雙摻粉煤灰和礦粉高性能混凝土在高寒干燥地區(qū)的應(yīng)用

楊海峰

（陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

高性能混凝土是近年來發(fā)展起來的一種新型混凝土，是混凝土技術(shù)進入高科技時代的里程碑。一般認為，高性能混凝土具有良好的工作性能、高強度和極佳的耐久性。與普通混凝土相比，高性能混凝土能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求，能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。在配制高性能混凝土?xí)r采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，還要摻加一定數(shù)量的高性能外加劑和活性礦物摻合料。

利用活性礦物摻合料配制高性能混凝土是近年來該領(lǐng)域研究的熱點之一，目前，應(yīng)用的礦物摻合料主要有粉煤灰、礦粉和硅灰等。礦物摻料可以提高混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性以及后期強度，降低水化熱，提高抗酸堿腐蝕，防止堿骨料反應(yīng)的能力。但單一的礦物摻合料對于混凝土的性能會產(chǎn)生不良影響，例如混凝土拌和物的泌水量較大、早期強度較低等，使得它在工程中的應(yīng)用受到一些限制。如果將兩種或多種礦物摻合料復(fù)合使用，就可能產(chǎn)生復(fù)合交互效應(yīng)，成為改善混凝土綜合性能的一條最有效途徑。

目前在陜西省高速公路建設(shè)施工領(lǐng)域，混凝土配合比中重點將水泥作為膠凝材料，只有部分項目利用粉煤灰，而采用粉煤灰和礦粉雙摻的研究及應(yīng)用極少。本文主要研究雙摻粉煤灰和礦粉摻合料對混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響，以便在陜西省內(nèi)外類似工程中更好地推廣應(yīng)用。

1 項目概況

陜西省省級高速公路榆商線神木至府谷高速公路窟野河特大橋為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑布置為（88＋4×165＋88）m＋（69＋4×130＋79.5＋39.5）m＋（76＋4×140＋76）m，采用懸臂澆筑施工，主梁混凝土數(shù)量為6.8萬m3。該橋地處毛烏素沙漠東南邊緣，屬高寒干燥地區(qū)；主梁施工歷經(jīng)一年，期間溫差極大；主梁有效施工工期較短，要求晝夜不間斷施工；主梁混凝土采用泵送運輸，其中垂直輸送高度超過90m，水平輸送距離超過120m；主梁斷面尺寸較大，屬大體積混凝土；懸臂澆筑工藝復(fù)雜，混凝土技術(shù)指標要求較高。綜上所述，該橋主梁混凝土必須具有優(yōu)異的工作性能，高強、早強，以及較低的水化熱、極佳的抗裂性和極高的耐久性，否則工程質(zhì)量無法滿足。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 原材料

（1）水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的DP.O52.5R（低堿）水泥，物理性能指標如表1所示。

表1 水泥物理性能

（2）細集料選用府谷黃河Ⅱ區(qū)中砂，技術(shù)指標如表2所示。

表2 細集料技術(shù)指標

（3）粗集料采用包頭大青山產(chǎn)的5～10mm、10～20mm單粒級碎石，按照3∶7比例摻配，技術(shù)指標如表3所示。

（4）粉煤灰采用神木縣若陽粉煤灰C類Ⅰ級，技術(shù)指標如表4所示。

（5）礦粉采用包頭明峰建材有限公司生產(chǎn)的S75礦粉，技術(shù)指標如表5所示。

表3 粗集料技術(shù)指標

表4 粉煤灰技術(shù)指標

表5 礦粉技術(shù)指標

（6）外加劑采用山西黃河化工有限公司生產(chǎn)的“紅浪”牌UNF-1B聚羧酸高校減水劑，技術(shù)指標如表6所示。

表6 外加劑技術(shù)指標

2.2 配合比

在水膠比、集料和外加劑一定的情況下，采用不同摻量粉煤灰和礦粉代替水泥，設(shè)計的配合比如表7所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

混凝土的性能指標試驗結(jié)果如表8所示。

表7 混凝土配合比設(shè)計

3.2 試驗分析

3.2.1 對混凝土工作性能的影響

粉煤灰和礦粉摻量對混凝土工作性能的影響如圖1～3所示。

圖1 單摻粉煤灰或礦粉不同摻量對初始坍落度的影響

圖2 單摻粉煤灰或礦粉不同摻量對坍落度損失的影響

由圖1中可以看出，單摻時，隨著礦粉取代量的增加，坍落度變化幅度較小，而粉煤灰取代量的增加對提高坍落度的作用很明顯，坍落度增加幅度較大。以上結(jié)果表明，對于初始坍落度的提高，粉煤灰的作用優(yōu)于礦粉。這是因為粉煤灰顆粒形狀較為圓滑，在自由水的作用下能減少體系中顆粒間的摩擦，起到“滾動軸承”的作用，從而改善混凝土和易性并提高坍落度［1］。

由圖1～3可以看出，粉煤灰在一定范圍的取代量內(nèi)具有“增坍性”，而礦粉具有降低坍落度損失的作用；兩種摻合料按照合理比例使用可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，但存在一個臨界取代量，即當(dāng)超過該點時混凝土坍落度反而下降［2］。這是因為隨著攪拌過程的進行，體系中的細微顆粒增加，顆粒吸附了體系中的液相量，降低了體系中的有效水量，并降低外加劑的有效減水組分，導(dǎo)致混凝土的坍落度下降和經(jīng)時損失增加；當(dāng)試件成型后靜置時，被吸附的部分液相得以釋放而產(chǎn)生大量的表面水，產(chǎn)生泌水現(xiàn)象。

3.2.2 對混凝土力學(xué)性能的影響

由圖4可以看出，當(dāng)粉煤灰和礦粉單摻時，隨著添加量的提高，混凝土3、7、28d強度均有降低的趨勢；對于3d和7d強度，摻加礦粉較粉煤灰好，28d強度變化不大，說明適量提高礦粉摻量對早期強度有利。這主要有兩個方面的原因：礦粉的平均顆粒細度較粉煤灰細，水化速度更快；礦粉中的活性成分比粉煤灰多，且活性高于粉煤灰。

圖4 粉煤灰或礦粉單摻對抗壓強度的影響

由圖5可以看出，隨著粉煤灰和礦粉復(fù)合比例的降低，混凝土3、7、28d強度均有增長趨勢，和圖4進行比較，均高于單摻強度。這說明細磨礦粉可以提高粉煤灰的活性，使粉煤灰能夠較早地參與反應(yīng)，并且隨粉煤灰和礦粉復(fù)合比例的降低，混凝土的3、7、28d強度均高于基準混凝土及單摻粉煤灰或礦粉的混凝土。以上結(jié)果表明，單從強度角度考慮，粉煤灰與礦粉復(fù)合時，應(yīng)以礦粉為主。

圖5 粉煤灰和礦粉雙摻對抗壓強度的影響

粉煤灰和礦粉復(fù)合使用時，首先，水泥水化產(chǎn)生Ca（OH）2，在Ca（OH）2的作用下，礦渣立即水化生成大量的低密度水化硅酸鈣、鈣礬石及Ca（OH）2。這些具有大比表面積的水化產(chǎn)物聚集在粉煤灰顆粒周圍，起著晶核的作用，從而加速粉煤灰的水化反應(yīng)。其次，由于礦粉的堿度遠大于粉煤灰，礦渣水化時將提高膠凝材料體系中的OH-含量，以及新拌混凝土漿體中的堿度。堿度的提高，將打破粉煤灰的玻璃相，加速粉煤灰的水化。隨著粉煤灰快速反應(yīng)，大量的晶核被消耗，同時漿體體系中的堿度也將迅速降低，又會加快礦粉的水化速度。由粉煤灰和礦粉組成的復(fù)合摻合料在混凝土中應(yīng)用，可以對礦渣的晶核作用加以利用，并提高混凝土的堿度，激發(fā)粉煤灰的活性，使“疊加效應(yīng)”充分發(fā)揮［3］。

3.2.3 對混凝土耐久性的影響

混凝土中加入粉煤灰或礦粉，可有效減少混凝土的水化熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度峰值，并延緩溫度峰值出現(xiàn)的時間，有利于避免或減少溫度裂縫，對混凝土耐久性有利，特別是對大體積混凝土尤為重要［4］。

（1）對混凝土抗?jié)B性能的影響。從抗?jié)B的結(jié)果可以看出，單摻或雙摻粉煤灰和礦粉都能提高混凝土的抗?jié)B性能，特別是雙摻的混凝土抗?jié)B等級達到P20（沒有透水）。這是充分發(fā)揮了粉煤灰和礦粉“火山灰效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”的結(jié)果。“火山灰效應(yīng)”改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高密實度，加強了與骨料界面的粘結(jié)力，從而提高了混凝土的抗?jié)B能力；“微集料效應(yīng)”改善了混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，減小了大孔徑的尺寸，使混凝土更加密實，提高了抗?jié)B性能［5］。

（2）對混凝土抗凍性能的影響。從表8的試驗結(jié)果可以看出，單摻粉煤灰混凝土的抗凍性下降，單摻礦粉的混凝土抗凍性提高。這是由于礦粉中的活性成分SiO2和Al2O3與水泥的水化產(chǎn)物在有水的情況下發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣［6］。上述反應(yīng)幾乎都在水泥孔隙中進行，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變了孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土中各組分的粘結(jié)作用，提高了密實度。同時，礦粉的微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，不僅填充了水泥顆粒間的孔隙，還能改善顆粒級配，增加水泥膠體的密實度；另外，礦粉與Ca（OH）2生成的CS-H膠凝體填充于毛細孔內(nèi)，使其變?yōu)椴贿B通的毛細孔，增加水泥石結(jié)構(gòu)的致密程度，混凝土總孔隙率降低，孔結(jié)構(gòu)變小，有效阻斷了水分擴散，提高混凝土的抗凍性。

綜合以上結(jié)果可以看出，在混凝土中復(fù)合摻加兩種摻合料，不只是兩種摻合料的簡單混合，而是有意識地使兩種摻合料互相取長補短，相得益彰，產(chǎn)生單一摻合料無法達到的優(yōu)良效果。粉煤灰和礦粉復(fù)合摻入混凝土后，混凝土拌和物的和易性更好，硬化混凝土更加密實，早期強度和后期強度都得到提高，孔隙結(jié)構(gòu)明顯改善，有害的孔隙基本被消除，孔隙率大幅度降低，表明混凝土耐久性的各項指標，諸如抗?jié)B性、抗凍融性以及耐化學(xué)腐蝕性等均有顯著提高。

4 工程實際應(yīng)用

結(jié)合混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性，當(dāng)粉煤灰與礦粉比例為1∶1時，效果最佳，所以，確定最終施工用配合比為D2，其主要性能指標見表9。

表9 窟野河特大橋混凝土主要性能指標

此配合比混凝土抗?jié)B等級為P20，不透水，抗凍等級為F150。

目前，該工程交付使用近2年，混凝土硬化狀態(tài)好，無明顯溫度裂紋，表面無明顯蜂窩、麻面等缺陷。

5 結(jié) 語

（1）粉煤灰和礦粉雙摻能明顯改善混凝土的和易性，減少坍落度經(jīng)時損失，大大改善混凝土的施工性能。

（2）粉煤灰和礦粉雙摻可以較為顯著地提高混凝土的強度，單摻礦粉混凝土的強度較單摻粉煤灰混凝土的強度高，但單摻粉煤灰混凝土具有更高的強度增長率。

（3）粉煤灰和礦粉的早期物理填充作用和后期活性填充作用等特性，不僅可以改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實性，還可以使混凝土耐久性得到提高。

（4）粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)利用了粉煤灰和礦粉的潛在活性，大大減少了水泥用量，降低和延緩了水化熱峰值及出現(xiàn)時間，有效地抑制了混凝土溫度裂縫和收縮裂縫的形成。

（5）經(jīng)本次工程實踐，確認了粉煤灰和礦粉雙摻高性能混凝土在公路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，不但可以提高混凝土的質(zhì)量，利用工業(yè)廢料，減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，還降低了工程造價。因此，這項技術(shù)值得大力推廣。