王成啟，劉思楠

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

近年來，隨著工程建設(shè)的發(fā)展，高層建筑、大跨度橋梁、港口碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施不斷興建，對傳統(tǒng)混凝土提出較高的要求。要求混凝土具有良好的工作性能、較高的強(qiáng)度和耐久性，高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)高性能混凝土已成為水泥基復(fù)合材料的重要研究方向之一[1-4]。為提高超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，一般采用較低的水膠比，較高的膠凝材料用量[5-6]。文獻(xiàn)[2]對配制C100超高強(qiáng)混凝土的水膠比推薦值為0.24～0.26，膠凝材料的推薦用量為550～600 kg/m3。隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的干燥收縮明顯增加，使混凝土開裂風(fēng)險明顯加大[7]。而對于高強(qiáng)混凝土，在其干燥失水的過程中，致密的結(jié)構(gòu)會阻礙水分由內(nèi)向外擴(kuò)散，形成更大的濕度梯度，加之高強(qiáng)混凝土較低的延性，使其易于因干燥收縮形成裂縫，影響高強(qiáng)混凝土的耐久性和使用功能[8-9]。因此，降低混凝土收縮是配制超高強(qiáng)混凝土需要解決的問題之一。磨細(xì)粉煤灰和硅灰等超細(xì)礦物摻合料具有比表面積大、活性高的優(yōu)點，能顯著改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度、改善耐久性，采用超細(xì)礦物摻合料已成為配制高強(qiáng)高性能混凝土的基本途徑[10]。本文采用超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠與高性能減水劑復(fù)合以及優(yōu)化設(shè)計，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土膠凝材料用量，配制低膠凝材料用量的C100超高強(qiáng)高性能混凝土，使其具有較高的工作性能和耐久性，滿足工程實際需要。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：句容臺泥水泥廠生產(chǎn)的52.5RⅡ型硅酸鹽水泥，比表面積370 m2/kg，安定性合格，主要性能指標(biāo)見表1。表1 水泥的主要性能指標(biāo)

抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa凝結(jié)時間/min燒失量/%SO3/%3 d 3 d 初凝 終凝28 d 28 d MgO/%6.3 8.9 32.5 61.0 160 205 2.61 1.50 2.05

（2）超細(xì)礦物摻合料：馬鋼嘉華生產(chǎn)的S105級超細(xì)粒化高爐礦渣粉，天津筑成新材料公司生產(chǎn)的粉煤灰微珠，主要物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 礦渣粉和粉煤灰微珠的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

（3）細(xì)骨料：閩江河砂，主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 砂的主要性能指標(biāo)

（4）粗骨料：5～10 mm 和 16～25 mm 二級配碎石，使用時按3∶7的質(zhì)量比配制，主要性能指標(biāo)如表4所示。

表4 粗骨料的主要性能指標(biāo)

（5）減水劑：上海華登HP400聚羧酸系高性能減水劑，主要性能指標(biāo)如表5所示。（6）拌合水：自來水，性能指標(biāo)如表6所示。

表5 減水劑的主要性能指標(biāo)

表6 拌合水的性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗按JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行?；炷岭娡亢蛿U(kuò)散系數(shù)（RCM法）試驗按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。掃描電子顯微鏡采用日本電子光學(xué)公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形貌，掃描電子顯微鏡分辨率為3.5 nm，加速電壓為20 kV。

1.3 混凝土配合比

為了減小超高強(qiáng)混凝土的收縮，控制混凝土的膠凝材料用量小于550 kg/m3。以水泥用量為519 kg/m3為基準(zhǔn)混凝土，分別用超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠取代等質(zhì)量的水泥，單摻超細(xì)礦渣粉摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%，單摻粉煤灰微珠摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%，混凝土配合比如表7所示。

表7 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 超細(xì)礦物摻合料對混凝土工作性的影響（見表8）

從表8可以看出，隨著超細(xì)礦渣粉摻量的增加，混凝土坍落度呈不斷增大趨勢，表明礦渣粉具有一定的減水和塑化作用，有利于混凝土工作性的改善。隨著粉煤灰微珠摻量的增加，混凝土用水量不斷減小，而坍落度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，當(dāng)摻5%粉煤灰微珠時，用水量可減少10 kg/m3左右，表明粉煤灰微珠具有明顯減水效果。此外，摻超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠的混凝土含氣量均小于2.0%，表觀密度均大于2500 kg/m3。

表8 超細(xì)礦物摻合料對混凝土工作性的影響

2.2 超細(xì)礦物摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

（見表 9）

表9 超細(xì)礦物摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表9可以看出，當(dāng)齡期為1 d時，摻10%～20%超細(xì)礦渣粉的混凝土抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土有所提高；當(dāng)齡期為3 d和7 d時，摻10%～35%超細(xì)礦渣粉的混凝土抗壓強(qiáng)度已超過基準(zhǔn)混凝土；當(dāng)齡期為28 d時，摻超細(xì)礦渣粉的混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步提高，摻10%、15%、20%超細(xì)礦粉的混凝土強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，增強(qiáng)效果顯著，抗壓強(qiáng)度均大于110 MPa，達(dá)到C100抗壓強(qiáng)度配制要求。因此，摻10%～20%超細(xì)礦渣粉的混凝土早期強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土有一定增長，還會使混凝土后期強(qiáng)度有一定增長，明顯提高混凝土抗壓強(qiáng)度，可滿足C100配制強(qiáng)度的技術(shù)要求。

從表9還可以看出，當(dāng)齡期為1 d時，在減水劑摻量一定的條件下，隨著粉煤灰微珠摻量增加，混凝土用水量不斷減少（見表7），混凝土抗壓強(qiáng)度也呈不斷降低趨勢，但摻粉煤灰微珠混凝土抗壓強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土明顯提高，摻5%、10%、15%、20%和25%粉煤灰微珠的混凝土抗壓強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)混凝土提高了23.6%、11.8%、12.9%、6.5%和6.1%。當(dāng)齡期為3 d、7 d和28 d時，混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高，均高于基準(zhǔn)混凝土，增強(qiáng)效果顯著，且28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度均超過110 MPa，達(dá)到C100抗壓強(qiáng)度配制要求。因此，在混凝土中摻入粉煤灰微珠，不僅可減少混凝土用水量，而且明顯提高混凝土早期和后期強(qiáng)度。

2.3 超細(xì)礦物摻合料對混凝土耐久性的影響

（見表10）

表10 超細(xì)礦物摻合料對混凝土耐久性的影響

從表10可以看出，隨著超細(xì)礦渣粉摻量的增加，混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均不斷降低，56 d電通量均小于1000 C，84d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于1.5×10-12m2/s。摻粉煤灰微珠的混凝土28d電通量小于700 C，56 d電通量小于500 C，84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均不大于1.0×10-12m2/s。摻入粉煤灰微珠有效降低了混凝土的用水量，提高了混凝土的密實性，具有較高的耐久性。因此，摻入超細(xì)礦渣、粉煤灰微珠均可有效提高混凝土的耐久性，粉煤灰微珠對混凝土耐久性的改善效果較佳。

2.4 SEM分析

單摻15%超細(xì)礦渣粉的3#試樣和單摻5%粉煤灰微珠的8#試樣28 d的SEM照片分別如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，放大15 000倍情況下，單摻超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠的混凝土水化產(chǎn)物較多，形成了板狀氫氧化鈣和較多的凝膠體等多種水化產(chǎn)物交織的水化產(chǎn)物體系，水化產(chǎn)物發(fā)育良好且結(jié)構(gòu)較為緊密，有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性。因此，所配制的混凝土具有高強(qiáng)度和高耐久性。

圖1 單摻15%超細(xì)礦渣粉混凝土的SEM照片

圖2 單摻5%粉煤灰微珠混凝土的SEM照片

3 結(jié)論

（1）采用超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠，在膠凝材料用量小于550 kg/m3的情況下，配制出工作性、抗壓強(qiáng)度和耐久性良好的C100的超高強(qiáng)高性能混凝土。所制備的C100混凝土坍落度不低于180 mm，28 d抗壓強(qiáng)度大于110 MPa。

（2）單摻超細(xì)礦渣粉的混凝土56 d電通量小于1000 C，84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s；單摻粉煤灰微珠的混凝土28 d電通量小于700 C，56 d電通量小于500 C，84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均不大于1.0×10-12m2/s。

（3）研發(fā)的單摻超細(xì)礦渣粉和粉煤灰微珠配制技術(shù)可有效控制混凝土中膠凝材料用量，降低混凝土的收縮，克服超高強(qiáng)混凝土在使用過程中由于膠凝材料用量大導(dǎo)致的混凝土開裂風(fēng)險。