陳明路 宋少民 封 鑫

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

混凝土的開裂問題一直是困擾工程界的難題，即使是最密實(shí)的混凝土，一旦發(fā)生開裂，也不能有效的保護(hù)混凝土抵御外界環(huán)境中有害介質(zhì)的侵入，這樣混凝土的使用年限就會大大的降低?；炷恋拈_裂主要與混凝土的原材料（特別是水泥）、漿骨比、施工養(yǎng)護(hù)等因素有關(guān)。水泥廠為了迎合混凝土企業(yè)和施工企業(yè)追求早強(qiáng)、高強(qiáng)的心態(tài)，水泥中高強(qiáng)和早強(qiáng)組分越來越多，比表面積越來越大，水化熱越來越大，抗裂性能、抗腐蝕性越來越差，混凝土強(qiáng)度的后期增長率下降甚至倒縮。作為混凝土的主要組分的水泥，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境作用的耐久性能[1]。

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]。國內(nèi)許多學(xué)者對水泥的細(xì)度、石膏的摻量、粉磨工藝等對混凝土性能的影響方面也做了大量的研究，并提出了對高性能水泥的要求[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低熟料膠凝材料，研究了這種低熟料膠凝材料對混凝土和易性、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗裂性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：采用北京金隅水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，物理力學(xué)性能見表1。

水泥熟料：北京金隅水泥廠普通硅酸鹽水泥熟料，粉磨后控制熟料比表面積為300±5m2/kg和350±5m2/kg兩個級別。

石灰石粉：采用北京某公司生產(chǎn)的石灰石粉，比表面積為440m2/kg，密度為2.76g/cm3。

礦渣粉：采用北京生產(chǎn)的S95級礦渣粉，比表面積為440m2/kg，密度2.89g/cm3。

粉煤灰：采用Ⅰ級灰，比表面積為460m2/kg，密度2.2g/cm3。

石子：采用兩級配，5cm～10cm以及10cm～25cm，采用大石子∶小石子=7∶3的比例。

砂：河北水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，屬于Ⅱ區(qū)中砂。外加劑：奈系高效減水劑，含固量為33%。

1.2 配合比和試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比

C30混凝土試驗(yàn)配合比如表2所示，A組、B組為低熟料膠凝材料，比表面積分別為300±5m2/kg和350±5m2/kg，C組為金隅水泥組。

1.2.2 混凝土和易性試驗(yàn)

水泥組C組的水膠比為0.46；低熟料膠凝材料由于其制備工藝的原因，其有較低的需水行為。通過混凝土試配在保證和易性相同時(shí)（坍落度在200±10mm），確定低熟料膠凝材料組的用水量。

1.2.3 混凝土氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)

試件尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試塊，成型后在其表面覆蓋薄膜，在室溫20±5℃的環(huán)境中靜置二晝夜，然后拆模，放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d。將養(yǎng)護(hù)好的試塊切割成100mm×100mm×50mm的試塊，分別采用NEL法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.4 混凝土抗裂試驗(yàn)

按照表3所示的試驗(yàn)配比制作混凝土抗裂環(huán)，實(shí)驗(yàn)配制混凝土抗裂性實(shí)驗(yàn)試件放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3天后自然養(yǎng)護(hù)，觀察并記錄抗裂環(huán)開裂的時(shí)間以及裂縫的寬度。

3 結(jié)果及分析

3.1 混凝土和易性分析

實(shí)驗(yàn)中，混凝土用水量根據(jù)混凝土的和易性狀況進(jìn)行確定，即通過用水量將混凝土的坍落度控制在200±10mm范圍內(nèi)，同時(shí)保證混凝土的粘聚性和保水性，混凝土實(shí)際用水量及和易性情況如表4所示。

混凝土用水量出現(xiàn)降低的情況可以從兩個方面進(jìn)行分析：一是低熟料膠凝材料體系的需水行為；二是低熟料膠凝材料體系的Fuller曲線復(fù)合情況。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 C30混凝土試驗(yàn)配合比

表3 混凝土抗裂試驗(yàn)配比

試驗(yàn)測得低熟料膠凝材料的各組成成分進(jìn)行了蓄水行為的試驗(yàn)，其中北京金隅比表面積300±5m2/kg的熟料+3.5%SO3組成的膠材，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量僅為125m l，遠(yuǎn)小于金隅水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，在加上大量摻和料的使用，降低了膠凝體系的整體需水，使得混凝土水膠比降低。另一方面，我們對300±5m2/kg配制的兩種低熟料膠凝材料的級配計(jì)算，圖1、圖2是兩種低熟料膠凝材料的Fuller曲線圖。

從圖中我們可以看出，A2組的Fuller曲線復(fù)合程度要高于A1組，這樣良好的級配可以很大程度上降低混凝土的用水量，降低混凝土的水膠比，保證低熟料膠凝材料配制的混凝土的早期強(qiáng)度能滿足要求。

3.2 混凝土抗氯離子滲透性能研究

按照NEL對混凝土進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測定，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出所配置的混凝土滲透等級評價(jià)為中等。但是A組的抗氯離子滲透能力要大于B組和C組。A組抗氯離子滲透性能較高的原因，一方面是膠凝體系整體需水行為好，降低了混凝土的水膠比，使得混凝土內(nèi)部多余的水分減少；另一方面是超細(xì)粉的使用填充了水泥粒子之間及界面過渡區(qū)的空隙中，使砂漿機(jī)水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，阻斷了可能形成的滲透通路，使得混凝土的抗?jié)B透性能大幅度提高。粉煤灰、礦渣的摻入不斷與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，使得相互連通的孔道減少，對混凝土起到填充作用，超細(xì)石灰石粉的使用，改善了砂漿的孔結(jié)構(gòu)，阻止了水和氯離子等有害介質(zhì)的侵入，提高了混凝土的抗?jié)B性能。實(shí)驗(yàn)中，A1和A2的氯離子擴(kuò)散系數(shù)差別不大，且考慮到成本及摻和料后期對性能的提高作用，選用A2組作為低熟料膠凝材料的組成具有更大的使用價(jià)值。

表4 混凝土用水量及和易性情況

圖1 A 1低熟料膠凝材料Fu ller曲線

圖2 A 2低熟料膠凝材料Fu ller曲線

表5 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

表6 混凝土抗裂環(huán)裂縫情況

3.3 混凝土圓環(huán)抗裂分析

我們根據(jù)混凝土的強(qiáng)度和抗氯離子滲透試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)40%的熟料組成的低熟料膠凝材料可以更好的抵御氯離子的侵蝕，故混凝土抗裂試驗(yàn)只進(jìn)行A2、B2、C2組試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)精度，每組做2個抗裂環(huán)，以方便對其混凝土性能進(jìn)行研究?？沽循h(huán)標(biāo)養(yǎng)3天后，拆模，放置自然環(huán)境中，將放置在自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)的第一天規(guī)定為裂縫觀察期第一天，記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間以及裂縫條數(shù)和寬度。

本實(shí)驗(yàn)對A2、B2、C2組進(jìn)行了14天的裂縫觀察試驗(yàn)，觀察結(jié)果如表6示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，C2組裂縫出現(xiàn)的最早，裂縫寬度最大，混凝土開裂敏感性大，而采用300±5m2/kg、350±5m2/kg低比表面積組成的低熟料膠凝材料，開裂敏感性有了顯著的降低，尤其以A2最優(yōu)。這是因?yàn)?，采用大摻量摻和料、低比表面積熟料組成的低熟料膠凝材料水化放熱有很大程度的降低。在早期，磨得較粗的水泥，未水化水泥顆粒較多，可以穩(wěn)定凝膠，起了阻裂劑的作用。而采用水泥廠提供的P·O42.5水泥配制的混凝土，雖然在各個組分上和低熟料膠凝材料一致，但是水泥比表面積達(dá)到了390m2/kg，前期水化速度快，在干燥的環(huán)境中很容易引起開裂。

結(jié)論

（1）采用比表面積300±5m2/kg，40%熟料摻量，通過優(yōu)化三氧化硫含量為3.5%組成的低熟料膠凝材料可以在滿足C30混凝土流變性能的前提下，降低同比例水泥混凝土的水膠比，保證了混凝土的早期強(qiáng)度。

（2）低熟料膠凝材料配制的C30混凝土由于其低水膠比，使混凝土更加密實(shí)，熟料比表面積300±5m2/kg組的混凝土的抗氯離子滲透性能較低。

（3）采用A2組制成的低熟料膠凝材料，降低了混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，相比于普通水泥混凝土，低熟料膠凝材料（A2）配制的抗裂環(huán)延遲10d左右開裂。

[1] 劉娟紅，宋少民. 綠色高性能混凝土技術(shù)與工程應(yīng)用 [M]. 中國電力出版社，2011.

[2] 李憲軍，黃世謀，何廷樹. 高性能膠凝材料的研究綜述 [J]. 混凝土，2007 (2).

[3] 葉群山，梁文泉，何真. 礦渣粉煤灰復(fù)合膠凝體系的試驗(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)號水泥[J]. 福建建材,1995,（4）.

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

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

[13] 廉慧珍. 礦物摻合料由誰來摻好[J]. 中國建材, 2007.01.