利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強(qiáng)高性能混凝土

1、利用陜西地區(qū)原材料研制C90高強(qiáng)高性能混凝土日期：2012-05-28來(lái)源：中國(guó)混凝土與水泥制品網(wǎng)  作者：字體：大 中 小1、引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，帶來(lái)物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)，混凝土已逐漸成為人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、生活的基礎(chǔ)?；炷潦且运酁橹饕z凝材料的建筑材料，水泥生產(chǎn)歷來(lái)是一種污染源，在其制造過(guò)程中，原生資源耗量大，廢氣、粉塵排放量大，水泥的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的惡化已造成不可低估的影響。如何解決建設(shè)發(fā)展對(duì)混凝土的需求和環(huán)境保護(hù)需限制水泥生產(chǎn)的這對(duì)矛盾，需要我們進(jìn)行深入地思考。發(fā)展應(yīng)用綠色混凝土將是解決這矛盾一個(gè)途徑，而高強(qiáng)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(qiáng)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(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)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(fèi)用和增長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)應(yīng)用高強(qiáng)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(yùn)輸和施工能耗也將大量降低，減小對(duì)環(huán)境的破壞。研究高強(qiáng)高性能混凝土技術(shù)途徑就是要嚴(yán)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）。混凝土是非勻質(zhì)材料，硬化的混凝土由集料、水泥漿體和界面過(guò)渡區(qū)三個(gè)重要環(huán)節(jié)組成。這三個(gè)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)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(duì)高強(qiáng)混凝土的配制非常重要。經(jīng)過(guò)初期的篩選試驗(yàn)，優(yōu)選的冀東P.O52.5R水泥來(lái)配制C90高強(qiáng)高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到63.4MPa。2.2集料對(duì)集料總的要求是巖石強(qiáng)度盡量高、粒形和級(jí)配盡可能好，集料與水泥漿體最好能產(chǎn)生化學(xué)或物理嚙合。本試驗(yàn)采用陜西涇陽(yáng)石灰石碎石，粒徑分別為05mm、520mm，該產(chǎn)地巖石抗壓強(qiáng)度在120140MPa之間。細(xì)集料選用西安灞河的中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，為 區(qū)砂。2.3減水劑主要解決配制高強(qiáng)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(yàn)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(yīng)性，水泥漿體均無(wú)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(yīng)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(xì)孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)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(xiàng)效應(yīng)，使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度和工作性得到改進(jìn)，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，對(duì)抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗(yàn)中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠級(jí)粉煤灰，S95型礦渣粉，?？瞎杌?。高強(qiáng)高性能混凝土是一種多組分復(fù)合材料

5、，各組分性能的疊加甚至超疊加效應(yīng)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(shí)摻入混凝土，可以進(jìn)一步改進(jìn)混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1配合比設(shè)計(jì)在完成原材料篩選和性能檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復(fù)摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進(jìn)行了大量混凝土配制試驗(yàn)。配制混凝土?xí)r用水量根據(jù)混凝土拌合性能來(lái)確定，要達(dá)到泵送要求。表3.1選取部分代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。表3.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土配合比編號(hào)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(jì)算；“*”代表?yè)降氖禽料蹈咝p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(jìn)一步深化。混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)的安全。課題組在混凝土配制強(qiáng)度達(dá)到C90基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量耐久性試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析4.1混凝土拌合性能和強(qiáng)度表4.1 C90高強(qiáng)高性能混凝土拌合性能和強(qiáng)度編號(hào)擴(kuò)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(qiáng)度

9、。由圖4.1可知，應(yīng)用通用的工藝配制C90強(qiáng)度等級(jí)混凝土，膠凝材料用量要達(dá)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(shè)計(jì)規(guī)程JGJ55-2002規(guī)定的高強(qiáng)混凝土的水泥用量不應(yīng)大于550 kg/m3）。由于粉煤灰與礦渣粉效應(yīng)互相疊加，從圖4.2可以看出，復(fù)摻摻合料的混凝土后期強(qiáng)度要明顯高于單摻，礦渣粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展作用優(yōu)于粉煤灰。通過(guò)試驗(yàn)得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m3、90kg/m3。編號(hào)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(duì)混凝土性能作用顯著，摻量少達(dá)不到減水效果，無(wú)法降低水膠

10、比；摻量過(guò)大混凝土出現(xiàn)趴底、泌水，對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度。但由于硅灰的需水量大，當(dāng)硅灰摻量大于6%時(shí)，混凝土的拌合性能明顯變差，強(qiáng)度相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)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(yàn)，受檢混凝土的重量損失率為3.4%、相對(duì)動(dòng)彈性模量為91%，滿足普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)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(jìn)行碳化試驗(yàn)，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(wú)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(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)從水壓為0.1MPa開(kāi)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(wú)出現(xiàn)滲水情況。4.2.4電通量電通量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為924.75庫(kù)侖，說(shuō)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(yàn)采用鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)中的附錄C圓環(huán)約束法和日本Y.Kasai提出的平板法試驗(yàn)法同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。圓環(huán)約束法，圓環(huán)形試樣在成型兩天后有一條細(xì)微的裂縫出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)15天的連續(xù)觀測(cè)，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(cè)量最寬處裂縫的寬度為0.10mm，裂縫深度為6.1mm。平板法試驗(yàn)方法，試件尺寸為600mm×600mm×50mm，與模具一起澆筑成一個(gè)整體，模具上的約束鋼筋位于平板試件的中面周邊，當(dāng)平板收縮時(shí)四周受到約束。按預(yù)定配合比拌合混凝土，澆注、振實(shí)、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(fēng)速8m/s，溫度為30±3，濕度為60±5%風(fēng)道中進(jìn)行抗裂試驗(yàn)。24小時(shí)后結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)紀(jì)錄：出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)間、裂縫數(shù)目、裂縫面積。與C60混凝土比較說(shuō)明。表4.2混凝土平板抗裂法試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)環(huán)境環(huán)境溫度為 26 ，相對(duì)濕

13、度為 60 % ；風(fēng)速 8 m/s。C60混凝土實(shí)測(cè)值初裂時(shí)間，h5.0平均裂開(kāi)面積，mm2/根68.3開(kāi)裂裂縫數(shù)目，根/ m28.3單位面積上的總裂開(kāi)面積，mm2/m2566.9C90混凝土實(shí)測(cè)值初裂時(shí)間，h2.5平均裂開(kāi)面積，mm2/根18.3開(kāi)裂裂縫數(shù)目，根/ m233.3單位面積上的總裂開(kāi)面積，mm2/m2609.4從表4.2看出，C90混凝土試樣的抗裂性能相對(duì)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(dǎo)致混凝土收縮也大，抗裂性能也就會(huì)下降。因此，對(duì)抗裂性能有要求，則需考慮添加適量纖維，通過(guò)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(jìn)一

14、步分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系，進(jìn)行了混凝土的掃描電鏡、孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)。為了更好說(shuō)明問(wèn)題將C90混凝土與同條件下的C60混凝土進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。5.1掃描電鏡在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)C90混凝土內(nèi)部非常密實(shí)，很少有氣泡或孔隙等一些缺陷，將其與同養(yǎng)護(hù)條件下的C60混凝土進(jìn)行對(duì)比。如圖5.1和5.2所示。從圖中可以看出C90混凝土的密實(shí)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(zhǎng)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(xì)白線圈的是礦渣粉。從圖5.3可看出，粉煤灰經(jīng)過(guò)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(shí)粉煤灰顆粒球體被分部剝離開(kāi)。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(qiáng)度要高于摻粉煤灰的混凝土的原因。另外，試驗(yàn)針對(duì)不同的齡期的混凝土的水泥石和集料間過(guò)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(shí)水泥石和集料間過(guò)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(zhǎng)，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(shí)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(qiáng)混凝土密實(shí)度很高，外界水分很難進(jìn)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(dá)到1000nm。5.2孔分析根據(jù)吳中偉教授對(duì)孔徑影響混凝土耐久性的4個(gè)分級(jí)（表5.1），這微裂縫屬于多害孔，這些裂縫將對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。在同濟(jì)大學(xué)的孔分析結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了存在這問(wèn)題，如圖5.10所示。表5.1孔徑對(duì)耐久性的影響分級(jí)級(jí)別無(wú)害孔少害孔有害孔多害孔孔徑（nm）20205050200200相同養(yǎng)護(hù)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(wú)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(qiáng)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(cè)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(dǎo)致混凝土產(chǎn)生應(yīng)力收縮出現(xiàn)裂縫。因此，如何防阻高強(qiáng)混凝土內(nèi)部干縮

18、裂縫產(chǎn)生這問(wèn)題，還有待于廣大科研工作者深入研究。6、結(jié)論通過(guò)大量的試驗(yàn)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(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C90的高強(qiáng)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(fù)摻對(duì)混凝土性能改進(jìn)優(yōu)于單摻作用；3）超細(xì)礦物摻合料是配制強(qiáng)度等級(jí)C90及以上的高強(qiáng)混凝土必要選擇；4）本課題研究最終確定配制C90高強(qiáng)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(qiáng)混凝土膠凝材料用量較大，水膠比低，混凝土存在收縮開(kāi)裂問(wèn)題，有待于進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn)：1 蒲心誠(chéng)等. 100-150MPa超高強(qiáng)高性能混凝土的配制技術(shù)J混凝土與水泥制品1998N o.62 譚克鋒. 鋼管與超高強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能及承載能力研究D.重慶建筑大學(xué)博士學(xué)位論文.3黃士元等. 近代混