郭 威 劉娟紅 陳明路

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院 100083 北京；2.北京建筑大學(xué) 土木與交通學(xué)院 100044 北京）

高性能混凝土本應(yīng)在各方面都具有良好的性質(zhì)，但國(guó)內(nèi)最近卻出現(xiàn)不少“高性能混凝土”結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，早期開(kāi)裂的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[1]。造成這種情況的原因是我國(guó)近年來(lái)一直對(duì)高性能混凝土有一定錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，很多人認(rèn)為“高性能混凝土”就是擁有高強(qiáng)度、良好流動(dòng)性并加入礦物摻合料的混凝土，這導(dǎo)致“高性能混凝土”的使用產(chǎn)生了盲目和混亂。使得不少水泥廠商為了使混凝土早期強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)而盲目將水泥磨細(xì)，大大增大了水泥的細(xì)度，使得混凝土更加容易產(chǎn)生開(kāi)裂，這與高性能混凝土應(yīng)擁有高耐久性的初衷相矛盾。

上世紀(jì)90年代吳中偉先生提出了高性能膠凝材料的概念。高性能膠凝材料是在平時(shí)配制水泥熟料時(shí)直接將混凝土中需要加入的各種摻合料、外加劑與熟料混合，經(jīng)過(guò)石膏摻量的優(yōu)化后以合適的配合比制成不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。得到的膠凝材料不用再加其他添加劑，便可以用于配制不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，此種混凝土是擁有合適坍落度、強(qiáng)度、抗裂性的高性能混凝土[2]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)水泥的細(xì)度、石膏的摻量、粉磨工藝等對(duì)混凝土性能的影響方面也做了大量的研究，并提出了對(duì)高性能水泥的要求[3-13]。

本文采用由比表面積較高的摻和料和比表面積較低的水泥熟料制備的高性能膠凝材料，研究水泥熟料比表面積、水泥孰料摻量以及SO3含量對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、膠砂抗折抗壓強(qiáng)度以及混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

熟料：本次試驗(yàn)使用北京金隅水泥廠提供的300m2/kg和350m2/kg比表面積的水泥熟料。

水泥：北京金隅水泥廠P·O42.5水泥，比表面積380m2/kg。

粉煤灰：采用密度2.2g/cm3，500m2/kg比表面積，需水量比為96%的粉煤灰。

礦粉：采用密度2.95g/cm3，430m2/kg比表面積，需水量比為106%的礦粉。

石灰石粉：采用密度2.81g/cm3，440m2/kg比表面積，需水量比為98%的石灰石粉。

石膏：采用SO3含量50.3%的二水石膏。

1.2 試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)：按照規(guī)范《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法》《GB1346-1989》進(jìn)行測(cè)定。膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)：按照規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（IOS法）》（GB17671-1999）進(jìn)行測(cè)定?；炷翉?qiáng)度試驗(yàn)：參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 凈漿與膠砂試驗(yàn)結(jié)果

膠凝材料分為兩個(gè)大組，A組采用比表面積300m2/kg的水泥熟料、B組采用比表面積350m2/kg的水泥熟料。調(diào)整水泥熟料、礦粉、粉煤灰、石灰石粉以及SO3摻量，具體組分見(jiàn)表1、表2。按照各組配比分別制備凈漿和膠砂試件，測(cè)量18個(gè)組別的膠凝材料凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間，以及膠砂抗折、抗壓強(qiáng)度。

2.2 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)凈漿和膠砂試驗(yàn)確定混凝土制備組，A組、B組為高性能膠凝材料，比表面積分別為300±5m2/kg和350±5m2/kg，C組為金隅水泥組?；炷猎囼?yàn)在保證外加劑用量2.20%不變的前提下通過(guò)改變用水量使各個(gè)組別的混凝土的坍落度保持在200mm?；炷粮鹘M別配合比及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

3 結(jié)果分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響因素分析

圖1可知，相同水泥熟料摻量、相同SO3摻量的情況下水泥熟料比表面積越大標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大。這是因?yàn)樗嗍炝显郊?xì)，顆粒間的空隙越大，與水接觸的面積也越大，從而導(dǎo)致用水量的增加。圖2可知，相同水泥熟料比表面積、相同SO3摻量的情況下水泥熟料摻量越少標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大。這是因?yàn)殡m然水泥中粉煤灰和石灰石粉的需水量比較水泥略小，但是摻合料中摻量最大的礦粉其需水量較水泥更大，而且其需水量高于水泥的差值大于粉煤灰和石灰石粉低于水泥的差值，因此摻合料總體的需水量大于水泥熟料。圖3可知，相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下SO3摻量越少標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大。石膏在膠凝材料中能有效起到緩凝作用，當(dāng)SO3摻量減少的情況下，緩凝作用變?nèi)?，水泥熟料能更迅速進(jìn)行水化反應(yīng)。

表1 A組（300m 2/kg水泥熟料）組分比例、凝結(jié)時(shí)間及膠砂試塊強(qiáng)度

表2 B組（350m 2/kg水泥熟料）組分比例、凝結(jié)時(shí)間及膠砂試塊強(qiáng)度

表3 各組別混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

圖1 不同比表面積水泥熟料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)比圖

圖2 不同水泥熟料摻量的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)比圖

圖3 不同SO 3摻量的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)比圖

3.2 凝結(jié)時(shí)間的影響因素分析

圖4～圖5可知，相同水泥熟料摻量、相同SO3摻量的情況下水泥熟料比表面積越大凝結(jié)時(shí)間越短。這是因?yàn)樗嘣郊?xì)，在各個(gè)水泥顆粒之間的空隙越多，能夠與水接觸的表面積也就越大。圖6～圖7可知，相同水泥熟料比表面積、相同SO3摻量的情況下水泥熟料摻量越少凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。這個(gè)現(xiàn)象的原因是當(dāng)水泥熟料摻量減少時(shí)摻合料也會(huì)變多，摻合料的活性要低于水泥，增多的摻合料的有益作用主要體現(xiàn)在中長(zhǎng)期性能上，而對(duì)于早期的強(qiáng)度貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于水泥。圖8～圖9可知，相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下SO3摻量越少凝結(jié)時(shí)間越短。這是因?yàn)槭嘣谀z凝材料中起緩凝作用，石膏能夠和導(dǎo)致水泥快速凝結(jié)的水化鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，包裹住水泥顆粒，阻止水泥的繼續(xù)水化，避免水泥的閃凝。50%、40%、30%三種水泥熟料摻量的膠凝材料組別雖然凝結(jié)時(shí)間相差不大，但30%組別的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量達(dá)到29%以上，超出普通水泥28%的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較多，這會(huì)造成混凝土強(qiáng)度下降和開(kāi)裂加劇，而50%、40%水泥熟料摻量組別的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較為合適，因此通過(guò)凈漿試驗(yàn)選出50%、40%水泥熟料摻量組別的性能較好。

3.3 膠砂試塊抗壓強(qiáng)度影響因素分析

圖4 不同比表面積水泥熟料初凝時(shí)間對(duì)比圖

圖5 不同比表面積水泥熟料終凝時(shí)間對(duì)比圖

圖6 不同水泥熟料摻量初凝時(shí)間對(duì)比圖

圖7 不同水泥熟料摻量終凝時(shí)間對(duì)比圖

圖8 不同SO 3摻量初凝時(shí)間對(duì)比圖

圖9 不同SO 3摻量終凝時(shí)間對(duì)比圖

從表1～表2、圖10～圖12分析可得：300m2/kg比表面積的水泥熟料組別相較350m2/kg比表面積的水泥熟料組別早期膠砂抗折抗壓強(qiáng)度低；50%、40%、30%三種水泥熟料摻量的膠凝材料組別中30%組別的膠砂抗折抗壓強(qiáng)度明顯較其他組別低，膠凝材料中水泥熟料比表面積越大膠砂早期強(qiáng)度越大，隨著齡期的增加水泥熟料比表面積小的膠砂強(qiáng)度增長(zhǎng)更快；膠凝材料中水泥熟料摻量越少膠砂早期強(qiáng)度越小，隨著齡期的增加水泥熟料摻量少組別，其摻和料性能逐漸發(fā)揮會(huì)縮小與水泥熟料摻量多組別的膠砂強(qiáng)度差距；膠凝材料中SO3摻量的變化對(duì)膠砂強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響，這是因?yàn)榕c混凝土不同，膠砂中沒(méi)有各種不同粗細(xì)的骨料，使得石膏的填充、激發(fā)活性等作用發(fā)揮不明顯。所以石膏在膠砂中僅起到緩凝作用，對(duì)強(qiáng)度不會(huì)有明顯影響，且由于膠砂試驗(yàn)所采用的水膠比為標(biāo)準(zhǔn)提供的0.5，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度不高，所以需要進(jìn)行混凝土試驗(yàn)繼續(xù)測(cè)定。

3.4 混凝土的強(qiáng)度

圖10 不同比表面積水泥熟料膠砂28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖11 不同水泥熟料摻量膠砂28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖12 不同SO 3摻量膠砂28天抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

據(jù)以上的分析初步得出高性能膠凝材料最佳組別應(yīng)該是350m2/kg比表面積水泥、40%水泥熟料摻量的組別之一，即B-2-1、B-2-2、B-2-3中的一組，為了和普通硅酸鹽水泥制備而成的混凝土進(jìn)行對(duì)比從而增設(shè)P·O 42.5水泥對(duì)照C2組。但考慮到試驗(yàn)中可能產(chǎn)生的各種誤差，更重要的是300m2/kg和350m2/kg組別的膠砂28天強(qiáng)度很相近，應(yīng)增設(shè)A-2-1、A-2-2、A-2-3三組繼續(xù)比較兩種比表面積的優(yōu)劣，既而繼續(xù)進(jìn)行混凝土試驗(yàn)確定最佳配比。

從圖13可以看出，在相同水泥熟料比表面積、相同水泥熟料摻量的情況下，3.5%SO3摻量的B-2-2、A-2-2組別抗壓強(qiáng)度最高，相比較來(lái)說(shuō)此摻量的石膏顆粒較3.0%、4.0%摻量來(lái)說(shuō)能夠更充分地與水泥顆粒和摻合料顆粒接觸并激發(fā)其活性，填充結(jié)構(gòu)孔隙，因而抗壓強(qiáng)度最高。從齡期增長(zhǎng)趨勢(shì)可以看出，可以看出3.5%SO3摻量的組別較其他組別強(qiáng)度增長(zhǎng)稍快一些，但并無(wú)太大差距。這與理論相符，因?yàn)镾O3本身對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響就不大，因此SO3摻量的變化更不會(huì)對(duì)混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)有所影響。

并從圖14可以看出，在相同水泥熟料摻量下，細(xì)度越大的C2組混凝土早期抗壓強(qiáng)度越大。這是因?yàn)樗嘣郊?xì)，與水接觸的比表面積越大，能有更多的水泥與水反應(yīng)、硬化，砂石等骨料之間的膠凝材料連結(jié)能力也就越強(qiáng)，強(qiáng)度也就越高。但是隨著齡期的增長(zhǎng)，對(duì)照組C2組混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速率慢慢降低，粗顆粒水泥組A-2-2、B-2-2組的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸超過(guò)C2組，B-2-2組在28d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到對(duì)照組C2組水平，并且在56d齡期時(shí)明顯高于C2組，再者56d時(shí)A-2-2組混凝土的抗壓強(qiáng)度已接近C2組水平。這是由于在水膠比相同的情況下水泥熟料比表面積小的組別雖然初始水化速率不如水泥熟料比表面積大的組別，但是隨著齡期發(fā)展初始未充分反應(yīng)的部分可以繼續(xù)發(fā)生水化，而水泥熟料比表面積大的組別則由于初始反應(yīng)較完全，繼續(xù)水化的能力較弱，所以強(qiáng)度增長(zhǎng)較水泥熟料比表面積小的組別慢一些。

圖13 不同SO 3摻量混凝土強(qiáng)度對(duì)比圖

圖14 水泥熟料混凝土與P·O 42.5水泥混凝土強(qiáng)度對(duì)比圖

結(jié)論

（1）水泥熟料摻量越大，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越小，凝結(jié)時(shí)間越短，膠砂和混凝土強(qiáng)度越高。水泥熟料比表面積越大，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大，凝結(jié)時(shí)間越短。

（2）SO3摻量越大，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越小、凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)膠砂強(qiáng)度均沒(méi)有太大影響，而對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響會(huì)在摻量為3.5%左右達(dá)到峰值，此時(shí)混凝土強(qiáng)度最高。

（3）比表面積300m2/kg、摻量40%水泥熟料、3.5%SO3的組別和比表面積350m2/kg、40%水泥熟料、3.5%SO3組別可制備出兼顧施工性、強(qiáng)度的高性能混凝土。

[1] 廉慧珍. 對(duì)“高性能混凝土”十年來(lái)推廣應(yīng)用的反思 [J]. 混凝土，2003 （7）：10~13.

[2] 吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土 [M]. 中國(guó)鐵道出版社，1999.

[3] 葉群山，梁文泉，何真. 礦渣粉煤灰復(fù)合膠寧體系的試驗(yàn)研究[J]. 混凝土，2004 （8）.

[4] 胡如進(jìn)，李琳，王善拔.水泥顆粒級(jí)配的優(yōu)化[J]，水泥，2005（8）.

[5] 廉慧珍，吳忠偉.混凝土的可持續(xù)發(fā)展與高性能膠凝材料—高性能膠凝材料的實(shí)驗(yàn)研究之一混凝土，1998,6.

[6] 楊文科.混凝土的醫(yī)生—自愈合[J]，商品混凝土，2013，4.

[7] 廉慧珍等.高性能膠凝材料中石膏的優(yōu)化[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào).1999，13（2）..

[8] 廉慧珍, 韓素芳. 現(xiàn)代混凝土需要什么樣的水泥[J]. 水泥,2006.09.

[9] 廉慧珍, 阮慶革, 李玉琳. 高性能膠凝材料中石膏的優(yōu)化[J]. 山東建材學(xué)院學(xué)報(bào), 1999.06

[10] 黃大能. 高性能混凝土與超高標(biāo)號(hào)水泥[J]. 福建建材,1995,（4）.

[11] 廉慧珍, 陳恩義. 原材料和配合比對(duì)高強(qiáng)與高性能混凝土的影響[J]. 混凝土, 1996（5）.

[12] 喬齡山. 對(duì)硅酸鹽水泥質(zhì)量問(wèn)題的探討[J]. 水泥, 1996,（7）.

[13] 廉慧珍. 礦物摻合料由誰(shuí)來(lái)?yè)胶肹J]. 中國(guó)建材, 2007.01.