寧夏地區高性能混凝土研究

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

寧夏地區高性能混凝土研究

Strength Control Method of C60 Concrete in Small Mixing Station

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

C30～C60高性能混凝土是摻加復合礦物摻合料（以礦渣、采礦碎屑、粉煤灰、低品質硅灰等工業廢棄物為原料，采用機械活化技術生產而成的混凝土礦物摻合料）、精品機制砂為特色,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良，具有良好的施工性能。留置標準養護的試件抗壓強度值富余值高。各項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。

復合摻合料；高性能混凝土；機制砂

本課題研制的 C30～C60 高性能混凝土是摻加復合礦物摻合料(以礦渣、采礦碎屑、粉煤灰、低品質硅灰等工業廢棄物為原料，采用機械活化技術生產而成的混凝土礦物摻合料)、精品機制砂為特色，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、體積穩定性和經濟性等方面都有很好的保證。這不但對企業的發展有助推作用，而且對整個寧夏的混凝土產業轉型發展、資源合理利用以及生態保護均具有重要意義。

1 主要研究內容

高性能混凝土配合比設計須結合工程具體情況，環境分類、結構構件部位及相應的耐久性能要求作為控制目標。

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合摻合料，其中復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境作用導致其劣化的能力，主要包括抗凍性能、抗滲性能、抗硫酸鹽腐蝕性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能等。本試驗研究的耐久性能主要有碳化試驗、抗滲水試驗、電通量試驗、鋼筋銹蝕試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗，同時本試驗兼顧了混凝土的長期性能：混凝土收縮試驗。

(2) 設計常用 C30、C35、C40、C45、C50、C55以及高強度 C60 高性能混凝土，檢測其混凝土拌合物的性能(坍落度、擴展度、和易性)，分析其施工性能的優勢。留置標準養護的立方體抗壓試件，研究高性能混凝土力學性能的特點。

2 原材料試驗和混凝土試驗方法

2.1 原材料試驗

2.1.1 水泥

研究過程中采用寧夏盛遠新型建材有限責任公司生產的P.O42.5 水泥進行試驗。水泥試驗結果見表 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有限公司生產，主要性能指標見表 2，檢測結果均能滿足 I 級灰的要求。

表 2 粉煤灰的基本物理性能 %

2.1.3 復合礦物摻合料

寧夏盛遠新型建材有限責任公司生產的復合礦物摻合料以少量熟料、粒化高爐礦渣、石灰石粉(采礦碎屑)、粉煤灰、低品質硅灰等工業廢棄物為原料，采用機械活化技術生產而成的混凝土礦物摻合料。其各項指標見表 3，均能滿足國家標準的要求。

表 3 復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的硅灰，指標見表 4。

表 4 硅灰各項性能指標

2.1.5 粗細集料

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 種單級配，含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎指標符合 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》 和 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》 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的機制砂和寧夏關馬湖的天然細砂混合后的人工砂，依據機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，并進行篩分析。結果選取 9∶1 混合砂作為混凝土試配的細集料。細度模數、亞甲藍值、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

采用寧夏盛遠新型建材有限責任公司生產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、收縮率小等優點。聚羧酸減水劑甲醛含量非常低，是目前最環保的混凝土外加劑，性能如表 5 所示。

表 5 試驗所用減水劑參數

2.2 混凝土試驗方法

立方體抗壓強度按照 GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的立方體抗壓強度試驗。坍落度和擴展度試驗按照 GB/T 50080—2002 《普通混凝土拌合物試驗方法標準》中的坍落度筒法測定。抗滲、抗硫酸鹽侵蝕、鋼筋銹蝕、抗氯離子滲透、碳化及收縮試驗按照GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準》進行試驗。

3 復合摻合料配制高性能混凝土

3.1 混凝土配合比設計

配合比設計是在大量試驗的基礎上確定的，原則上選用較低水膠比。同水膠比中，以不同比例摻合料，獲得最優配合比。配合比數據見表 6。

表 6 C30～C60混凝土配合比

按此配合比進行拌合，觀察拌合物的和易性和工作性；測定拌合物的坍落度、擴展度及 1 h 后的坍落度、擴展度，并成型立方體抗壓強度標準試塊各 10 組，C30 和 C50 同時成型耐久性試驗相關試件(抗滲性、抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化、電通量、鋼筋銹蝕)和收縮試驗試件，抗壓強度試塊每齡期成型兩組平行標準試件。拌合物工作性試驗結果見表 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 經時變化量在 20 mm 以內，符合高性能混凝土對混凝土拌合物坍落度 1 h 損失量的要求。擴展度 1 h 經時變化量均在 120 mm 以內，利于現場施工。國內工程混凝土施工經驗認為，當混凝土拌和物的坍落度＞180 mm，擴展度＞460 mm 時具有良好的可泵性[1]。

表 7 C30～C60高性能混凝土拌合物性能結果

3.2 力學性能及耐久性能試驗結果

3.2.1 高性能混凝土的立方體抗壓強度

由表 8 可以看出高性能混凝土立方抗壓強度在 7 d 時就已經接近達到設計強度等級，隨著齡期的增長，各強度等級混凝土的強度也在穩步的增長。各強度等級混凝土 28 d強度的富余量均能滿足設計要求，60 d、90 d 的強度在標準齡期 28 d 的基礎上仍在增長。這是由于混凝土中摻入適量的復合摻和料，明顯地提高了混凝土的后期強度作用。以C30 和 C50 為例，從圖 1 中可以看出 C30、C50 混凝土的強度均能在規定的齡期內達到設計值的要求。

表 8 C30～C60高性能混凝土立方體抗壓強度結果

圖 1 高性能混凝土各齡期強度達到設計等級百分比

3.2.2 抗滲性研究

抗滲試件具體滲水高度結果見表 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到 P12 以上的抗滲等級。這是因為大量的礦物摻和料改變了漿體細顆粒組分，并起填充作用，使硬化后的混凝土結構更加密實，很好地提高了混凝土的抗滲性。

表 9 抗滲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試件，在 5% 硫酸鈉溶液中進行侵蝕試驗，C30、C50 硫酸鹽侵蝕循環進行到 90 次時就已經出現酥裂現象，即試驗終止，最終得出其抗壓強度耐蝕系數分別為 68%、73%。試驗現象表明復合摻合料配制的高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕性差。分析原因為復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，當摻入適量石灰石粉，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會降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。嚴軍偉等[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，它是水泥石強度的主要來源，硫酸鹽侵蝕能導致 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以維持混凝土內部的堿度，因而使混凝土喪失了黏結性、強度降低、表面軟化[4]。復合摻合料應用于高性能混凝土中，其抗硫酸鹽侵蝕性能下降嚴重，通過研究機理分析石灰石比例高為主要原因，但此處未試驗石灰石占混凝土比例為多少時，可保證高性能混凝土的抗硫性能。此項試驗有待進一步探討。

3.2.4 鋼筋銹蝕研究

標準養護后試件取出放入碳化試驗箱中 28 d，從碳化箱中取出后再標養 56 d，進行破型，對鋼筋再進行酸洗、堿洗、烘干、稱重，計算鋼筋銹蝕失重率，結果見表 10。

表 10 鋼筋銹蝕失重率

表 11 J1、J2 各時段電流及電通量試驗

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，鋼筋失重率很低。且在試驗中從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性好，在試驗周期內鋼筋鈍化膜沒有發生破壞，鋼筋保持完好狀態。

3.2.5 抗氯離子滲透研究(電通量法)

試件在標準條件下養護 28 d，真空飽和后，進行電通量試驗。各時段采集電流、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，滿足標準 JG/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》 中 Q-Ⅴ 性能等級要求，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 時的碳化深度＜ 10 mm，符合JG/T 193—2009 中 T-Ⅳ 性能等級，達到高性能混凝土對碳化性的要求；而 C50 的混凝土 28 d 時碳化深度僅為 1.0 mm，其抗碳化性更優。

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 中的接觸法進行試驗，在恒溫恒濕室內，溫度為(20±2)℃、濕度為(60±5)%的條件下養護。收縮率試驗結果見圖 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 時的收縮率均在 900×10-6范圍內，收縮值都不大，而 C50混凝土的收縮率在各齡期內都要比 C30 的高，這是因為高性能混凝土中水泥用量低，整體收縮比例都不大，由于C50 水泥用量比 C30 水泥用量多，所以收縮值相對略高[5]。目前國內外學者對混凝土自收縮的定義、產生機理等并沒有達成統一認識，對混凝土自收縮的測定也沒有統一標準，但是從形成機理出發，可以認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 語

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

(2) 復合摻合料配制的 C30、C50 高性能混凝土抗滲等級均大于 P12，具有良好的抗滲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，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，具有優異的抗碳化性能；收縮率均在900×10-6范圍內，均能滿足現行建筑設計和規范要求。

(3) 由于復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一步研究。

(4) 復合礦物摻合料化學成分具備更多活性，克服單一品種的性能缺陷，在水泥水化過程的堿性環境下，利用它們的超疊加效應，提高了混凝土的綜合性能。復合礦物摻合料磨細后需水量正常，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，具有顯著的技術經濟效益和環保效益[6]。復合摻合料使用的均為工業副產品和廢料，通過一定的工藝磨細、按照適當的比例復合，屬綠色建材。

寧夏地區屬偏遠地區，工程中對于高性能混凝土的需求量不高，應加大宣傳，使本地施工企業認識到使用高性能混凝土的益處，將住建部推廣的新技術積極推廣，大量使用經過二次加工的復合礦物摻合料等綠色建材，使商混企業轉型升級、施工技術水平得到提高。

[1] 中國土木工程學會.混凝土工程結構裂縫控制與混凝土新技術新材料交流會論文集[C].2002.

[2] 宋少民,楊柳.石灰石粉石灰石粉與低品質粉煤灰復摻對混凝土耐久性能的影響[J].土木工程學報，2010(S2):60.

[3] 嚴軍偉,邢婕,等.石灰石粉混凝土及其硫酸鹽侵蝕特性綜述[J].混凝土,2011(8):70-74.

[4] MANUANTHANAM,M D. JanOlek attackresearch-whithennow.Cemand ConcrRes [J].2001(31):845-851.

[5] JENSEN O.M.Thermodynamic limitation of self-desic-cation [J]. C.C.R,1995,25(1):157-164.

[6] 王沖,蒲心誠.超細礦物摻合料對新拌混凝土的增塑減水機理分析[C]//礦渣微粉作用機理及其關鍵技術、礦渣微粉研究和應用論文集.上海遠東出版社,2003,1(1)：95-99.

TU50

A

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

2017-01-25

王鳳仙，現供職于寧夏建筑科學研究院有限公司，主要研究方向為綠色建筑材料工作。

作者通信地址：寧夏回族自治區銀川市懷遠東路201號，郵編：750021。