蔡振哲

（廈門(mén)市常青樹(shù)建材開(kāi)發(fā)有限公司，福建 廈門(mén) 361004）

低膠材自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

蔡振哲

（廈門(mén)市常青樹(shù)建材開(kāi)發(fā)有限公司，福建 廈門(mén) 361004）

本文研究了在低膠凝材料的情況下，粉煤灰與礦粉比例、石粉量、不同增稠劑和黏度改性劑比例對(duì)自密實(shí)混凝土各項(xiàng)性能的影響。結(jié)果表明：在外摻 12% 石粉范圍之內(nèi)，石粉對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和抗碳化性能有改善作用，但隨著石粉摻量的增大，混凝土 7d 和 28d 強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰與礦粉總摻量為 40%，外摻 12% 的石粉，可以制備出性能優(yōu)良的低膠凝材料自密實(shí)混凝土。

低膠材自密實(shí)混凝土；石粉；粘度改性劑；抗碳化性能

0 引言

隨著土木工程不斷向大規(guī)?；?fù)雜化、高層化方向發(fā)展，自密實(shí)混凝土在世界已引起廣泛重視，其推廣應(yīng)用量迅速增長(zhǎng)。然而，自密實(shí)混凝土的推廣應(yīng)用受到多方面的限制。一方面，普通混凝土的強(qiáng)度等級(jí)大部分集中在 C25 至C30，而自密實(shí)混凝土的 28d 抗壓強(qiáng)度常高于 50MPa[1-3]。；另一方面，現(xiàn)有的自密實(shí)混凝土技術(shù)中的膠凝材料用量一般在 500kg/m3以上，造成混凝土水化熱高，使自密實(shí)混凝土收縮比普通混凝土大得多，容易引起自密實(shí)混凝土開(kāi)裂，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性造成不利[4-5]。

本試驗(yàn)通過(guò)廢石粉代替砂的方法，降低了水泥用量，可以控制混凝土水化熱對(duì)混凝土裂縫和耐久性造成的不利影響，制備出工作性良好、強(qiáng)度等級(jí)低的自密實(shí)混凝土，為自密實(shí)混凝土的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路。

1 原材料

水泥：采用潤(rùn)豐 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表 1 水泥各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)

粉煤灰：采用華陽(yáng)電業(yè)漳州后石電廠生產(chǎn)的 F 類(lèi) II 級(jí)粉煤灰。其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表 2 粉煤灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

礦粉：采用三鋼 S95 級(jí)礦粉，其性能指標(biāo)件表 3。

表 3 礦粉各項(xiàng)性能指標(biāo)

石粉：石粉采用福建某石材廠石板切割廢石粉，以下簡(jiǎn)稱(chēng)石粉其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表 4。

表 4 石粉主要成份 %

砂：細(xì)度模數(shù)為 2.6、級(jí)配范圍為 II 區(qū)的河砂，含泥量為0.8%。

石：采用粒形較好的 5～20mm 的反擊破石子。

外加劑：采用福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸低濃型緩凝減水劑（Point—400S）。

增稠劑 A：醚類(lèi)，化學(xué)型增稠，效果好、摻量低。

增稠劑 B：纖維類(lèi)，物理型增稠，效果好、摻量高。

黏度改性劑：BASF Rheo MATRIX 型黏度改性劑。

2 試驗(yàn)與研究

2.1 基準(zhǔn)配合比參數(shù)設(shè)計(jì)

本文采用改變膠凝材料比例的方法確定基準(zhǔn)混凝土配合比，在此基礎(chǔ)上利用石粉外摻法確定石粉的最佳摻量，優(yōu)化配合比，并研究石粉對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能、力學(xué)性能和抗碳化性能的影響。

2.1.1 基準(zhǔn)配合比參數(shù)設(shè)計(jì)

膠凝材料總量為 400kg/m3，比重為 2350kg/m3，水膠比為 0.44，砂率為 46%，粉煤灰和礦粉摻量的比例如圖 1 所示?；鶞?zhǔn)配合比如表 5 所示，測(cè)定混凝土的拌合物性能，分析得出較優(yōu)基準(zhǔn)配合比參數(shù)。

圖 1 粉煤灰和礦粉設(shè)計(jì)比例

表 5 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

2.1.2 低膠材石粉自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)第一步得出的較優(yōu)基準(zhǔn)配合比參數(shù)，設(shè)計(jì)摻石粉的混凝土配合比參數(shù)，通過(guò)石粉取代砂法，分別占砂重量的10%、12%、14%、16%，測(cè)定混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和抗碳化性能，分析得出最佳低膠凝材料自密實(shí)配合比參數(shù)。

2.2 增稠劑與黏度改性劑復(fù)配比例設(shè)計(jì)

增稠劑能顯著提高新拌混凝土的黏度，從而改善低膠凝材料自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性。本試驗(yàn)中選用了 2 種增稠劑和BASF 的黏度改性劑 Rheo MATRI (R) 來(lái)改善自密實(shí)混凝土的粘聚性。

所選增稠劑 A、增稠劑 B 與黏度改性劑 R 的性能，設(shè)計(jì)了 9 組配方，減水劑的量固定不變，增稠劑 A 的摻量為萬(wàn)分之 2、4、6，對(duì)應(yīng)的序號(hào)分別為 A1、A2、A3；增稠劑 B 的摻量分別為萬(wàn)分之 10、14、18，對(duì)應(yīng)的序號(hào)分別為 B1、B2、B3；黏度改性劑R的摻量為百分之 5、10、15，對(duì)應(yīng)的序號(hào)分別為 R1，R2，R3，然后根據(jù) 2.1 得出的較優(yōu)低膠凝材料自密實(shí)配合比試配，得出合適的摻量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 自密實(shí)混凝土性能及要求

參考 JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，本試驗(yàn)通過(guò)坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、J環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)和擴(kuò)展時(shí)間T500試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的填充性和間隙通過(guò)性，采用的方法為坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、J 環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)和擴(kuò)展時(shí)間 T500 試驗(yàn)。

3.2 基準(zhǔn)混凝土配合比工作性能

在不同的粉煤灰與礦粉比例下，各組混凝土工作性數(shù)據(jù)如表 6 所示，坍落擴(kuò)展度與 J 環(huán)擴(kuò)展度差值如圖 2 所示。由表 6 可知，在膠凝材料總量相同條件下，隨著礦物摻合料的逐漸增大，混凝土坍落度和擴(kuò)展度呈增大趨勢(shì)，礦物摻合料提高 10%，坍落度和擴(kuò)展度分別提高約 10mm、25mm。由圖2 可知，隨著礦物摻合料的增大，混凝土擴(kuò)展度差值整體呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。總量升至 40% 時(shí)，擴(kuò)展度差值逐漸降至 50mm 以?xún)?nèi)，基本滿(mǎn)足間隙通過(guò)性 PA1 級(jí)自密實(shí)混凝土的要求?；炷梁鸵仔在厔?shì)與擴(kuò)展度差值趨勢(shì)一致，是先由一般變?yōu)榱己煤筠D(zhuǎn)為泌水的過(guò)程。因此，礦物摻合料雖然有利于混凝土流動(dòng)性的提高，但是應(yīng)維持在合適的摻量范圍，不然會(huì)對(duì)和易性造成不利影響。

圖 2 基準(zhǔn)混凝土坍落擴(kuò)展度與 J 環(huán)擴(kuò)展度差值

表 6 基準(zhǔn)混凝土工作性能

綜上所述，當(dāng)?shù)V物摻合料摻量為 40%，混凝土具有良好的流動(dòng)性及在大流動(dòng)性下的和易性，基本滿(mǎn)足一般自密實(shí)混凝土的性能要求。因此，礦物摻合料的最佳摻量為 40%。

3.3 石粉自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)設(shè)計(jì)

在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了 POW1～POW4 四組配合比，如表 7 所示。采用石粉取代砂的方法，研究石粉對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，保持砂率不變，石粉摻量分別為 10%、12%、14%、16%。測(cè)定混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和抗碳化性能，分析得出最佳低膠凝材料自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)。

表 7 石粉自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

3.3.1 摻石粉自密實(shí)混凝土的工作性能

不同的石粉取代量的自密實(shí)混凝土初始和 1h 后工作性能如表 8 所示。由表 8 中數(shù)據(jù)可知，石粉摻量對(duì)混凝土的坍落度影響不大，但是隨著摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度有所提高，石粉摻量為 10%、12%、14% 和 16 % 時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度分別增加了 20mm、40mm、55mm、70mm?；炷琉ぞ坌砸搽S著石粉外摻量的增加有較明顯改善。

表 8 石粉自密實(shí)混凝土工作性能

不同石粉摻量下，混凝土的坍落擴(kuò)展度與 J 環(huán)擴(kuò)展度差值如圖 3 所示。由圖 3 可知，相比基準(zhǔn)混凝土，摻入石粉后，混凝土擴(kuò)展度差值整體呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)，基準(zhǔn)配合比擴(kuò)展度差值為 55mm，而摻入石粉混凝土分別為 10mm、15mm、20mm、10mm?？芍?，采用石粉取代砂的混凝土間隙通過(guò)性較好，能滿(mǎn)足 PA2 級(jí)自密實(shí)混凝土的要求。這主要是因?yàn)槭蹞搅吭龃螅岣吡嘶炷涟韬衔锏目偡哿?，同時(shí)由于石粉比表面積較大，從而改善了低膠材狀況下混凝土自由水偏多、漿體黏聚性偏低的問(wèn)題，適當(dāng)黏聚性的漿體能夠推動(dòng)石子的運(yùn)動(dòng)，提高混凝土擴(kuò)展度[6]。

圖 3 自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度與 J 環(huán)擴(kuò)展度差值

3.3.2 摻石粉自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能

不同石粉摻量下，石粉自密實(shí)混凝土強(qiáng)度對(duì)比如圖 4 所示。由圖 4 可知，隨著石粉摻量的增大，混凝土 7d 和 28d 強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但是在 12% 范圍之內(nèi)，石粉對(duì)強(qiáng)度有提高作用。POW1、POW2 均比 REF5 的各齡期強(qiáng)度有較為顯著的增大，其中 POW1 的 28d 強(qiáng)度超過(guò)對(duì)比組 REF5，特別是7d 強(qiáng)度增大程度更為明顯。這是因?yàn)橐环矫媸鄣奈⑿×Ｗ泳哂泻芎玫奈⒓咸畛渥饔?，可增加混凝土的密?shí)度[7]，提高混凝土抗壓強(qiáng)度；另一方面，石粉可以發(fā)揮“晶核效應(yīng)”，促進(jìn) C3S 和 C3A 水化，能夠提高有效結(jié)晶產(chǎn)物含量和強(qiáng)度[8]。因此，在適當(dāng)摻量下，混凝土后期強(qiáng)度顯著提高。但是當(dāng)石粉摻量達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，這種正面效應(yīng)就不足以彌補(bǔ)惰性材料不能發(fā)生水化反應(yīng)的不足。

圖 4 自密實(shí)混凝土不同齡期的強(qiáng)度

3.3.3 摻石粉自密實(shí)混凝土的抗碳化性能

不同石粉摻量下，石粉自密實(shí)混凝土碳化深度對(duì)比如圖 5 所示。在相同齡期下，隨著石粉摻量的增大，各配合比的碳化深度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但是這種趨勢(shì)的變化的快慢與石粉摻量有關(guān)。由 10%（POW1）增加到 12%（POW2），碳化深度增加較平緩，而由 14%（POW3）增加到 16%（POW4），碳化深度增加較快速。可見(jiàn)，石粉的摻量越大，碳化深度的增加越快速，說(shuō)明其越容易被碳化。當(dāng)石粉的摻量低于 12% 時(shí)，碳化深度低于對(duì)比組 REF5，這說(shuō)明驗(yàn)證了 3.3 節(jié)的結(jié)論，在 12% 范圍之內(nèi)，石粉對(duì)自密實(shí)混凝土的性能是有利的。

圖 5 石粉自密實(shí)混凝土抗碳化性能對(duì)比

3.4 增稠劑與黏度改性劑

根據(jù) 2.2 中設(shè)計(jì)的增稠劑與黏度改性劑比例復(fù)配外加劑，選擇 3.3 得出的較優(yōu)配合比 POW2 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6 可知，不同增稠劑與黏度改性劑比例下，自密實(shí)混凝土的J環(huán)擴(kuò)展度值不同。隨著摻量的增大所呈現(xiàn)的規(guī)律也不盡相同。當(dāng)摻增稠劑 A 時(shí)，隨著摻量的增加，混凝土的 J 環(huán)擴(kuò)展度逐漸減?。划?dāng)摻增稠劑 B 時(shí)，隨著摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度逐漸增大。這是因?yàn)槊杨?lèi)增稠劑通過(guò)疏水主鏈與周?chē)肿託滏I締合，雖然漿體黏度得到了提高，但是減少了顆粒自由活動(dòng)的空間，因此流動(dòng)性會(huì)有所降低；而纖維類(lèi)增稠劑通過(guò)提高總比表面積，增強(qiáng)自由水的吸附而提高混凝土的黏度，這是一個(gè)物理過(guò)程，對(duì)水泥自身的影響較小，因此可以增大混凝土的流動(dòng)性。

當(dāng)摻黏度改性劑 R 時(shí)，隨著摻量的增加，混凝土的擴(kuò)展度先增大后減小，這主要是因?yàn)轲ざ雀男詣?R 與外加劑兩者對(duì)混凝土的作用是一個(gè)相互抵消的過(guò)程，外加劑可以提高減水率，而黏度改性劑 R 可以降低減水率，因此當(dāng)黏度改性劑R 提高至一定摻量時(shí)，反而不利于混凝土的流動(dòng)性，因此應(yīng)控制黏度改性劑 R 的摻量在 10% 以下。

圖 6 增稠劑與黏度改性劑比例對(duì) J 環(huán)擴(kuò)展度值的影響

4 結(jié)論

（1）當(dāng)膠凝材料 400kg/m3，礦物摻合料摻量為 40%，混凝土具有良好的流動(dòng)性及和易性。

（2）采用石粉代砂的方法配制自密實(shí)混凝土間隙通過(guò)性較好，具有良好的流動(dòng)及和易性，能滿(mǎn)足 PA2 級(jí)自密實(shí)混凝土的要求。

（3）石粉摻量在 12% 范圍之內(nèi)，石粉對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和抗碳化性能有促進(jìn)作用。

（4）增稠劑和黏度改性劑對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性影響不同。纖維類(lèi)增稠劑對(duì)其有促進(jìn)作用，而黏度改性劑在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)混凝土的流動(dòng)性，其摻量應(yīng)控制在 10% 以下。

（5）當(dāng)粉煤灰與礦粉總摻量為 40%，外摻 12% 的石粉，可以制備出性能優(yōu)良的低膠凝材料自密實(shí)混凝土。

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［通訊地址］福建省廈門(mén)市湖濱南路 62 號(hào)（361004）

Study on self-compacting concrete Mix Design with Low Content of Cementitious Material

Cai Zhenzhe
(Xiamen Evergreen Tree Building Material Co., Ltd., Xiamen 361004)

This article discusses the influence of fly ash and slag proportions, the different granite powder content on the work performance and of self-compacting concrete. The results showed that when in the range of 12% granite powder, the granite powder can improve the strength and carbonation resistance of self-compacting concrete. However, with increasing content of the granite powder, the strength of the concrete showed decreased. And when the content of fl y ash and slag is 40%, 12% mixed with granite powder, it can be prepared excellent performance self-compacting concrete with low content of cementitious material.

self-compacting concrete with low content of cementitious material; granite powder; viscosity modifier; carbonation resistance

蔡振哲，碩士，研發(fā)工程師，主要從事新型建筑材料的研究。