利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強高性能混凝土

1、利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強高性能混凝土日期：2012-05-28來源：中國混凝土與水泥制品網(wǎng)  作者：字體：大 中 小1、引言隨著社會經(jīng)濟和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，帶來物質(zhì)文明高度發(fā)達，混凝土已逐漸成為人類社會、經(jīng)濟、文化、生活的基礎。混凝土是以水泥為主要膠凝材料的建筑材料，水泥生產(chǎn)歷來是一種污染源，在其制造過程中，原生資源耗量大，廢氣、粉塵排放量大，水泥的生產(chǎn)對環(huán)境的惡化已造成不可低估的影響。如何解決建設發(fā)展對混凝土的需求和環(huán)境保護需限制水泥生產(chǎn)的這對矛盾，需要我們進行深入地思考。發(fā)展應用綠色混凝土將是解決這矛盾一個途徑，而高強高性能混凝土又是綠色混凝土發(fā)展的主

2、要方向。這是由于高強高性能混凝土能有效地減輕結(jié)構(gòu)自重，這樣就可大幅度減少水泥和混凝土用量，增加建筑使用面積和縮短施工工期，帶來了明顯的經(jīng)濟效益。高強高性能混凝土能大幅度地提高混凝土的耐久性，降低建筑物的維修費用和增長使用壽命。同時應用高強高性能混凝土還能使工程的材料用量及建筑成本將大量減少，生產(chǎn)、運輸和施工能耗也將大量降低，減小對環(huán)境的破壞。研究高強高性能混凝土技術途徑就是要嚴格篩選控制原材料，盡量降低混凝土內(nèi)部的缺陷（如大孔、弱界面、弱體相等結(jié)構(gòu)缺陷）?；炷潦欠莿蛸|(zhì)材料，硬化的混凝土由集料、水泥漿體和界面過渡區(qū)三個重要環(huán)節(jié)組成。這三個節(jié)環(huán)環(huán)相扣，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則必然影響混凝土的總體

3、性能。2、原材料2.1水泥水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，選擇優(yōu)質(zhì)的水泥對高強混凝土的配制非常重要。經(jīng)過初期的篩選試驗，優(yōu)選的冀東P.O52.5R水泥來配制C90高強高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強度達到63.4MPa。2.2集料對集料總的要求是巖石強度盡量高、粒形和級配盡可能好，集料與水泥漿體最好能產(chǎn)生化學或物理嚙合。本試驗采用陜西涇陽石灰石碎石，粒徑分別為05mm、520mm，該產(chǎn)地巖石抗壓強度在120140MPa之間。細集料選用西安灞河的中砂，細度模數(shù)2.6，為 區(qū)砂。2.3減水劑主要解決配制高強混凝土要求低水膠比、低用水量與工作性之間的矛盾。本試驗中選擇了SNF型萘系

4、高效減水劑與XC型聚羧酸系高效減水劑，減水率均在25%以上，外加劑與水泥具有良好的適應性，水泥漿體均無出現(xiàn)離析、泌水或閃凝現(xiàn)象。2.4膨脹劑加入混凝土中可改善混凝土內(nèi)部的應力狀態(tài)，提高混凝土的抗裂能力；另一方面水化生成的鈣礬石晶體能填充、堵塞混凝土的毛細孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。本試驗選用HCSA型膨脹劑。2.5礦物摻合料利用礦物摻合料的形態(tài)、微集料、火山灰活性三項效應，使混凝土強度、密實度和工作性得到改進，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，對抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠級粉煤灰，S95型礦渣粉，?？瞎杌摇８邚姼咝阅芑炷潦且环N多組分復合材料

5、，各組分性能的疊加甚至超疊加效應表現(xiàn)得十分明顯。因此，選用兩種或兩種以上礦物摻合料和外加劑同時摻入混凝土，可以進一步改進混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。3、實驗內(nèi)容3.1配合比設計在完成原材料篩選和性能檢驗基礎上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進行了大量混凝土配制試驗。配制混凝土時用水量根據(jù)混凝土拌合性能來確定，要達到泵送要求。表3.1選取部分代表性數(shù)據(jù)進行說明。表3.1 C90高強高性能混凝土配合比編號水膠比水水泥砂石粉煤灰礦渣粉硅灰膨脹劑聚羧酸/萘系*K-30.24136.7385646114911055/23.17.15K-40.25143.

6、3385646114911055/23.117.2*K-120.22140450754999150/278.15K-140.23145.34507549996090/278.15K-150.23146.7450754999/150/278.15K-210.2214045070110529060/276.27K-23-10.21140480700/10509060308.58K-23-20.19127.5480700/105090603025.74K-250.211424807001050906012.9308.58K-280.211524807001050906054.8308.58注：“/”

7、表示該摻量為零；表中將膨脹劑歸入膠凝材料組分計算；“*”代表摻的是萘系高效減水劑，同一列內(nèi)其余的都是摻聚羧酸高效減水劑。3.2混凝土耐久性混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是基于材料耐久性的進一步深化?；炷两Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，出現(xiàn)損傷甚至損壞，繼而影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能和承載力下降，最終影響整個結(jié)構(gòu)的安全。課題組在混凝土配制強度達到C90基礎上，進行了大量耐久性試驗研究（抗凍性、抗碳化性、抗?jié)B性、抗裂性等），以確定所研制混凝土的耐久性能情況。4、試驗結(jié)果與分析4.1混凝土拌合性能和強度表4.1 C90高強高性能混凝土拌合性能和強度編號擴展度/mm坍落度/

8、mmR3/MPaR7/MPaR28/MPaR56、R60*/MPaK-324064055.476.280.4/K-426557052.368.176.6/K-1226066061.677.487.1/K-1426061066.081.789.3/K-1525062071.679.586.5/K-2124560070.977.089.591.7K-23-126065071.981.292.699.5K-23-226567068.281.186.995.0K-2525563071.588.1100.8109.3*K-2820051068.282.690.897.2*注：“*”代表60天齡期抗壓強度

9、。由圖4.1可知，應用通用的工藝配制C90強度等級混凝土，膠凝材料用量要達到一定量，特別是水泥的用量要適宜（水泥用量480kg/m3；普通混凝土配合比設計規(guī)程JGJ55-2002規(guī)定的高強混凝土的水泥用量不應大于550 kg/m3）。由于粉煤灰與礦渣粉效應互相疊加，從圖4.2可以看出，復摻摻合料的混凝土后期強度要明顯高于單摻，礦渣粉對混凝土早期強度發(fā)展作用優(yōu)于粉煤灰。通過試驗得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m3、90kg/m3。編號K-4為萘系高效減水劑的最佳摻量，從圖4.3可看出，聚羧酸高效減水劑性能明顯萘系。聚羧酸高效減水劑摻量對混凝土性能作用顯著，摻量少達不到減水效果，無法降低水膠

10、比；摻量過大混凝土出現(xiàn)趴底、泌水，對強度發(fā)展也不利；最終確定最佳摻量為1.3%（占膠凝材料）。硅灰的超微粉作用顯著，摻適量的硅灰能較大提高混凝土的抗壓強度。但由于硅灰的需水量大，當硅灰摻量大于6%時，混凝土的拌合性能明顯變差，強度相對于未摻硅灰的混凝土略有下降。4.2混凝土耐久性4.2.1抗凍性在標準養(yǎng)護28天后進行1000次的凍融循環(huán)，該混凝土經(jīng)1000次的凍融循環(huán)試驗，受檢混凝土的重量損失率為3.4%、相對動彈性模量為91%，滿足普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法（GBJ 82-85）規(guī)定，表明該混凝土抗凍性能優(yōu)異。4.2.2抗碳化性能試件在28齡期后進行碳化試驗，碳化28天后將試件破型

11、，在破型的新鮮面噴酚酞酒精溶液，破型面無明顯碳化，僅表層有少量變白。4.2.3抗?jié)B性能養(yǎng)28天后進行抗?jié)B試驗，試驗從水壓為0.1MPa開始，加壓到抗?jié)B儀的最大加壓值4.0MPa，觀察試件端面的均無出現(xiàn)滲水情況。4.2.4電通量電通量試驗測試結(jié)果為924.75庫侖，說明該混凝土氯離子滲透性很低，即該混凝土具有良好的抗?jié)B性能。4.2.5抗裂性能混凝土抗裂形試驗采用鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準中的附錄C圓環(huán)約束法和日本Y.Kasai提出的平板法試驗法同時進行試驗。圓環(huán)約束法，圓環(huán)形試樣在成型兩天后有一條細微的裂縫出現(xiàn)，經(jīng)過15天的連續(xù)觀測，未有新的裂縫出現(xiàn)，從圖4.5、圖4.6可以看出型15天

12、后圓環(huán)形試樣裂縫寬度非常小，經(jīng)測量最寬處裂縫的寬度為0.10mm，裂縫深度為6.1mm。平板法試驗方法，試件尺寸為600mm×600mm×50mm，與模具一起澆筑成一個整體，模具上的約束鋼筋位于平板試件的中面周邊，當平板收縮時四周受到約束。按預定配合比拌合混凝土，澆注、振實、抹平試件后立即用塑料薄膜覆蓋， 2h后將塑料薄膜取下，放入風速8m/s，溫度為30±3，濕度為60±5%風道中進行抗裂試驗。24小時后結(jié)束試驗，試驗紀錄：出現(xiàn)第一條裂縫時間、裂縫數(shù)目、裂縫面積。與C60混凝土比較說明。表4.2混凝土平板抗裂法試驗數(shù)據(jù)試驗環(huán)境環(huán)境溫度為 26 ，相對濕

13、度為 60 % ；風速 8 m/s。C60混凝土實測值初裂時間，h5.0平均裂開面積，mm2/根68.3開裂裂縫數(shù)目，根/ m28.3單位面積上的總裂開面積，mm2/m2566.9C90混凝土實測值初裂時間，h2.5平均裂開面積，mm2/根18.3開裂裂縫數(shù)目，根/ m233.3單位面積上的總裂開面積，mm2/m2609.4從表4.2看出，C90混凝土試樣的抗裂性能相對于C60混凝土試樣要差些。這是由于C90混凝土試樣的水泥用量大，漿積比大，導致混凝土收縮也大，抗裂性能也就會下降。因此，對抗裂性能有要求，則需考慮添加適量纖維，通過纖維的增韌作用起到提高混凝土的抗裂性能。5、微觀結(jié)構(gòu)分析為了進一

14、步分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與其性能間的關系，進行了混凝土的掃描電鏡、孔結(jié)構(gòu)分析試驗。為了更好說明問題將C90混凝土與同條件下的C60混凝土進行對比說明。5.1掃描電鏡在進行掃描電鏡試驗時，發(fā)現(xiàn)C90混凝土內(nèi)部非常密實，很少有氣泡或孔隙等一些缺陷，將其與同養(yǎng)護條件下的C60混凝土進行對比。如圖5.1和5.2所示。從圖中可以看出C90混凝土的密實程度要好于C60混凝土，C90混凝土內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)如氣泡、孔隙等缺陷，而C60混凝土有較多如圖5.2中的圓形氣泡，氣泡內(nèi)部長滿的是針狀鈣礬石。圖5.3 和5.4是水泥石中粉煤灰與礦渣粉水化后形態(tài)，齡期為56天，圖中細白線圈的是礦渣粉。從圖5.3可看出，粉煤灰經(jīng)過5

15、6天的水化與膠凝體已很緊密的膠結(jié)在一起，在制樣時粉煤灰顆粒球體被分部剝離開。從礦渣粉表面看，礦渣粉的水化程度要好于粉煤灰，這也就是在同一條件下?lián)降V渣粉的混凝土早期強度要高于摻粉煤灰的混凝土的原因。另外，試驗針對不同的齡期的混凝土的水泥石和集料間過渡層作了分析。如圖5.6、圖5.7、圖5.8的齡期分別是28天、56天、1年，從圖中可以看出，28天時水泥石和集料間過渡層又一條明顯的裂縫，這是混凝土集料吸附水形成的水化膜層，隨著齡期的增長，混凝土水化凝膠溶出逐漸填充水膜層。由圖中可以看出，到56天時裂縫就已經(jīng)變小了；再到了1年的齡期后，水泥石與集料完全結(jié)合在一起，基本看不到裂縫，集料的界面副作用也逐

16、漸減弱。另外，從圖5.9種可以看出，水泥石水化凝膠體中出現(xiàn)些微裂縫。這是由于高強混凝土密實度很高，外界水分很難進入混凝土內(nèi)部，混凝土在后期水化缺少水分而形成的干縮裂縫，從圖中可看出最寬處的寬度達到1000nm。5.2孔分析根據(jù)吳中偉教授對孔徑影響混凝土耐久性的4個分級（表5.1），這微裂縫屬于多害孔，這些裂縫將對混凝土的后期強度發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。在同濟大學的孔分析結(jié)構(gòu)，也證實了存在這問題，如圖5.10所示。表5.1孔徑對耐久性的影響分級級別無害孔少害孔有害孔多害孔孔徑（nm）20205050200200相同養(yǎng)護條件下，C60混凝土與C90混凝土的孔分布情況：表5.2 C60混凝土與C90混凝

17、土的總孔量和孔分布比較試  樣總孔量，cc/g孔徑分布，cc/g無害孔少害孔有害孔多害孔C600.29740.2054004760.03290.0115C900.38010.26900.05430.03110.0257根據(jù)表5.2繪制出圖5.10：由圖5.10可以看出，雖然C90混凝土的強度高，但其孔隙量卻要大于C60混凝土，特別是多害孔C90混凝土是C60混凝土的兩倍多，這與C90混凝土掃描電鏡觀測到的硬化干縮裂縫一致，其原因是C90混凝土試樣的水泥用量大，漿積比大，水膠比低，混凝土水化收縮也就大，后期水化水分不充足，導致混凝土產(chǎn)生應力收縮出現(xiàn)裂縫。因此，如何防阻高強混凝土內(nèi)部干縮

18、裂縫產(chǎn)生這問題，還有待于廣大科研工作者深入研究。6、結(jié)論通過大量的試驗研究，課題組利用陜西地區(qū)原材料，成功了配制出具有優(yōu)良的拌和性能、適用于泵送施工，并具有良好耐久性，抗壓強度等級達到C90的高強高性能混凝土?？偨Y(jié)課題研究得出以下幾條結(jié)論：1）聚羧酸系高效減水劑配制混凝土性能明顯優(yōu)于萘系配制混凝土性能，并確定XC聚羧酸系高效減水劑的最佳摻量是1.3%；2）礦物摻合料復摻對混凝土性能改進優(yōu)于單摻作用；3）超細礦物摻合料是配制強度等級C90及以上的高強混凝土必要選擇；4）本課題研究最終確定配制C90高強高性能混凝土的最佳配合比：名稱水膠比水水泥砂石粉煤灰礦渣粉硅灰膨脹劑聚羧酸材料用量，kg/m30.211424807001050906012.9308.585）高強混凝土膠凝材料用量較大，水膠比低，混凝土存在收縮開裂問題，有待于進一步深入研究。參考文獻：1 蒲心誠等. 100-150MPa超高強高性能混凝土的配制技術J混凝土與水泥制品1998N o.62 譚克鋒. 鋼管與超高強混凝土復合材料的力學性能及承載能力研究D.重慶建筑大學博士學位論文.3黃士元等. 近代混