粗集料C120超高強高性能混凝土配合比及耐久性研究

樸志海， 陳興盛， 姚瑞珊， 張廣偉

（1.龍建路橋股份有限公司，哈爾濱 150090；2.天津市農村社會事業發展服務中心，天津 300384；3.黑龍江建筑職業技術學院，哈爾濱 150025）

0 引言

在世界范圍內，城市建筑逐步向高層化、大跨度和輕量化發展，大跨度、超大跨度橋梁和高速鐵路對混凝土的性能也提出了更高的要求，傳統普通混凝土強度和耐久性不足的缺陷日益凸現，性能更好的超高強高性能混凝土的研究和應用將成為未來發展的必然趨勢。

在國際上，混凝土研究和應用強度不斷提高，C60～C100區段的高強混凝土的研究開發已經比較成熟，目前研究的熱點集中在C100～C150的強度區段，預計不久的將來，C100以上超高強度混凝土將會得到大量推廣應用。我國在該領域的研究和應用雖然較西方發達國家起步晚，但發展勢頭很好，研究團隊及應用工程比較多。在國內清華大學、北京交通大學等許多科研團隊都對C100及C100以上強度等級混凝土進行過比較系統研究，取得了一系列研究成果。C100高性能混凝土在廣州、北京、上海等許多城市超高層建筑中都有成功應用的報道［1，2］。

1 研究目的及技術路線

1.1 研究目的

隨著科學技術的發展，混凝土的強度等級一直在不斷提高。采用傳統原材料，沿用傳統方法配制C120以上混凝土比較困難，雖然活性粉末混凝土的綜合性能優越，但這種混凝土的單方成本是C120混凝土3倍甚至更高，而且其養生條件苛刻（需要70℃以上溫度養生），目前不適合一般工程應用。為適應工程需要，有必要研究一種采用常規原材料配制、常規條件養生和成本較低的超高強高性能混凝土，以適應現代工程當下及潛在的需要。在此背景下項目系統研究了C120超高強高性能混凝土及相關性能，這種混凝土選用高品質傳統原材料配制，具有優異的工作性能、力學性能和耐久性能，但單方成本僅為活性粉末混凝土的30%左右。

1.2 研究的技術路線

傳統混凝土配合比設計遵循“鮑羅米”公式，即混凝土強度與水灰比關系式。

現代超高強高性能混凝土的典型特征是高工作性、超高強度和良好的耐久性。研究發現影響這些性能的主要因素是高性能減水劑和水膠比，其次是高品質的原材料。

研究基于豐富實踐經驗，同時在掌握大量數據基礎上，擬定一個水膠比范圍，試配時不得超過該值；優選高品質的粗細集料和礦物摻合料，選擇減水率高、與水泥相容性良好的高性能聚羧酸減水劑，結合有針對性、有方向性的一系列嚴謹試驗進行系列研究。

2 C120超高強高性能混凝土配合比設計

2.1 參數要求

工作性要求：坍落度230±20mm［3］，擴展度大于600mm×600mm，120min內坍落度損失不超過10%，不離析，不泌水。試配強度fcu.0≥138MPa。

2.2 原材料的選擇及性能

在掌握大量歷史資料基礎上，經多方對比、優選用于配制C120超高強高性能混凝土的全部原材料。

（1） 水泥：根據實驗室傳統經驗數據，優選了“天鵝”牌和“虎鼎”牌P.O52.5水泥備用，用同一種外加劑不同摻量對這兩種水泥凈漿流動度的影響進行對比試驗，試驗結果見圖1。由圖1可知，在外加劑摻量相同條件下，“天鵝”牌P.O52.5水泥的凈漿流動度較大。根據試驗數據可知，這兩種水泥其它物理力學指標差別不大，根據此選擇流動性更好的“天鵝”牌P.O52.5水泥。該水泥的標準稠度用水量27.8%，28d抗折強度8.8MPa，28d抗壓強度58.0MPa。

圖1 外加劑不同摻量對兩種水泥凈漿流動度影響

（2） 礦物摻合料：配制超高強高性能混凝土，礦物摻合料為必摻膠凝材料，這種材料對提高混凝土的工作性、密實度、強度和耐久性幫助極大［4］。考慮市場供應情況，并兼顧經濟性，項目的選擇結果是：Ⅰ級粉煤灰，摻量8%～10%；S105級粒化高爐礦渣粉，摻量12%～15%；微硅粉，二氧化硅含量95%，摻量5%～8%。

（3） 外加劑：性能優異的外加劑是配制超高強高性能混凝土的必備材料。減水率高、相容性好的外加劑可以大幅度減少混凝土拌和用水量，提高混凝土的工作性，減少混凝土坍落度經時損失，提高混凝土強度和耐久性。研究中優選了兩種聚羧酸鹽高性能減水劑A和B，用同種水泥對這兩種外加劑的不同摻量做凈漿流動度試驗見圖2。

圖2 兩種外加劑不同摻量對同種水泥凈漿流動度影響

圖2表明，A外加劑的飽和點低于B外加劑的飽和點，相同摻量下A外加劑的流動度明顯高于B外加劑的流動度，基于此，我們選擇A外加劑進行后續研究。該外加劑的減水率大于35%，泌水率為0，其28d抗壓強度比大于180%。

（4） 粗集料：超高強高性能混凝土對粗集料要求較高，研究表明減小粗集料的缺陷和有害雜質含量對提高混凝土性能有利，粗集料的平均粒徑越小，其內部缺陷也越小，同時其總表面積也越大，與水泥漿接觸面積就越大，這樣二者之間的粘接強度就越大，用該粗集料配制的混凝土強度越高，耐久性也越好。項目研究選擇的粗集料公稱最大粒徑為16mm，屬于連續級配反擊破碎整形碎石。碎石母料為玄武巖，其單軸抗壓強度大于150MPa，壓碎值3%，針片狀含量2%，含泥量0%，石粉含量0.5%，表觀密度2780kg/m3。

（5） 細集料：配制混凝土最好的細集料是天然河砂，砂的粗細程度、有害雜質含量多少對混凝土的工作性、強度和耐久性都有很大影響。根據歷史經驗，項目研究選擇Ⅱ區河砂，其細度模數2.68，含泥量0.5%，表觀密度2750kg/m3，松堆積密度1600kg/m3。

（6） 拌合用水：研究選擇飲用水攪拌混凝土。

2.3 試配C120超高強高性能混凝土

2.3.1 確定配合比

現代混凝土的配合比是經驗和實踐的產物。實踐表明決定混凝土工作性、強度和耐久性的因素依次為：水膠比，外加劑，膠凝材料和粗細集料。其中水膠比是影響混凝土性能的決定因素，而外加劑又是主導水膠比的主要因素，其它材料是影響混凝土性能的次要因素。

在試配前根據混凝土的力學性能和耐久性能要求，首先擬定水膠比的范圍，混凝土的工作性由外加劑摻量來調節。

研究擬定C120超高強高性能混凝土的水膠比范圍為0.16～0.18，根據外加劑前期檢測結果，初步確定外加劑摻量范圍3.6%～4.0%；同時選擇砂率取值范圍34%～36%，結合實踐經驗，經多輪試配，確定了C120超高強高性能混凝土的配合比，其配合比、工作性及力學性能見表1～表3。

表1 C120超高強高性能混凝土配合比 kg/m3

表2 C120超高強高性能混凝土工作性 mm

表3 C120超高強高性能混凝土各齡期抗壓強度 MPa

2.3.2 試配結果分析

（1） 水膠比是影響混凝土強度的決定因素，采用0.16和0.17水膠比配制的混凝土28d抗壓強度均可達到C120超高強高性能混凝土要求，但用0.16水膠比配制的混凝土60min坍落度損失大于40%，用0.17水膠比配制的混凝土120min坍落度損失小于10%；用0.18水膠比配制的混凝土28d抗壓強度不能滿足要求。研究選擇的水膠比為0.17。

（2） 水膠比對混凝土28d抗壓強度影響最大，礦物摻合料的影響次之，砂率的影響再次之。

（3） 外加劑對C120超高強高性能混凝工作性影響最大，礦物摻合料的影響次之，砂率的影響稍小。

3 C120超高強高性能混凝土耐久性研究

耐久性是超高強高性能混凝土一個重要指標，為直觀體現C120超高強高性能混凝土優越的耐久性能，項目在研究過程中同時對C50混凝土的耐久性能進行了對比研究。

3.1 C120超高強高性能混凝土抗凍性能

抗凍性是反映混凝土耐久性能重要參數之一，為較全面檢驗這一參數，項目采用鹽凍法和快凍法兩種方法研究C120超高強高性能混凝土的抗凍性能。

3.1.1 鹽凍法

C50混凝土與C120超高強高性能混凝土56次鹽凍試驗對比數據見表4。

表4 鹽凍法凍融試驗數據

鹽凍法達到28次凍融循環時，5個試件表面積剝落物總質量均為零。為進一步驗證該混凝土抗鹽凍性能，研究過程中在此基礎上又增加了28次凍融循環，使總凍融循環達到56次。結果表明C120超高強高性能混凝土抗鹽凍性能明顯優于C50混凝土抗鹽凍性能；同時它的單位表面積剝落物總質量平均值僅為7.3g/m2，遠小于1500g/m2規范規定值［5］。由此可見，該混凝土具有及其優異的抗鹽凍性能。這得益于該混凝土具有超低的水膠比，超高的密實度和適宜的含氣量等特質。

3.1.2 快凍法

C50混凝土和C120超高強高性能混凝土快凍400次對比試驗數據見表5。

表5 快凍法凍融試驗數據 %

C120超高強高性能混凝土采用快凍法達到400次凍融循環時，試件相對動彈模量下降值和質量損失率均遠小于規范規定的60%和5%，表明該混凝土具有極強的抗凍融循環能力。對比試驗還表明，C120超高強高性能混凝土的抗凍融能力遠超過C50混凝土抗凍融能力，原因在于該混凝土水膠比極小，水化28d以后其內部自由水幾乎消耗殆盡，甚至可以忽略不計，此外，它具有適宜的含氣量。

3.2 C120超高強高性能混凝土抗氯離子滲透性

抗氯離子滲透性是衡量混凝土耐久性重要參數之一，它可以間接反映鋼筋混凝土中鋼筋被腐蝕的速度和難易程度。研究中采用快速氯離子遷移系數法（RCM法）和電通量法兩種方法來檢驗該混凝土抗氯離子滲透性能［6］。

3.2.1 RCM法

C50混凝土和C120超高強高性能混凝土RCM法氯離子滲透對比試驗數據見表6。

表6 RCM法氯離子遷移系數DRCM mm2/s

快速氯離子遷移系數法（RCM法）試驗結果表明，C120超高強高性能混凝土具有優異的抗氯離子滲透性能，其抗氯離子滲透性能已經大大優于RCM-5級。同時從對比試驗可以看出，C120超高強高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。

3.2.2 電通量法

電通量法試驗結果表明，C120超高強高性能混凝土具有優異的抗抗氯離子滲透性能，其抗氯離子滲透性能已經遠優于Qs-V級。從對比試驗同時可以清楚看出，C120超高強高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。C120超高強高性能混凝土水膠比極低，密實度極高，氯離子極難遷移或滲透到混凝土內部，它比C50混凝土具有更好的抗氯離子滲透能力。C50混凝土和C120超高強高性能混凝土電通量法氯離子滲透對比試驗數據見表7。

表7 電通量法氯離子電通量C

3.3 C120超高強高性能混凝土抗碳化性能

抗碳化性能是衡量混凝土耐久性的重要參數之一。研究中選擇將C50混凝土和C120超高強高性能混凝土碳化性能進行對比分析。C120超高強高性能混凝土內部密實度非常高，當碳化試驗進行到28d時，3個試件的碳化深度仍然為0mm。為了進一步研究該混凝土的抗碳化能力，研究過程中，將兩種混凝土碳化試驗齡期增加到60d。結果表明碳化試驗進行到60d后，C50混凝土碳化深度為0.5mm，C120超高強高性能混凝土碳化深度為0mm，由此可以看出，后者密實度更高，具有更高的抗碳化能力。秦鴻根等［7］對此也進行了研究。

3.4 C120超高強高性能混凝土收縮性能

收縮性能是衡量混凝土耐久性的重要參數之一。項目選擇非接觸法和接觸法兩種方法研究C50混凝土和C120超高強高性能混凝土的收縮性能。

3.4.1 非接觸法

非接觸法試驗研究所得到的數據見表8。

表8 混凝土收縮率（非接觸法） 10-4

3.4.2 接觸法（臥式）

接觸法臥式試驗研究數據見表9。

表9 混凝土收縮率（接觸法臥式） 10-4

從表8和表9可以看出，C120超高強高性能混凝土比C50混凝土具有更低的收縮率，原因是具有更低的水膠比，具有更密實結構和更低變形性能等特質。

4 結語

項目研究在大量基礎性試驗基礎上，結合豐富混凝土研究實踐經驗，以擬定水膠比為核心，結合有針對性、有方向性的一系列嚴謹試驗進行了系列研究，大大簡化了C120超高強高性能混凝土配合比設計流程。該混凝土具有：水膠比低，工作性良好；力學性能優越，28d抗壓強度平均值大于138MPa；耐久性優于一般高強混凝土和相關標準、規范要求；該混凝土的單方成本及養生條件與一般高強混凝土基本相同。該混凝土具有良好的工程應用前景。