王鳳仙，朱文濤，熊 芳（.寧夏建筑科學(xué)研究院有限公司， 寧夏 銀川 7500；.寧夏華盛砼業(yè)有限公司，寧夏 銀川 750000）

寧夏地區(qū)高性能混凝土研究

Strength Control Method of C60 Concrete in Small Mixing Station

王鳳仙1，朱文濤2，熊 芳1（1.寧夏建筑科學(xué)研究院有限公司， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏華盛砼業(yè)有限公司，寧夏 銀川 750000）

C30～C60高性能混凝土是摻加復(fù)合礦物摻合料（以礦渣、采礦碎屑、粉煤灰、低品質(zhì)硅灰等工業(yè)廢棄物為原料，采用機(jī)械活化技術(shù)生產(chǎn)而成的混凝土礦物摻合料）、精品機(jī)制砂為特色,采用聚羧酸高性能外加劑配制的高性能混凝土。其混凝土拌合物的性能優(yōu)良，具有良好的施工性能。留置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件抗壓強(qiáng)度值富余值高。各項(xiàng)耐久性能除抗硫酸鹽侵蝕性能外，其他耐久性能均滿足要求。

復(fù)合摻合料；高性能混凝土；機(jī)制砂

本課題研制的 C30～C60 高性能混凝土是摻加復(fù)合礦物摻合料(以礦渣、采礦碎屑、粉煤灰、低品質(zhì)硅灰等工業(yè)廢棄物為原料，采用機(jī)械活化技術(shù)生產(chǎn)而成的混凝土礦物摻合料)、精品機(jī)制砂為特色，采用聚羧酸高性能外加劑的高性能混凝土，所有原材料均在銀川市方圓 100 km 內(nèi)取得。通過大量試配研究出寧夏本地的高性能混凝土。在耐久性、施工性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等方面都有很好的保證。這不但對(duì)企業(yè)的發(fā)展有助推作用，而且對(duì)整個(gè)寧夏的混凝土產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、資源合理利用以及生態(tài)保護(hù)均具有重要意義。

1 主要研究內(nèi)容

高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)須結(jié)合工程具體情況，環(huán)境分類、結(jié)構(gòu)構(gòu)件部位及相應(yīng)的耐久性能要求作為控制目標(biāo)。

通過前期大量的試配工作，采用聚羧酸高性能減水劑，得到最大水膠比為 0.43，同時(shí)找到高性能混凝土最佳漿體用量和最佳用水量，在普通混凝土的基礎(chǔ)上，用水量減少15～25 kg/m3；砂率的取值原則與普通混凝土相同；膠凝材料選用普通硅酸鹽水泥與復(fù)合摻合料，其中復(fù)合礦物摻合料最佳摻量比例為總膠凝材料的 30% 左右。

(1) 高性能混凝土首要控制目標(biāo)以耐久性為主。混凝土耐久性能是指混凝土長期抵抗外部環(huán)境作用導(dǎo)致其劣化的能力，主要包括抗凍性能、抗?jié)B性能、抗硫酸鹽腐蝕性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能等。本試驗(yàn)研究的耐久性能主要有碳化試驗(yàn)、抗?jié)B水試驗(yàn)、電通量試驗(yàn)、鋼筋銹蝕試驗(yàn)、抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，同時(shí)本試驗(yàn)兼顧了混凝土的長期性能：混凝土收縮試驗(yàn)。

(2) 設(shè)計(jì)常用 C30、C35、C40、C45、C50、C55以及高強(qiáng)度 C60 高性能混凝土，檢測(cè)其混凝土拌合物的性能(坍落度、擴(kuò)展度、和易性)，分析其施工性能的優(yōu)勢(shì)。留置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的立方體抗壓試件，研究高性能混凝土力學(xué)性能的特點(diǎn)。

2 原材料試驗(yàn)和混凝土試驗(yàn)方法

2.1 原材料試驗(yàn)

2.1.1 水泥

研究過程中采用寧夏盛遠(yuǎn)新型建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5 水泥進(jìn)行試驗(yàn)。水泥試驗(yàn)結(jié)果見表 1。

表 1 P·O42.5水泥的基本物理性能

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰由寧夏三力工貿(mào)有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見表 2，檢測(cè)結(jié)果均能滿足 I 級(jí)灰的要求。

表 2 粉煤灰的基本物理性能 %

2.1.3 復(fù)合礦物摻合料

寧夏盛遠(yuǎn)新型建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的復(fù)合礦物摻合料以少量熟料、?；郀t礦渣、石灰石粉(采礦碎屑)、粉煤灰、低品質(zhì)硅灰等工業(yè)廢棄物為原料，采用機(jī)械活化技術(shù)生產(chǎn)而成的混凝土礦物摻合料。其各項(xiàng)指標(biāo)見表 3，均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表 3 復(fù)合礦物摻合料的基本物理性能

2.1.4 硅灰

選用寧夏金富寶公司生產(chǎn)的硅灰，指標(biāo)見表 4。

表 4 硅灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

2.1.5 粗細(xì)集料

采用寧夏盛弘砂石料有限公司碎石，選用 5～10 mm、10～19 mm、19～25 mm 的 3 種單級(jí)配，含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎指標(biāo)符合 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》 和 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 的要求。 通過多次篩分，從45% 的較小孔隙率中選取表觀密度和堆積密度相對(duì)較大的4∶4.5∶1.5 比例，作為混凝土試配用粗集料。

選用寧夏盛弘砂石料有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂和寧夏關(guān)馬湖的天然細(xì)砂混合后的人工砂，依據(jù)機(jī)制砂和天然砂的基本性能，將兩種砂搭配出 4 種不同比例的混合砂，并進(jìn)行篩分析。結(jié)果選取 9∶1 混合砂作為混凝土試配的細(xì)集料。細(xì)度模數(shù)、亞甲藍(lán)值、含泥量、泥塊含量均滿足 GB/T 14684—2011《建筑用砂》和 JGJ 52—2006 的要求。

2.1.6 高性能減水劑

采用寧夏盛遠(yuǎn)新型建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。此類外加劑具有低氯離子含量、低堿含量、高減水、高保坍、收縮率小等優(yōu)點(diǎn)。聚羧酸減水劑甲醛含量非常低，是目前最環(huán)保的混凝土外加劑，性能如表 5 所示。

表 5 試驗(yàn)所用減水劑參數(shù)

2.2 混凝土試驗(yàn)方法

立方體抗壓強(qiáng)度按照 GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)按照 GB/T 50080—2002 《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的坍落度筒法測(cè)定?？?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕、鋼筋銹蝕、抗氯離子滲透、碳化及收縮試驗(yàn)按照GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

3 復(fù)合摻合料配制高性能混凝土

3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)是在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定的，原則上選用較低水膠比。同水膠比中，以不同比例摻合料，獲得最優(yōu)配合比。配合比數(shù)據(jù)見表 6。

表 6 C30～C60混凝土配合比

按此配合比進(jìn)行拌合，觀察拌合物的和易性和工作性；測(cè)定拌合物的坍落度、擴(kuò)展度及 1 h 后的坍落度、擴(kuò)展度，并成型立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試塊各 10 組，C30 和 C50 同時(shí)成型耐久性試驗(yàn)相關(guān)試件(抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化、電通量、鋼筋銹蝕)和收縮試驗(yàn)試件，抗壓強(qiáng)度試塊每齡期成型兩組平行標(biāo)準(zhǔn)試件。拌合物工作性試驗(yàn)結(jié)果見表 7。由表 7 可以看出混凝土拌合物粘聚性和保水性都比較好，坍落度 1 h 經(jīng)時(shí)變化量在 20 mm 以內(nèi)，符合高性能混凝土對(duì)混凝土拌合物坍落度 1 h 損失量的要求。擴(kuò)展度 1 h 經(jīng)時(shí)變化量均在 120 mm 以內(nèi)，利于現(xiàn)場(chǎng)施工。國內(nèi)工程混凝土施工經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)混凝土拌和物的坍落度＞180 mm，擴(kuò)展度＞460 mm 時(shí)具有良好的可泵性[1]。

表 7 C30～C60高性能混凝土拌合物性能結(jié)果

3.2 力學(xué)性能及耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 高性能混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

由表 8 可以看出高性能混凝土立方抗壓強(qiáng)度在 7 d 時(shí)就已經(jīng)接近達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，隨著齡期的增長，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度也在穩(wěn)步的增長。各強(qiáng)度等級(jí)混凝土 28 d強(qiáng)度的富余量均能滿足設(shè)計(jì)要求，60 d、90 d 的強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)齡期 28 d 的基礎(chǔ)上仍在增長。這是由于混凝土中摻入適量的復(fù)合摻和料，明顯地提高了混凝土的后期強(qiáng)度作用。以C30 和 C50 為例，從圖 1 中可以看出 C30、C50 混凝土的強(qiáng)度均能在規(guī)定的齡期內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)值的要求。

表 8 C30～C60高性能混凝土立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果

圖 1 高性能混凝土各齡期強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)百分比

3.2.2 抗?jié)B性研究

抗?jié)B試件具體滲水高度結(jié)果見表 9，C30 的滲水高度為 3.8 mm，C50 為 2.7 mm，滲水高度均很小，均未超過 10 mm。兩種配比的混凝土均能達(dá)到 P12 以上的抗?jié)B等級(jí)。這是因?yàn)榇罅康牡V物摻和料改變了漿體細(xì)顆粒組分，并起填充作用，使硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，很好地提高了混凝土的抗?jié)B性。

表 9 抗?jié)B試件破型后滲水高度值

3.2.3 抗硫酸鹽侵蝕性研究

C30、C50 混凝土成型 5 組抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)試件，在 5% 硫酸鈉溶液中進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，C30、C50 硫酸鹽侵蝕循環(huán)進(jìn)行到 90 次時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)酥裂現(xiàn)象，即試驗(yàn)終止，最終得出其抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為 68%、73%。試驗(yàn)現(xiàn)象表明復(fù)合摻合料配制的高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕性差。分析原因?yàn)閺?fù)合摻合料中有一定比例的石灰石粉(約20%)，外加配制高性能混凝土的粗細(xì)集料主要成分為石灰石，故混凝土中石灰石組分比例高。宋少民等[2]有研究表明，在膠凝材料用量相同時(shí)，當(dāng)摻入適量石灰石粉，混凝土的抗硫酸鹽性能受影響不明顯，但石灰石粉摻量過大時(shí)會(huì)降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。嚴(yán)軍偉等[3]研究也表明隨著石灰石粉替代量的增加混凝土對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕非常不利。C2S2H 在完成水化的水泥凈漿中占 50%～60% 的固體體積，它是水泥石強(qiáng)度的主要來源，硫酸鹽侵蝕能導(dǎo)致 C2S2H 的分解，C2S2H 的脫鈣分解主要是由于混凝土中Ca(OH)2含量減少，pH 值降低，使 C2S2H 凝膠分解，放出 Ca(OH)2以維持混凝土內(nèi)部的堿度，因而使混凝土喪失了黏結(jié)性、強(qiáng)度降低、表面軟化[4]。復(fù)合摻合料應(yīng)用于高性能混凝土中，其抗硫酸鹽侵蝕性能下降嚴(yán)重，通過研究機(jī)理分析石灰石比例高為主要原因，但此處未試驗(yàn)石灰石占混凝土比例為多少時(shí)，可保證高性能混凝土的抗硫性能。此項(xiàng)試驗(yàn)有待進(jìn)一步探討。

3.2.4 鋼筋銹蝕研究

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后試件取出放入碳化試驗(yàn)箱中 28 d，從碳化箱中取出后再標(biāo)養(yǎng) 56 d，進(jìn)行破型，對(duì)鋼筋再進(jìn)行酸洗、堿洗、烘干、稱重，計(jì)算鋼筋銹蝕失重率，結(jié)果見表 10。

表 10 鋼筋銹蝕失重率

表 11 J1、J2 各時(shí)段電流及電通量試驗(yàn)

從表 10 中可以看出 C30 和 C50 配比混凝土中的鋼筋失重率均在 0.5% 以內(nèi)，鋼筋失重率很低。且在試驗(yàn)中從C30、C50 混凝土中取出的鋼筋基本無銹蝕，說明高性能混凝土密實(shí)性好，在試驗(yàn)周期內(nèi)鋼筋鈍化膜沒有發(fā)生破壞，鋼筋保持完好狀態(tài)。

3.2.5 抗氯離子滲透研究(電通量法)

試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù) 28 d，真空飽和后，進(jìn)行電通量試驗(yàn)。各時(shí)段采集電流、通道電通量及組電通量見表11。由表 11 可以看出摻聚羧酸系高性能減水劑的混凝土的電通量值在 500 C 以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn) JG/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》 中 Q-Ⅴ 性能等級(jí)要求，具有很好的抗氯離子滲透性。

3.2.6 碳化性能研究

從表 12 可以看出 C30、C50 混凝土隨著齡期的增加，碳化深度在加大，28 d 時(shí)的碳化深度＜ 10 mm，符合JG/T 193—2009 中 T-Ⅳ 性能等級(jí)，達(dá)到高性能混凝土對(duì)碳化性的要求；而 C50 的混凝土 28 d 時(shí)碳化深度僅為 1.0 mm，其抗碳化性更優(yōu)。

表 12 高性能混凝土的碳化深度 mm

3.2.7 收縮性研究

混凝土收縮按 GB/T 50082—2009 中的接觸法進(jìn)行試驗(yàn)，在恒溫恒濕室內(nèi)，溫度為(20±2)℃、濕度為(60±5)%的條件下養(yǎng)護(hù)。收縮率試驗(yàn)結(jié)果見圖 2。

圖 2 高性能混凝土隨齡期收縮的變化

由圖 2 中可以看出 C30、C50 混凝土在齡期 180 d 時(shí)的收縮率均在 900×10-6范圍內(nèi)，收縮值都不大，而 C50混凝土的收縮率在各齡期內(nèi)都要比 C30 的高，這是因?yàn)楦咝阅芑炷林兴嘤昧康?，整體收縮比例都不大，由于C50 水泥用量比 C30 水泥用量多，所以收縮值相對(duì)略高[5]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土自收縮的定義、產(chǎn)生機(jī)理等并沒有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，對(duì)混凝土自收縮的測(cè)定也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是從形成機(jī)理出發(fā)，可以認(rèn)為自收縮是指在恒溫、絕濕的條件下，混凝土初凝后因膠凝材料繼續(xù)水化引起自干燥而造成混凝士宏觀體積的減小，且主要以水泥水化的收縮為主。

4 結(jié) 語

(1) 摻加復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土的和易性、施工性有明顯的改善，同時(shí)有提高混凝土的后期強(qiáng)度作用。

(2) 復(fù)合摻合料配制的 C30、C50 高性能混凝土抗?jié)B等級(jí)均大于 P12，具有良好的抗?jié)B性能和良好的抗鋼筋銹蝕性能，可用于地下水工鋼筋混凝土；電通量值在 500 C以內(nèi)，抗氯離子滲透性能高；碳化深度＜ 10 mm，C50 碳化深度僅為 1.0 mm，具有優(yōu)異的抗碳化性能；收縮率均在900×10-6范圍內(nèi)，均能滿足現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

(3) 由于復(fù)合摻合料中摻有大比例的石灰石粉，故抗硫酸鹽侵蝕性能不能滿足要求。抗硫酸鹽侵蝕性能需做進(jìn)一步研究。

(4) 復(fù)合礦物摻合料化學(xué)成分具備更多活性，克服單一品種的性能缺陷，在水泥水化過程的堿性環(huán)境下，利用它們的超疊加效應(yīng)，提高了混凝土的綜合性能。復(fù)合礦物摻合料磨細(xì)后需水量正常，大大改善了混凝土的和易性，減少水泥用量，降低混凝土中水化熱，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[6]。復(fù)合摻合料使用的均為工業(yè)副產(chǎn)品和廢料，通過一定的工藝磨細(xì)、按照適當(dāng)?shù)谋壤龔?fù)合，屬綠色建材。

寧夏地區(qū)屬偏遠(yuǎn)地區(qū)，工程中對(duì)于高性能混凝土的需求量不高，應(yīng)加大宣傳，使本地施工企業(yè)認(rèn)識(shí)到使用高性能混凝土的益處，將住建部推廣的新技術(shù)積極推廣，大量使用經(jīng)過二次加工的復(fù)合礦物摻合料等綠色建材，使商混企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、施工技術(shù)水平得到提高。

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TU50

A

1674-814X(2017)03-0070-05

2017-01-25

王鳳仙，現(xiàn)供職于寧夏建筑科學(xué)研究院有限公司，主要研究方向?yàn)榫G色建筑材料工作。

作者通信地址：寧夏回族自治區(qū)銀川市懷遠(yuǎn)東路201號(hào)，郵編：750021。