綠色高密實低水化熱海工專用膠凝體系設計研究

艾洪祥，陳旭，李紹純，2，韓世界，岳彩虹，古龍龍

（1.中建西部建設新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033）

0 引言

隨著建筑行業的發展以及國家環保政策的推行，混凝土在走向高性能化的同時，綠色化的要求也逐步融入其中[1-2]，而對于混凝土膠凝體系的設計調整可以更為有效地降低碳排放量，在保證混凝土質量的基礎上，最大程度降低水泥用量[3]。

近年來，海工高性能混凝土膠凝體系的設計多以膠凝材料最緊密堆積為設計依據[4]，而混凝土在實際生產運輸過程中以流體形態存在[5]，所以本文在設計膠凝體系時引入體系稠度控制，使膠凝材料各組分之間達到物理緊密堆積的同時，保證水泥基材料所必需的流動性。并通過力學性能、工作性能、孔隙率、抗氯離子滲透性、水化放熱等測試，對設計的膠凝體系進行綜合驗證優選，最終設計出一種綠色高密實低水化熱適用于海工混凝土的多元膠凝體系。

1 試驗

1.1 原材料

水泥（C）：青島中聯P·O42.5水泥，安定性合格，主要化學成分和礦物組成見表1，物理力學性能見表2。

表1 水泥的化學成分和礦物組成 %

表2 水泥的物理力學性能

礦粉（SL）：日照S95級礦粉，主要技術性能見表3。

表3 礦粉的主要技術性能

粉煤灰（FA）：濰坊電廠Ⅱ級粉煤灰，主要技術性能見表4。

表4 粉煤灰的主要技術性能

硅灰（SF）：山東博肯93型硅灰，主要技術性能見表5。

表5 硅灰的主要技術性能

砂：標準砂。

水：自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 膠凝體系設計

基于最小用水量法以及限定膠凝體系稠度來設計多元膠凝體系，具體方法如下：

采用凈漿攪拌機，首先將一部分水倒入攪拌鍋，然后將350 g膠凝材料的混合物倒入攪拌鍋，先慢攪1 min，再高速攪拌1 min，停止后將葉片、鍋邊緣和底部的拌合物刮下，再高速攪拌5 min，通過測試拌合物稠度[維卡儀指針在（10±1）mm處]來判斷膠凝體系在具有一定流動性時填充各膠凝材料空隙的最小用水量，以此來判斷膠凝體系的物理緊密堆積情況。

試驗分別進行了三元和四元膠凝體系設計，三元膠凝體系為：水泥+粉煤灰+礦粉；水泥+粉煤灰+硅灰；水泥+礦粉+硅灰。四元膠凝體系為：水泥+粉煤灰+礦粉+硅灰。

1.2.2 膠砂力學性能試驗

按膠凝材料450 g、水225 g、標準砂1350 g的材料用量制備40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試件，膠砂試件成型、養護及強度測試方法參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

1.2.3 膠砂流動度試驗

參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行各膠凝體系對水泥基材料流動性影響的試驗。

1.2.4 壓汞測試

采用凈漿試樣，膠凝材料450 g，以達到標準稠度用水量試錐下沉深度（30±1）mm控制用水量，制備凈漿。到測試齡期取試樣破碎，60℃烘干，浸泡至無水乙醇中終止水化。測試采用MIP法，MIP儀器為麥克公司的9510壓汞儀。

1.2.5 抗氯離子滲透試驗

按膠凝材料總量450 g、標準砂1350 g、水225 g，對不同膠凝體系成型100 mm×100 mm×100 mm膠砂試塊，采用靜水壓力下毛細吸鹽試驗測試已優選的不同膠凝體系對水泥基材料抗氯離子滲透性的影響。試驗方法可參考文獻[6]。

1.2.6 膠凝體系水化放熱測試

試驗使用PTS-12S數字式水泥水化熱測量系統對設計的膠凝體系進行水化過程放熱測試，具體試驗方法如下：

根據GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測試試樣的標準稠度用水量。根據GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》制備膠砂試件，試驗用水量根據M=（P+5%）×450，其中標準砂1350 g、水泥450 g。制備好的試驗膠砂用天平稱取2份質量為（800±1）g，分別裝入已準備好的2個套筒內。從加水算起第7 min讀取第1次溫度，即初始溫度T0。然后移入到恒溫水槽中，讀取每個試驗齡期的溫度變化，計算試樣的水化熱。

2 結果與討論

2.1 膠凝體系設計

首先測試了水泥+粉煤灰、水泥+礦粉二元體系的最小用水量，在保證稠度基本保持一致的基礎上，測試了水泥+粉煤灰、水泥+礦粉二元體系最小用水量隨著粉煤灰或礦粉材料的變化，結果如圖1、圖2所示。

圖1 水泥+粉煤灰體系最小用水量隨粉煤灰摻量的變化

圖2 水泥+礦粉體系最小用水量隨礦粉摻量的變化

由圖1、圖2可見，當采用65%水泥+35%粉煤灰、70%水泥+30%礦粉時，2種二元體系分別達到最小用水量，后續三元體系設計中參考該試驗結果。

2.1.1 三元膠凝體系設計

根據上述試驗結果，將水泥和粉煤灰作為整體（質量比為65∶35），與礦粉按一定比例進行最小用水量試驗，加水后保證每組的稠度基本保持一致，各試驗組水泥、粉煤灰、礦粉用量及最小用水量如表6所示。

表6 水泥+粉煤灰+礦粉體系最小用水量試驗結果

由表6可見，當采用42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉時，膠凝體系的用水量最小，此時膠凝體系達到最緊密堆積，后續還將對該體系力學性能以及水化放熱進行測試。

同上，在進行水泥+粉煤灰+硅灰的三元膠凝體系設計時，將水泥和粉煤灰作為整體（質量比為65∶35），與硅灰按一定比例進行最小用水量試驗（加水后保證每組的稠度基本保持一致），考慮到硅灰比表面積大、需水量高，且應用于混凝土中對外加劑吸附性強，所以在設計試驗組時硅灰所占膠凝材料比例控制在5%～20%[7]，各試驗組水泥、粉煤灰、硅灰用量及最小用水量如表7所示。

表7 水泥+粉煤灰+硅灰體系最小用水量試驗結果

由表7可見，隨著硅灰摻量的增加，膠凝體系最小用水量逐漸增大，硅灰摻量為5%～10%時，最小用水量增幅較小；在硅灰摻量比例超過10%后，最小用水量顯著增大。

在進行水泥+礦粉+硅灰三元膠凝體系設計時，參考圖2的試驗結果，將水泥和礦粉作為整體（質量比為70∶30），與硅灰按一定比例進行最小用水量試驗（加水后保證每組的稠度基本保持一致），各試驗組水泥、礦粉、硅灰用量及最小用水量如表8所示。由表8可見，隨著硅灰摻量的增加，膠凝體系最小用水量先減小后增大，硅灰摻量在10%以內時最小用水量較小。

表8 水泥+礦粉+硅灰體系最小用水量試驗結果

2.1.2 四元膠凝體系設計

參照表6試驗結果（水泥+粉煤灰+礦粉體系最小用水量出現明顯的最低值），進行水泥+粉煤灰+礦粉+硅灰四元膠凝體系設計時，將水泥、粉煤灰、礦粉作為整體（質量比為42.2∶22.8∶35.0），與硅灰按一定比例進行最小用水量試驗（加水后保證每組的稠度基本保持一致），各試驗組水泥、礦粉、硅灰用量比例及最小用水量如表9所示。

表9 硅灰+水泥+粉煤灰+礦粉體系最小用水量試驗結果

由表9可見，隨著硅灰摻量的增加，膠凝體系最小用水量逐漸增大，硅灰摻量為5%～10%時，最小用水量增幅較小；在硅灰摻量超過10%后，最小用水量顯著增大。

2.2 膠凝體系性能驗證

2.2.1 膠凝體系對水泥基材料抗壓強度的影響

根據2.1優選4種膠凝體系：CFL3、CFF1、CLF2、CFLF1制備膠砂試塊，測試試塊不同齡期抗壓強度，結果如圖3所示。

圖3 不同膠凝體系膠砂在各齡期的抗壓強度

由圖3可見，4組試樣中，CFF1的早期抗壓強度更高，這主要是由于CFF1膠凝體系中水泥所占比例高；CLF2早期抗壓強度較低，但28 d抗壓強度是4組試樣中最高的，這主要是由于其膠凝體系中礦粉和較高比例硅灰影響了水泥的二次水化，隨著養護齡期的延長，抗壓強度明顯提高。

由于對水泥基材料強度貢獻值最大的膠凝材料還是水泥，所以引入水泥占比強度貢獻值對上述4個膠凝體系進行抗壓強度貢獻判斷，定義水泥占比強度貢獻值=該組試件對應齡期的抗壓強度/膠凝體系中水泥占比，結果如圖4所示。

圖4 不同膠凝體系膠砂在各齡期水泥占比強度貢獻值

由圖4可見，CFL3和CFF1不同齡期水泥占比強度貢獻值更大，即使用更少的水泥獲得更高的力學性能，就抗壓強度試驗結果而言，本文所設計水泥+粉煤灰+礦粉三元體系和水泥+粉煤灰+礦粉+硅灰四元體系更合理。

2.2.2 膠凝體系對水泥基材料流動性的影響（見表10）

表10 不同膠凝體系的流動度比

由表10可見，加入硅灰的試驗組，流動度均出現一定程度的下降，且硅灰摻量越大，流動度降低越明顯，就流動度比而言，最佳的膠凝體系組合為CFL3：42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉。

2.2.3 膠凝體系對水泥基材料孔隙結構的影響（見表11）

表11 不同膠凝體系的孔徑及孔隙率

由表11可見，對于4種膠凝體系，早齡期孔隙率顯示水泥+粉煤灰+礦粉的體系早期密實性更好，而硅灰的加入隨著水泥二次水化進程的推進，孔隙率出現明顯降低[8]，即CFF1、CLF2孔隙率變化明顯。

2.2.4 膠凝體系對水泥基材料抗氯離子滲透性的影響（見圖5）

圖5 不同膠凝體系水泥基材料的氯離子滲透深度

由圖5可見，CFLF1（40.0%水泥+21.8%粉煤灰+33.2%礦粉+5%硅灰）體系的抗氯離子滲透性最佳，CFL3（42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉）其次，高礦物摻合料體系有利于抑制氯離子向混凝土中的擴散效果。

2.2.5 膠凝體系對水泥基材料水化放熱的影響（見表12）

表12 不同膠凝體系在各齡期的水化放熱 J/g

由表12可見，影響膠凝體系水化放熱的主要因素為水泥用量，特別是在水化放熱的早期。隨著齡期的延長，礦物摻合料降低水化熱的效果逐漸發揮，如CLF2，隨硅灰摻量的增加，水化熱降低幅度變大。

2.2.6 膠凝體系優選綜合比較（見表13）

表13 各膠凝體系綜合性能比較

由表13可見，CFL3（42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉）和CFLF1（40.0%水泥+21.8%粉煤灰+33.2%礦粉+5%硅灰）體系的各項指標更為優異，但考慮到CFLF1體系對水泥基材料工作狀態存在不利影響，應用于混凝土中可能會增加外加劑成本，且原材料硅灰的運輸成本過高。所以最終決定選用42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉的三元體系。

3 結論

本研究自主設計一種基于最小用水量和限定膠凝體系稠度相結合的方法來設計海工混凝土專用多元膠凝體系，通過膠砂抗壓強度、流動度比、壓汞、抗氯離子滲透、水化放熱等試驗驗證所設計的膠凝體系42.2%水泥+22.8%粉煤灰+35.0%礦粉能夠達到綠色、高密實、低水化熱的水平，為海工混凝土膠凝體系設計提供一種新的思路，為后期深入研究海工混凝土配合比設計提供參考數據。