劉文龍

（1.中鐵十局集團(tuán)第二工程有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南安羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)混凝土因良好的耐久性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在公路工程[1]、建筑工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2]，更能滿足我國現(xiàn)代建設(shè)需求。其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的安全性，為提高混凝土的施工質(zhì)量，高強(qiáng)混凝土的配合比優(yōu)化研究具有重要意義。

高強(qiáng)混凝土原材料主要有骨料、水泥、礦物摻合料、水以及外加劑[3]，其配合比是影響高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的重要因素。高強(qiáng)混凝土內(nèi)水泥型號(hào)一般選取高標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥，且應(yīng)保證水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性[4]。摻合料主要包括粉煤灰、礦粉、硅粉等。粉煤灰為火力電廠燒煤后的產(chǎn)物，在混凝土中主要有分散作用，礦粉是冶鐵的副產(chǎn)品，在混凝土中主要是降低混合物的抗離析能力及腐蝕性[4]，在高強(qiáng)混凝土中添加礦物摻合料，不僅可以節(jié)約水泥用量，保護(hù)環(huán)境，還可以改善混凝土的微結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土強(qiáng)度，因此礦物摻合料是高強(qiáng)混凝土配合比研究中對(duì)于其力學(xué)性能影響較大的成分[5]。

本文主要針對(duì)水泥品種的選取、礦粉以及粉煤灰作為摻合料時(shí)對(duì)C50高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配合比研究目的，為實(shí)際工程混凝土原材料的選取提供一定的理論指導(dǎo)建議。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

本文的水泥品種主要有強(qiáng)度等級(jí)為42.5和52.5的普通硅酸鹽水泥，記為P·O42.5與P·O52.5，其中P·O42.5水泥物理性能見表1[6]，P·O52.5水泥物理性能見表2。礦物摻合料的選取為粉煤灰與礦粉兩種，礦粉的基本物理性能見表3，粉煤灰的化學(xué)成分見表4。

表1 P·O42.5水泥物理性能指標(biāo)

表2 P·O52.5水泥物理性能指標(biāo)

表3 礦粉基本物理性能

表4 粉煤灰化學(xué)成分

混凝土試模的使用符合標(biāo)準(zhǔn)[7]。混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)按照立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件。本研究的試驗(yàn)工況如表5所示，每一個(gè)試驗(yàn)工況制作兩組試件，每組三塊試件，其中一組試件用以研究7d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度值，另一組用以研究28d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度值。28d齡期以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值[8]。

表5 試驗(yàn)工況

試件成型抹面后立即放入養(yǎng)護(hù)室，保持試件表面濕度。在養(yǎng)護(hù)溫度為20±5℃、相對(duì)濕度大于50%的室內(nèi)靜置1～2d，試件靜置期間應(yīng)避免受到振動(dòng)和沖擊，靜置后編號(hào)標(biāo)記、拆模。試件拆模后應(yīng)立即放入溫度為20±2℃，相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)的試件置于支架上，彼此間隔10～20mm，試件表面保持潮濕，養(yǎng)護(hù)過程滿足相關(guān)規(guī)定[9]。

研究采用恒壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度值計(jì)算，恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)符合國家標(biāo)準(zhǔn)[10-11]的相關(guān)規(guī)定。試驗(yàn)分別對(duì)7d和28d齡期的試件進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)過程連續(xù)均勻加荷，并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，加載整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程符合相關(guān)規(guī)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算

混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算如式（1）所示:

式中：

fcc——混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa；

F——試件破壞荷載，N；

A——試件承壓面積，mm2。

取每組3個(gè)試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究所得所有工況的混凝土試件28d抗壓強(qiáng)度均大于60MPa，滿足實(shí)際工程需求[12]。

2.2 水泥品種

水泥品種和膠凝物質(zhì)的數(shù)量是影響水泥混凝土強(qiáng)度和工作性的主要因素，骨料能否發(fā)揮作用，與水泥材料本身強(qiáng)度和粘結(jié)力有很大關(guān)系，且強(qiáng)度主要取決于水泥石與骨料的粘結(jié)力，因此水泥品種的確定非常重要。在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，水泥強(qiáng)度等級(jí)的選用要求應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)[13]。

本研究設(shè)計(jì)兩組P·O42.5和P·O52.5水泥品種，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C50，采取表5中的試驗(yàn)工況一和二的試件進(jìn)行7d和28d混凝土抗壓強(qiáng)度值的比較，兩組數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，盡管使用P·O42.5水泥7d齡期的混凝土試件抗壓強(qiáng)度低于P·O52.5水泥的混凝土試件，但P·O42.5水泥28d齡期的混凝土試件抗壓強(qiáng)度高于P·O52.5水泥的混凝土試件2.5%，且7d到28d的P·O42.5水泥混凝土試件抗壓強(qiáng)度增長了33.1%，而P·O52.5水泥混凝土試件抗壓強(qiáng)度僅增長了18.5%，P·O42.5水泥7d到28d齡期C50高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度增長率比P·O52.5水泥大78.9%，后期P·O42.5水泥混凝土的強(qiáng)度增長趨勢更為明顯[14]。此外，對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言，隨著水膠比增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢[15,16]，根據(jù)表5各工況混凝土水膠比可知，使用P·O42.5水泥混凝土的水膠比小于P·O52.5水泥混凝土的水膠比。

圖1 不同水泥品種混凝土抗壓強(qiáng)度

綜上，實(shí)際工程C50高強(qiáng)混凝土選擇水泥品種最優(yōu)為P·O42.5水泥。

2.3 摻合料

由上可知，對(duì)于C50混凝土的最優(yōu)水泥選擇為P·O42.5，因此本節(jié)內(nèi)容主要針對(duì)水泥品種為P·O42.5的混凝土試件進(jìn)行研究，主要研究工況二、工況三、工況四以及工況五的不同摻合料對(duì)C50高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從而提出最優(yōu)摻合料的選擇方案。

2.3.1 單摻礦粉或粉煤灰

C50混凝土中不添加摻合料、單摻礦粉以及單摻粉煤灰時(shí)，分別進(jìn)行7d與28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 7d和28d齡期時(shí)不同摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，礦粉作為摻合料的混凝土7d抗壓強(qiáng)度高于無摻合料以及粉煤灰作為摻合料時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度。然而，礦粉作為摻合料時(shí)混凝土7d到28d齡期的抗壓強(qiáng)度增長率只有6.8%，遠(yuǎn)小于無摻合料以及粉煤灰作為摻合料時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度的增長率，且礦粉作為摻合料時(shí)混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度是最低的，且低于無摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度2.5%。由此可知，礦粉作為C50高強(qiáng)混凝土的摻合料時(shí)，不僅不會(huì)增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度，反而對(duì)混凝土的力學(xué)性能有不利影響，粉煤灰摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度最大，且7d到28d齡期的混凝土強(qiáng)度增長率最大，有良好的力學(xué)性能。

綜上，C50高強(qiáng)混凝土摻合料的最優(yōu)選取原料應(yīng)為粉煤灰，且選擇礦粉時(shí)，應(yīng)盡可能考慮實(shí)際工程要求。

2.3.2 粉煤灰與礦粉混合摻合料

以上研究表明，盡管礦粉相較于粉煤灰是一種較為不利的混凝土摻合料，但本文研究希望為實(shí)際工程提供更多的混凝土摻合料選擇性。因此，進(jìn)一步對(duì)粉煤灰與礦粉作為混合摻合料時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究。

摻合料用量為礦粉50kg、粉煤灰50kg以及粉煤灰50kg與礦粉30kg混合摻合料的三組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。盡管粉煤灰與礦粉混合摻合料的混凝土強(qiáng)度增長率達(dá)到了30.4%，但混合摻合料的7d與28d混凝土抗壓強(qiáng)度值均小于其他三組混凝土試件。

圖3 7d和28d齡期時(shí)不同摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度

綜上，粉煤灰與礦粉混合摻合料的選擇對(duì)C50高強(qiáng)混凝土配合比是最不利的，摻合料的最優(yōu)選取為粉煤灰。

本文對(duì)混合摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度的研究僅考慮混凝土內(nèi)粉煤灰50kg與礦粉30kg這一種情況，對(duì)于不同含量粉煤灰與礦粉混合摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度影響仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語

為了優(yōu)化C50高強(qiáng)混凝土的配合比，本文對(duì)配置原料在摻配混凝土中的表現(xiàn)進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1）P·O42.5水泥7d到28d齡期C50高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度增長率比P·O52.5水泥大78.9%，P·O42.5水泥28d齡期C50高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度比P·O52.5水泥要大2.5%，因此最優(yōu)水泥品種為P·O42.5。

（2）礦粉單摻混凝土抗壓強(qiáng)度低于無摻合料混凝土2.5%，礦粉對(duì)C50混凝土的配合比較為不利。

（3）粉煤灰單摻混凝土抗壓強(qiáng)度分別比礦粉單摻以及無摻合料混凝土提高了11.3%和8.5%，最優(yōu)混凝土摻合料為粉煤灰。

（4）粉煤灰與礦粉作為混合摻合料時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度值最低，分別低于無摻合料、單摻礦粉以及單摻粉煤灰6.7%、4.3%和14.0%，因此，粉煤灰與礦粉作為C50高強(qiáng)混凝土摻合料最為不利。