李 鵬，陳 鵬，湯國(guó)芳，劉貴雙，盧傳泰，陳效鵬，閆 浩，李 建，吳 迪

(1.江蘇誠(chéng)意工程技術(shù)研究院有限公司，徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221000；3.江蘇誠(chéng)意樁業(yè)科技發(fā)展有限公司，徐州 221000；4.徐州鑄建建材科技有限公司，徐州 221000)

20世紀(jì)80年代末，日本學(xué)者Hajime Okamura 和 Ozawa 首次配置出滿足施工要求和耐久性要求的免振搗高流態(tài)的混凝土，后經(jīng)進(jìn)一步的研究，提出自密實(shí)混凝土(SCC)的概念[1,2]。自密實(shí)混凝土由于其高流動(dòng)度、抗離析、均勻穩(wěn)定、自密實(shí)等性質(zhì)在建筑領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用。然而，相較于普通混凝土，SCC需要更多的漿體包裹骨料并填充孔隙，這意味著制備SCC要消耗更多的水泥。水泥在生產(chǎn)過程中要消耗大量的石灰石、黏土、煤炭等天然資源，并且產(chǎn)生CO2、粉塵等污染性氣體，且在雙碳的戰(zhàn)略背景下，水泥的產(chǎn)能在一定的程度上受到限制。另一方面，高水泥用量的混凝土面臨著高水化熱、高收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，在SCC中摻加礦物摻合料取代水泥已成為當(dāng)前混凝土研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。目前，研究人員多考慮粉煤灰、礦渣粉、硅灰、磨細(xì)火山灰、石灰石粉等礦物摻合料取代部分水泥。胡紅梅[3]研究了石灰石粉分別與粉煤灰、礦粉和硅灰復(fù)摻對(duì)混凝土的自密實(shí)性能和強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)：石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻適合制備低強(qiáng)自密實(shí)混凝土；石灰石粉和礦粉、硅灰分別復(fù)摻可實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)效應(yīng)，用來配置高強(qiáng)自密實(shí)混凝土。殷建光[4]研究粉煤灰、硅灰對(duì)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)：粉煤灰和硅灰復(fù)摻實(shí)現(xiàn)超疊加效應(yīng)，有效的解決了單摻粉煤灰早期強(qiáng)度不高、單摻硅灰后期強(qiáng)度儲(chǔ)備值低的現(xiàn)象。Tangadagi,Ranjitha B[5]發(fā)現(xiàn)礦物外加劑替代水泥，不僅降低了水泥消耗量，還改善了混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能及其耐久性能。采用礦物摻合料配制SCC具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，是未來建筑材料重要的發(fā)展路徑。高強(qiáng)混凝土由于其抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力大、孔隙率低、抗?jié)B性能和抗腐蝕性能等耐久性優(yōu)良的特點(diǎn)，目前C80混凝土已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、海洋工程和交通工程等；近年來我國(guó)建設(shè)用砂需求量保持100億噸以上，機(jī)制砂替代河砂成為建設(shè)用砂主要來源，但是機(jī)制砂較河砂粒形不規(guī)則、棱角多，級(jí)配呈現(xiàn)“兩頭多、中間少”的特點(diǎn)，導(dǎo)致混凝土拌合物不良，因此實(shí)現(xiàn)C80機(jī)制砂混凝土的自密實(shí)性能，尤其是顯著降低拌合物的黏度，是目前較為突出的技術(shù)難題。因此該文開展利用超細(xì)礦物摻合料配制C80機(jī)制砂自密實(shí)混凝土，研究超細(xì)礦物摻合料替代水泥對(duì)C80機(jī)制砂混凝土的自密實(shí)性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，為C80機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：江蘇誠(chéng)意PO52.5水泥，其性能見表1；2)粉煤灰：Ⅱ級(jí)，細(xì)度(45 μm方孔篩篩余)21.0%，需水量比98%；3)礦渣粉：S95級(jí)，28 d活性指數(shù)100%；4)硅灰：活性指數(shù)115%，需水量比116%；5)超細(xì)礦物摻合料：中國(guó)建研院降黏型復(fù)合礦物摻合料，技術(shù)指標(biāo)符合《混凝土用功能型復(fù)合礦物摻合料》(T/CCES 8004)中降黏型復(fù)合摻合料的技術(shù)要求，其性能見表2；6)粗骨料：5～40 mm級(jí)配碎石；7)細(xì)骨料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.2，石粉含量7%，亞甲藍(lán)值1.1;8)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，固含量為18.5%；9)水：普通自來水。

表1 PO52.5水泥物理性能

表2 降黏型復(fù)合礦物摻合料性能

1.2 混凝土的配合比

按照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283)進(jìn)行C80自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)減水劑的摻量，使基準(zhǔn)組混凝土的坍落擴(kuò)展度達(dá)到650 mm，然后采用超細(xì)礦物摻合料等質(zhì)量取代水泥，分別占膠凝材料的3%、6%、9%、12%、15%，減水劑用量與基準(zhǔn)組相同?；炷僚浜媳纫姳?。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080)》進(jìn)行測(cè)試；力學(xué)性能按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081)》進(jìn)行測(cè)試；耐久性能按照《普通混凝土耐久性和長(zhǎng)期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082)》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土的拌合物性能

坍落擴(kuò)展度、倒置坍落度筒排空時(shí)間分別反映出混凝土的充填能力、拌合物黏度，能夠綜合反映混凝土的自密實(shí)性能。圖1為C80機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、倒置坍落度筒排空時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果。由圖1可知：超細(xì)礦物摻合料替代水泥后，混凝土的擴(kuò)展度得到一定的提升，倒置坍落度筒排空時(shí)間顯著降低。摻加超細(xì)礦物摻合料占膠凝材料的9%時(shí)，混凝土的坍落擴(kuò)展度提高幅度最大，由650 mm增加到715 mm；倒置坍落度筒排空時(shí)間降低效果最佳，由23 s降低至7.8 s，降低幅度高達(dá)66%。這主要是由于超細(xì)礦物摻合料粒徑較細(xì)，填充水泥、粉煤灰與礦渣粉等組成膠凝材料的間隙，膠凝材料顆粒堆積更加緊密，級(jí)配更加優(yōu)化，同時(shí)，超細(xì)礦物摻合料的“滾珠形態(tài)效應(yīng)”，增大了顆粒間的水膜厚度，改善了漿體的流變性能[6]。當(dāng)繼續(xù)提高超細(xì)礦物摻合料取代水泥的摻量，混凝土坍落擴(kuò)展度逐漸降低，倒置坍落度筒排空時(shí)間逐漸升高，這是由于超細(xì)礦物摻合料對(duì)漿體流變性能的影響體現(xiàn)在顆粒級(jí)配、滾珠效應(yīng)和顆粒比表面積等綜合作用，當(dāng)超細(xì)礦物摻合料摻量過高時(shí)，粉體顆粒比表面積增加帶來需水增加的不利作用大于摻降黏型復(fù)合礦物摻合料的滾珠效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土坍落擴(kuò)展度變小，倒置坍落度筒排空時(shí)間增加。

2.2 混凝土的力學(xué)性能

圖2為超細(xì)礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響研究。由圖2可以看出：隨著超細(xì)礦物摻合料替代水泥摻量的增加，C80機(jī)制砂自密實(shí)混凝土3 d強(qiáng)度逐漸降低，7 d和28 d強(qiáng)度基本持平，56 d強(qiáng)度均得到提升；當(dāng)超細(xì)礦物摻合料摻量占膠凝材料的9%時(shí)，56 d強(qiáng)度提高幅度最大，由基準(zhǔn)組的101.2 MPa提高至112.1 MPa。這主要是由于超細(xì)摻合料水化速度較水泥緩慢，水化進(jìn)程更長(zhǎng)，當(dāng)超細(xì)摻合料等質(zhì)量取代水泥時(shí)，表現(xiàn)為混凝土的3 d強(qiáng)度隨著摻量的增加而逐漸降低；但隨著齡期的延長(zhǎng)，超細(xì)摻合料的火山灰效應(yīng)、誘導(dǎo)激活效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用，混凝土的56 d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組；當(dāng)超細(xì)礦物摻合料摻量超過9%時(shí)，火山灰效應(yīng)、誘導(dǎo)激活效應(yīng)變得緩慢，因此超細(xì)礦物摻合料摻量12%、15%時(shí)的56 d強(qiáng)度低于摻量9%的混凝土強(qiáng)度。

2.3 混凝土的耐久性能

1)混凝土的碳化性能

圖3為不同取代率下?lián)匠?xì)礦物摻合料的混凝土碳化性能。從圖3中可以看出：由于碳化試驗(yàn)是在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行，此時(shí)C80混凝土的強(qiáng)度已較高，水化較為充分，水化產(chǎn)物致密，因此碳化試驗(yàn)進(jìn)行3 d、7 d時(shí)基本沒有碳化深度；隨著碳化試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，碳化深度有所加深；不同摻量的超細(xì)礦物摻合料混凝土碳化14 d的碳化深度為0.5 mm；隨著碳化試驗(yàn)齡期延長(zhǎng)至28 d時(shí)，各混凝土配合比的碳化性能有所區(qū)別，相對(duì)于基準(zhǔn)組，摻入3%、6%、9%、12%超細(xì)礦物摻合料混凝土的碳化深度分別降低10%、30%、10%、30%，這主要由于超細(xì)礦物摻合料的摻入有效的改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布，提高了混凝土的抗碳化性能；當(dāng)超細(xì)礦物摻合料摻量繼續(xù)提高至15%時(shí)，膠凝材料的水化速度較慢，水化進(jìn)程更長(zhǎng)，導(dǎo)致混凝土的抗碳化性能略有降低。

2)混凝土的抗?jié)B性能

圖4為不同摻量的超細(xì)礦物摻合料對(duì)C80混凝土的抗?jié)B性能影響，各配合比分別養(yǎng)護(hù)28 d和56 d后采用滲透高度法進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)。由圖4可以看出：混凝土齡期為28 d時(shí)，滲水高度隨著水泥取代率的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)超細(xì)礦物摻合料取代水泥6%時(shí)，混凝土的滲水高度為4.7 mm，較基準(zhǔn)組降低6%。這是由于6%超細(xì)礦物摻合料摻入改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，混凝土較為密實(shí)，滲水高度降低。當(dāng)超細(xì)礦物摻合料摻量增加至15%時(shí)，混凝土的滲水高度為6.7 mm，反而較基準(zhǔn)組升高。這是由于超細(xì)礦物摻合料摻量較高，膠凝材料水化速度變慢，水化進(jìn)程變長(zhǎng)，且超細(xì)礦物摻合料的火山灰反應(yīng)也延緩，28 d的水化產(chǎn)物仍然不充分，混凝土的抗?jié)B性能降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為56 d時(shí)，混凝土的滲水高度整體低于基準(zhǔn)組，這是由于超細(xì)礦物摻合料的晶核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)綜合發(fā)揮作用，改善混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的分布，改善孔結(jié)構(gòu)分布[7]，進(jìn)而降低混凝土的滲水高度，提高其抗?jié)B性能。

3)混凝土的抗氯離子滲透性能

不同摻量超細(xì)礦物摻合料對(duì)標(biāo)養(yǎng)28 d、56 d的混凝土的抗氯離子滲透性能影響結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：未摻加超細(xì)礦物摻合料的混凝土電通量最大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d為864C，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d為555C。隨著超細(xì)礦物摻合料的取代水泥的摻量增加，標(biāo)養(yǎng)28 d、56 d的混凝土的電通量值出現(xiàn)了不同程度的降低。當(dāng)?shù)V物摻合料的摻量為9%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、56 d的電通量為560 C、300 C，降低35%、46%，混凝土的抗氯離子滲透性能最優(yōu)。超細(xì)礦物摻合料改善混凝土抗氯離子滲透性能，一方面是因?yàn)閮?yōu)化了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，改善了孔徑的連通性，有效的阻止了氯離子的擴(kuò)散；另一方面，添加礦物摻合料使得水泥的水化反應(yīng)生成低堿性CSH凝膠,能夠增強(qiáng)混凝土對(duì)氯離子的化學(xué)結(jié)合能力與物理吸附能力[8,9]。

3 結(jié) 論

a.超細(xì)礦物摻合料替代水泥，有利于提高混凝土的流動(dòng)性能，降低混凝土拌合物的黏度，顯著提高C80機(jī)制砂混凝土的自密實(shí)性能。

b.超細(xì)礦物摻合料替代水泥，略微降低C80機(jī)制砂混凝土的3 d強(qiáng)度，7 d和28 d強(qiáng)度基本持平，能夠提高56 d強(qiáng)度。

c.超細(xì)礦物摻合料替代水泥，摻量不超過膠凝材料12%時(shí)，有助于提高C80機(jī)制砂混凝土的耐久性能。