礦物摻合料對高耐久性清水混凝土性能的影響

劉偉，張君韜，谷坤鵬

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200030）

0 引言

清水混凝土是直接利用混凝土成型后的自然質感作為飾面效果的混凝土，一次性澆筑成型，不需要做任何外觀裝飾，因其極具裝飾效果，又稱為裝飾性混凝土。與普通混凝土相比，清水混凝土更加富有表現力，充分強調了造型的藝術性、材料的特異性，不但可以提高基礎設施的表觀質量，而且可以大大提高工程質量和使用壽命，同時，免去了各種裝飾材料的使用，有利于節約資源、保護環境。世界上一些地標性建筑悉尼歌劇院、日本國家大劇院、巴黎史前博物館等世界知名的藝術類公共建筑，均采用這一建筑藝術形式[1]。

近年來，軌道交通在國內迅速發展，它是城市文明與文化的象征，是城市底蘊、面貌以及交通工程品位的體現，而清水混凝土的應用正恰能體現城市建設和工程建設的文化與品質要求，提升城市形象。軌道交通中特別是地鐵混凝土所處環境特殊，尤其是遭受地下水中腐蝕介質、直流牽引列車導致的雜散電流、巖體及列車振動的荷載作用等多因素的影響，加快了對混凝土結構及鋼筋的腐蝕。而在地鐵站中，采用清水混凝土部位為地下站及高架站，牽涉專業面廣，如動照、消防、廣告等專業，管線、插座及燈箱等預埋件多，但施工過程要求一次性灌注不可中斷，以免影響外觀質量，因此，軌道交通清水混凝土配制、施工及應用除需考慮清水混凝土的耐久性問題，還需兼顧混凝土的流動性等問題，確保施工過程中一次性澆筑成型[1-6]。

本文在配合比設計時，以確定最優水膠比及砂率為前提，著重研究了單摻礦粉，雙摻礦粉和粉煤灰、精細沉珠、石粉、硅粉以及三摻礦粉、粉煤灰和硅粉等不同礦物摻合料組合對清水混凝土工作性、強度、耐久性等關鍵指標的影響，并對作用機理進行分析。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：青島山水創新水泥廠P·O42.5水泥，主要技術性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術性能

（2）砂：水洗中砂，平度產，細度模數2.7，含泥量1.0%，細顆粒含量不小于10%。

（3）石：諸城石場（凝灰巖）產的5~25 mm的三級配連續碎石。

（4）減水劑：江蘇西卡Visco Crete-3301C聚羧酸高效減水劑，減水率大于28%，含固量50%。

（5）礦物摻合料：青島中礦宏遠S95級礦粉，需水量比93.2%，燒失量2.2%，3、28 d活性指數分別為82%、103%；華電濰坊產F類Ⅰ級粉煤灰，需水量比93.2%，燒失量2.2%，細度11.6%；萊州虎頭崖某廠產400目石粉，流動度比107%，7、28 d活性指數分別為78%、70%；埃肯公司產硅粉，需水量比106%，燒失量2%，比表面積20 m2/g，7 d活性指數97%；深圳道特科技產精細沉珠，主要成分為SiO2的球形顆粒，呈灰白色至淺灰色，中位粒徑約2μm，活性指數大于110%，需水量比85%，燒失量1.9%。

1.2 試驗方法

1.2.1 新拌混凝土的工作性能

新拌混凝土的工作性能包括坍落度、倒筒時間、坍落度損失、含氣量、和易性、擴展度、泌水等。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

1.2.2 混凝土的力學性能和耐久性能

混凝土的抗壓強度：參照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；電通量：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標準》進行測試。

1.2.3 試驗基準配合比

清水混凝土基準配合比如表2所示，減水劑摻量為總摻量，按占膠凝材料質量計。在基準配合比的基礎上，設計了單摻礦粉，雙摻礦粉與粉煤灰、精細沉珠、硅粉、石粉以及三摻礦粉、粉煤灰和硅粉系列等6個系列配合比（礦物摻合料均等質量取代水泥），砂率根據混凝土狀態進行調整，調整減水劑摻量使混凝土的坍落度控制在（200±20）mm。

表2 清水混凝土的基準配合比

2 結果與分析

2.1 單摻礦粉對清水混凝土性能的影響（見表3）

表3 單摻礦粉對清水混凝土性能的影響

由表3可見：

（1）隨著礦粉摻量從0增加至50%，混凝土的2 h坍落度損失從30 mm增大至65 mm，含氣量從2.0%增大至4.4%，倒筒時間從18 s延長至48 s，特別是摻量為40%、50%時，混凝土出現了泌水現象，黏度較大，和易性較差。因此，單摻礦粉且摻量較大時，拌合物的施工性能較差，且氣泡不易排出，影響清水混凝土的整體均一性和表面美觀[7-8]。

（2）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的3、28 d抗壓強度先提高后降低；當礦粉摻量高于20%后，混凝土3、28 d抗壓強度都呈下降趨勢，而在礦粉摻量小于20%時，混凝土的抗壓強度變化較小。

（3）隨著礦粉摻量的增加，混凝土的電通量逐漸減小，增加礦粉摻量對提高混凝土的耐久性有顯著作用。

2.2 雙摻礦物摻合料對清水混凝土性能的影響

2.2.1 雙摻礦粉和粉煤灰的影響（見表4）

表4 雙摻礦粉和粉煤灰對清水混凝土性能的影響

由表4可見：

（1）摻入適量粉煤灰有利于改善單摻礦粉的黏性問題，降低含氣量，倒筒時間明顯縮短，含氣量明顯減少，和易性和坍損也有一定幅度的改善，新拌混凝土的工作性能較好。

（2）摻入粉煤灰后，混凝土的抗壓強度均隨著齡期的延長而提高，但混凝土的早期強度均低于未摻粉煤組，但后期強度增長較快，甚至高于未摻粉煤灰組。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量逐漸減小，混凝土耐久性提高。

2.2.2 雙摻礦粉和精細沉珠的影響（見表5）

表5 雙摻礦粉和精細沉珠對清水混凝土性能的影響

由表5可見：

（1）摻入精細沉珠可大幅度縮短倒筒時間，降低混凝土的黏性，由于精細沉珠細度較小，和易性良好，但含氣量降低幅度較雙摻粉煤灰的小，2 h坍落度損失也稍大。

（2）精細沉珠對混凝土抗壓強度的影響與粉煤灰類似，混凝土抗壓強度都隨著精細沉珠摻量的增加大致呈早期強度降低、后期強度提高的趨勢。

（3）隨著精細沉珠摻量的增加，混凝土的電通量降低，耐久性提高。

2.2.3 雙摻礦粉和石粉的影響（見表6）

表6 雙摻礦粉和石粉對清水混凝土性能的影響

由表6可見：

（1）雙摻礦粉和石粉時拌合物的含氣量較大，倒筒時間較長，黏度較大，坍落度損失較大，但均無泌水現象。

（2）石粉摻量在15%以內，混凝土的28 d抗壓強度隨著石粉摻量的增加呈提高的趨勢；當石粉摻量超過15%，混凝土抗壓強度開始下降。

（3）隨石粉摻量的增加，混凝土的電通量逐漸增大。

2.2.4 雙摻礦粉和硅粉的影響（見表7）

表7 雙摻礦粉和硅粉對清水混凝土性能的影響

由表7可見：

（1）當硅粉摻量大于5%時，拌合物的含氣量稍大，黏度也較大；但當硅粉摻量較小時（3%），可顯著改善拌合物的和易性，縮短倒筒時間，減小含氣量。

（2）隨著硅灰摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強度呈逐漸提高的趨勢，且各齡期抗壓強度都高于未摻硅粉組。這主要是由于硅灰的高活性以及填充作用，可以參與水泥水化并使水化后的水泥更密實。

（3）隨硅粉摻量的增加，混凝土的電通量大幅減小。

2.3 三摻礦物摻合料對清水混凝土性能的影響（見表8）

表8 三摻礦粉、硅粉和粉煤灰對清水混凝土性能的影響

由表8可見：

（1）三摻礦物摻合料減小了拌合物的2 h坍落度損失和含氣量，倒筒時間縮短，大幅改善混凝土的和易性[9-10]。

（2）隨三摻礦物摻合料摻量的增加，混凝土的早期抗壓強度有所降低，但后期抗壓強度逐步提高。

（3）三摻礦物摻合料可有效地降低混凝土的電通量，提高混凝土的耐久性。

3 結論

（1）單摻礦粉且摻量較大時，混凝土的施工性較差，且氣泡不易排出，影響清水混凝土的整體均一性和表面美觀；隨礦粉摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強度先提高后降低，礦粉摻量為20%時，混凝土的28 d抗壓強度最高；當礦粉摻量超過20%以后，混凝土的電通量下降較為明顯，對提高混凝土的耐久性有顯著作用。

（2）雙摻礦粉和粉煤灰時，合適摻量粉煤灰加入后有利于改善單摻礦粉時的和易性和坍損；隨著粉煤灰摻量的增加，電通量逐漸減小，28 d抗壓強度先提高后降低，粉煤灰摻量為10%時，混凝土的28 d抗壓強度最高。

（3）雙摻礦粉和精細沉珠時，精細沉珠可大幅縮短倒筒時間，降低混凝土黏性；隨著精細沉珠摻量的增加，混凝土的早期抗壓強度逐漸降低，后期抗壓強度逐漸提高；耐久性與精細沉珠摻量成正相關。

（4）雙摻礦粉和石粉時，清水混凝土的工作性能受到較大影響；石粉摻量為15%時，混凝土的28 d抗壓強度最高。

（5）雙摻礦粉和硅灰時，摻加3%硅灰可顯著改善混凝土和易性，提高混凝土的工作性能；硅粉摻量增加會明顯提高混凝土的耐久性能。

（6）相比單摻和雙摻系列，三摻礦物摻合料大幅度改善混凝土的和易性，提高混凝土的耐久性。