凝土内部的应力状态，提高混凝土的抗裂能力；另一方面水化生成的钙矾石晶体能填充、堵塞混凝土的毛细孔，改善混凝土的孔结构。本试验选用HCSA型膨胀剂。

　　2.5矿物掺合料

　　利用矿物掺合料的形态、微集料、火山灰活性三项效应，使混凝土强度、密实度和工作性得到改进，增加粒子密集堆积，减低孔隙率，改善孔结构，对抵抗侵蚀和延缓性能退化等都有较大作用。试验中选用三种矿物掺合料：宝鸡二电厂Ⅰ级粉煤灰，S95型矿渣粉，埃肯硅灰。

　　高强高性能混凝土是一种多组分复合材料，各组分性能的叠加甚至超叠加效应表现得十分明显。因此，选用两种或两种以上矿物掺合料和外加剂同时掺入混凝土，可以进一步改进混凝土性能，还可能取得某种特殊性能。

　　3、实验内容

　　3.1配合比设计

　　在完成原材料筛选和性能检验基础上，从水胶比、水泥用量、减水剂选择掺量、掺合料复掺比例、硅灰掺量等方面考虑，进行了大量混凝土配制试验。配制混凝土时用水量根据混凝土拌合性能来确定，要达到泵送要求。表3.1选取部分代表性数据进行说明。

　　表3.1 C90高强高性能混凝土配合比

　　注：①“/”表示该掺量为零；②表中将膨胀剂归入胶凝材料组分计算；③“*”代表掺的是萘系高效减水剂，同一列内其余的都是掺聚羧酸高效减水剂。

　　3.2混凝土耐久性

　　混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化。混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能不断劣化，出现损伤甚至损坏，继而影响建筑结构的使用功能和承载力下降，最终影响整个结构的安全。

　　课题组在混凝土配制强度达到C90基础上，进行了大量耐久性试验研究（抗冻性、抗碳化性、抗渗性、抗裂性等），以确定所研制混凝土的耐久性能情况。

　　4、试验结果与分析

　　4.1混凝土拌合性能和强度

　　表4.1 C90高强高性能混凝土拌合性能和强度

　　注：“*”代表60天龄期抗压强度。

　　由图4.1可知，应用通用的工艺配制C90强度等级混凝土，胶凝材料用量要达到一定量，特别是水泥的用量要适宜（水泥用量≥480kg/m³；《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2002规定的高强混凝土的水泥用量不应大于550 kg/m³）。

　　由于粉煤灰与矿渣粉效应互相叠加，从图4.2可以看出，复掺掺合料的混凝土后期强度要明显高于单掺，矿渣粉对混凝土早期强度发展作用优于粉煤灰。通过试验得出粉煤灰与矿渣粉最佳掺量是60kg/m³、90kg/m³。

　　编号K-4为萘系高效减水剂的最佳掺量，从图4.3可看出，聚羧酸高效减水剂性能明显萘系。聚羧酸高效减水剂掺量对混凝土性能作用显着，掺量少达不到减水效果，无法降低水胶比；掺量过大混凝土出现趴底、泌水，对强度发展也不利；最终确定最佳掺量为1.3%（占胶凝材料）。

　　硅灰的超微粉作用显着，掺适量的硅灰能较大提高混凝土的抗压强度。但由于硅灰的需水量大，当硅灰掺量大于6%时，混凝土的拌合性能明显变差，强度相对于未掺硅灰的混凝土略有下降。

　　4.2混凝土耐久性

　　4.2.1抗冻性

　　在标准养护28天后进行1000次的冻融循环，该混凝土经1000次的冻融循环试验，受检混凝土的重量损失率为3.4%、相对动弹性模量为91%，满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ 82-85）规定，表明该混凝土抗冻性能优异。

　　4.2.2抗碳化性能

　　试件在28龄期后进行碳化试验，碳化28天后将试件破型，在破型的新鲜面喷酚酞酒精溶液，破型面无明显碳化，仅表层有少量变白。

　　4.2.3抗渗性能

　　养28天后进行抗渗试验，试验从水压为0.1MPa开始，加压到抗渗仪的最大加压值4.0MPa，观察试件端面的均无出现渗水情况。

　　4.2.4电通量

　　电通量试验测试结果为924.75库仑，说明该混凝土氯离子渗透性很低，即该混凝土具有良好的抗渗性能。

　　4.2.5抗裂性能

　　混凝土抗裂形试验采用《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》中的附录C圆环约束法和日本Y.Kasai提出的平板法试验法同时进行试验。

　　圆环约束法，圆环形试样在成型两天后有一条细微的裂缝出现，经过15天的连续观测，未有新的裂缝出现，从图4.5、图4.6可以看出型15天后圆环形试样裂缝宽度非常小，经测量最宽处裂缝的宽度为0.10mm，裂缝深度为6.1mm。

　　平板法试验方法，试件尺寸为600mm×600mm×50mm，与模具一起浇筑成一个整体，模具上的约束钢筋位于平板试件的中面周边，当平板收缩时四周受到约束。按预定配合比拌合混凝土，浇注、振实、抹平试件后立即用塑料薄膜覆盖， 2h后将塑料薄膜取下，放入风速8m/s，温度为30±3℃，湿度为60±5%风道中进行抗裂试验。24小时后结束试验，试验纪录：出现第一条裂缝时间、裂缝数目、裂缝面积。与C60混凝土比较说明。

　　表4.2混凝土平板抗裂法试验数据

　　从表4.2看出，C90混凝土试样的抗裂性能相对于C60混凝土试样要差些。这是由于C90混凝土试样的水泥用量大，浆积比大，导致混凝土收缩也大，抗裂性能也就会下降。因此，对抗裂性能有要求，则需考虑添加适量纤维，通过纤维的增韧作用起到提高混凝土的抗裂性能。

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　　5、微观结构分析

　　为了进一步分析混凝土的微观结构与其性能间的关系，进行了混凝土的扫描电镜、孔结构分析试验。为了更好说明问题将C90混凝土与同条件下的C60混凝土进行对比说明。

　　5.1扫描电镜

　　在进行扫描电镜试验时，发现C90混凝土内部非常密实，很少有气泡或孔隙等一些缺陷，将其与同养护条件下的C60混凝土进行对比。

　　如图5.1和5.2所示。从图中可以看出C90混凝土的密实程度要好于C60混凝土，C90混凝土内很难发现如气泡、孔隙等缺陷，而C60混凝土有较多如图5.2中的圆形气泡，气泡内部长满的是针状钙矾石。

　　图5.3 和5.4是水泥石中粉煤灰与矿渣粉水化后形态，龄期为56天，图中细白线圈的是矿渣粉。从图5.3可看出，粉煤灰经过56天的水化与胶凝体已很紧密的胶结在一起，在制样时粉煤灰颗粒球体被分部剥离开。从矿渣粉表面看，矿渣粉的水化程度要好于粉煤灰，这也就是在同一条件下掺矿渣粉的混凝土早期强度要高于掺粉煤灰的混凝土的原因。

　　另外，试验针对不同的龄期的混凝土的水泥石和集料间过渡层作了分析。如图5.6、图5.7、图5.8的龄期分别是28天、56天、1年，从图中可以看出，28天时水泥石和集料间过渡层又一条明显的裂缝，这是混凝土集料吸附水形成的水化膜层，随着龄期的增长，混凝土水化凝胶溶出逐渐填充水膜层。由图中可以看出，到56天时裂缝就已经变小了；再到了1年的龄期后，水泥石与集料完全结合在一起，基本看不到裂缝，集料的界面副作用也逐渐减弱。

　　另外，从图5.9种可以看出，水泥石水化凝胶体中出现些微裂缝。这是由于高强混凝土密实度很高，外界水分很难进入混凝土内部，混凝土在后期水化缺少水分而形成的干缩裂缝，从图中可看出最宽处的宽度达到1000nm。

　　5.2孔分析

　　根据吴中伟教授对孔径影响混凝土耐久性的4个分级（表5.1），这微裂缝属于多害孔，这些裂缝将对混凝土的后期强度发展产生较大的影响。在同济大学的孔分析结构，也证实了存在这问题，如图5.10所示。

　　表5.1孔径对耐久性的影响分级

　　相同养护条件下，C60混凝土与C90混凝土的孔分布情况：

　　表5.2 C60混凝土与C90混凝土的总孔量和孔分布比较

　　根据表5.2绘制出图5.10：

　　由图5.10可以看出，虽然C90混凝土的强度高，但其孔隙量却要大于C60混凝土，特别是多害孔C90混凝土是C60混凝土的两倍多，这与C90混凝土扫描电镜观测到的硬化干缩裂缝一致，其原因是C90混凝土试样的水泥用量大，浆积比大，水胶比低，混凝土水化收缩也就大，后期水化水分不充足，导致混凝土产生应力收缩出现裂缝。因此，如何防阻高强混凝土内部干缩裂缝产生这问题，还有待于广大科研工作者深入研究。

　　6、结论

　　通过大量的试验研究，课题组利用陕西地区原材料，成功了配制出具有优良的拌和性能、适用于泵送施工，并具有良好耐久性，抗压强度等级达到C90的高强高性能混凝土。总结课题研究得出以下几条结论：

　　1）聚羧酸系高效减水剂配制混凝土性能明显优于萘系配制混凝土性能，并确定XC聚羧酸系高效减水剂的最佳掺量是1.3%；

　　2）矿物掺合料复掺对混凝土性能改进优于单掺作用；

　　3）超细矿物掺合料是配制强度等级C90及以上的高强混凝土必要选择；

　　4）本课题研究最终确定配制C90高强高性能混凝土的最佳配合比：

　　5）高强混凝土胶凝材料用量较大，水胶比低，混凝土存在收缩开裂问题，有待于进一步深入研究。

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