超細礦物摻合料配制C80機制砂自密實混凝土性能研究

李 鵬，陳 鵬，湯國芳，劉貴雙，盧傳泰，陳效鵬，閆 浩，李 建，吳 迪

(1.江蘇誠意工程技術研究院有限公司，徐州 221000；2.中國礦業大學，徐州 221000；3.江蘇誠意樁業科技發展有限公司，徐州 221000；4.徐州鑄建建材科技有限公司，徐州 221000)

20世紀80年代末，日本學者Hajime Okamura 和 Ozawa 首次配置出滿足施工要求和耐久性要求的免振搗高流態的混凝土，后經進一步的研究，提出自密實混凝土(SCC)的概念[1,2]。自密實混凝土由于其高流動度、抗離析、均勻穩定、自密實等性質在建筑領域得到了大范圍的應用。然而，相較于普通混凝土，SCC需要更多的漿體包裹骨料并填充孔隙，這意味著制備SCC要消耗更多的水泥。水泥在生產過程中要消耗大量的石灰石、黏土、煤炭等天然資源，并且產生CO2、粉塵等污染性氣體，且在雙碳的戰略背景下，水泥的產能在一定的程度上受到限制。另一方面，高水泥用量的混凝土面臨著高水化熱、高收縮開裂風險。因此，在SCC中摻加礦物摻合料取代水泥已成為當前混凝土研究領域的熱點之一。目前，研究人員多考慮粉煤灰、礦渣粉、硅灰、磨細火山灰、石灰石粉等礦物摻合料取代部分水泥。胡紅梅[3]研究了石灰石粉分別與粉煤灰、礦粉和硅灰復摻對混凝土的自密實性能和強度的影響。研究發現：石灰石粉與粉煤灰復摻適合制備低強自密實混凝土；石灰石粉和礦粉、硅灰分別復摻可實現互補效應，用來配置高強自密實混凝土。殷建光[4]研究粉煤灰、硅灰對自密實混凝土流動性和抗壓強度的影響。研究發現：粉煤灰和硅灰復摻實現超疊加效應，有效的解決了單摻粉煤灰早期強度不高、單摻硅灰后期強度儲備值低的現象。Tangadagi,Ranjitha B[5]發現礦物外加劑替代水泥，不僅降低了水泥消耗量，還改善了混凝土的拌合物性能、力學性能及其耐久性能。采用礦物摻合料配制SCC具有顯著的經濟、環境效益，是未來建筑材料重要的發展路徑。高強混凝土由于其抗壓強度高、抗變形能力大、孔隙率低、抗滲性能和抗腐蝕性能等耐久性優良的特點，目前C80混凝土已應用于國內高層建筑、大跨結構、海洋工程和交通工程等；近年來我國建設用砂需求量保持100億噸以上，機制砂替代河砂成為建設用砂主要來源，但是機制砂較河砂粒形不規則、棱角多，級配呈現“兩頭多、中間少”的特點，導致混凝土拌合物不良，因此實現C80機制砂混凝土的自密實性能，尤其是顯著降低拌合物的黏度，是目前較為突出的技術難題。因此該文開展利用超細礦物摻合料配制C80機制砂自密實混凝土，研究超細礦物摻合料替代水泥對C80機制砂混凝土的自密實性能、力學性能和耐久性能的影響，為C80機制砂自密實混凝土的推廣應用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：江蘇誠意PO52.5水泥，其性能見表1；2)粉煤灰：Ⅱ級，細度(45 μm方孔篩篩余)21.0%，需水量比98%；3)礦渣粉：S95級，28 d活性指數100%；4)硅灰：活性指數115%，需水量比116%；5)超細礦物摻合料：中國建研院降黏型復合礦物摻合料，技術指標符合《混凝土用功能型復合礦物摻合料》(T/CCES 8004)中降黏型復合摻合料的技術要求，其性能見表2；6)粗骨料：5～40 mm級配碎石；7)細骨料：機制砂，細度模數3.2，石粉含量7%，亞甲藍值1.1;8)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，固含量為18.5%；9)水：普通自來水。

表1 PO52.5水泥物理性能

表2 降黏型復合礦物摻合料性能

1.2 混凝土的配合比

按照《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283)進行C80自密實混凝土配合比設計，通過調節減水劑的摻量，使基準組混凝土的坍落擴展度達到650 mm，然后采用超細礦物摻合料等質量取代水泥，分別占膠凝材料的3%、6%、9%、12%、15%，減水劑用量與基準組相同。混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比 /(kg·m-3)

1.3 試驗方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T 50080)》進行測試；力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準(GB/T 50081)》進行測試；耐久性能按照《普通混凝土耐久性和長期性能試驗方法標準(GB/T 50082)》進行測試。

2 結果與分析

2.1 混凝土的拌合物性能

坍落擴展度、倒置坍落度筒排空時間分別反映出混凝土的充填能力、拌合物黏度，能夠綜合反映混凝土的自密實性能。圖1為C80機制砂自密實混凝土的坍落擴展度、倒置坍落度筒排空時間的試驗結果。由圖1可知：超細礦物摻合料替代水泥后，混凝土的擴展度得到一定的提升，倒置坍落度筒排空時間顯著降低。摻加超細礦物摻合料占膠凝材料的9%時，混凝土的坍落擴展度提高幅度最大，由650 mm增加到715 mm；倒置坍落度筒排空時間降低效果最佳，由23 s降低至7.8 s，降低幅度高達66%。這主要是由于超細礦物摻合料粒徑較細，填充水泥、粉煤灰與礦渣粉等組成膠凝材料的間隙，膠凝材料顆粒堆積更加緊密，級配更加優化，同時，超細礦物摻合料的“滾珠形態效應”，增大了顆粒間的水膜厚度，改善了漿體的流變性能[6]。當繼續提高超細礦物摻合料取代水泥的摻量，混凝土坍落擴展度逐漸降低，倒置坍落度筒排空時間逐漸升高，這是由于超細礦物摻合料對漿體流變性能的影響體現在顆粒級配、滾珠效應和顆粒比表面積等綜合作用，當超細礦物摻合料摻量過高時，粉體顆粒比表面積增加帶來需水增加的不利作用大于摻降黏型復合礦物摻合料的滾珠效應，導致混凝土坍落擴展度變小，倒置坍落度筒排空時間增加。

2.2 混凝土的力學性能

圖2為超細礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響研究。由圖2可以看出：隨著超細礦物摻合料替代水泥摻量的增加，C80機制砂自密實混凝土3 d強度逐漸降低，7 d和28 d強度基本持平，56 d強度均得到提升；當超細礦物摻合料摻量占膠凝材料的9%時，56 d強度提高幅度最大，由基準組的101.2 MPa提高至112.1 MPa。這主要是由于超細摻合料水化速度較水泥緩慢，水化進程更長，當超細摻合料等質量取代水泥時，表現為混凝土的3 d強度隨著摻量的增加而逐漸降低；但隨著齡期的延長，超細摻合料的火山灰效應、誘導激活效應逐漸發揮作用，混凝土的56 d強度均高于基準組；當超細礦物摻合料摻量超過9%時，火山灰效應、誘導激活效應變得緩慢，因此超細礦物摻合料摻量12%、15%時的56 d強度低于摻量9%的混凝土強度。

2.3 混凝土的耐久性能

1)混凝土的碳化性能

圖3為不同取代率下摻超細礦物摻合料的混凝土碳化性能。從圖3中可以看出：由于碳化試驗是在混凝土標準養護28 d后進行，此時C80混凝土的強度已較高，水化較為充分，水化產物致密，因此碳化試驗進行3 d、7 d時基本沒有碳化深度；隨著碳化試驗的持續進行，碳化深度有所加深；不同摻量的超細礦物摻合料混凝土碳化14 d的碳化深度為0.5 mm；隨著碳化試驗齡期延長至28 d時，各混凝土配合比的碳化性能有所區別，相對于基準組，摻入3%、6%、9%、12%超細礦物摻合料混凝土的碳化深度分別降低10%、30%、10%、30%，這主要由于超細礦物摻合料的摻入有效的改善了混凝土的孔結構分布，提高了混凝土的抗碳化性能；當超細礦物摻合料摻量繼續提高至15%時，膠凝材料的水化速度較慢，水化進程更長，導致混凝土的抗碳化性能略有降低。

2)混凝土的抗滲性能

圖4為不同摻量的超細礦物摻合料對C80混凝土的抗滲性能影響，各配合比分別養護28 d和56 d后采用滲透高度法進行抗滲性能試驗。由圖4可以看出：混凝土齡期為28 d時，滲水高度隨著水泥取代率的增加呈現先降低后升高的趨勢。當超細礦物摻合料取代水泥6%時，混凝土的滲水高度為4.7 mm，較基準組降低6%。這是由于6%超細礦物摻合料摻入改善了混凝土微觀結構，混凝土較為密實，滲水高度降低。當超細礦物摻合料摻量增加至15%時，混凝土的滲水高度為6.7 mm，反而較基準組升高。這是由于超細礦物摻合料摻量較高，膠凝材料水化速度變慢，水化進程變長，且超細礦物摻合料的火山灰反應也延緩，28 d的水化產物仍然不充分，混凝土的抗滲性能降低。當養護齡期為56 d時，混凝土的滲水高度整體低于基準組，這是由于超細礦物摻合料的晶核效應和火山灰效應綜合發揮作用，改善混凝土內部的微觀結構和水化產物的分布，改善孔結構分布[7]，進而降低混凝土的滲水高度，提高其抗滲性能。

3)混凝土的抗氯離子滲透性能

不同摻量超細礦物摻合料對標養28 d、56 d的混凝土的抗氯離子滲透性能影響結果見圖5。由圖5可以看出：未摻加超細礦物摻合料的混凝土電通量最大，標準養護28 d為864C，標準養護56 d為555C。隨著超細礦物摻合料的取代水泥的摻量增加，標養28 d、56 d的混凝土的電通量值出現了不同程度的降低。當礦物摻合料的摻量為9%時，標準養護28 d、56 d的電通量為560 C、300 C，降低35%、46%，混凝土的抗氯離子滲透性能最優。超細礦物摻合料改善混凝土抗氯離子滲透性能，一方面是因為優化了混凝土內部的微觀結構，改善了孔徑的連通性，有效的阻止了氯離子的擴散；另一方面，添加礦物摻合料使得水泥的水化反應生成低堿性CSH凝膠,能夠增強混凝土對氯離子的化學結合能力與物理吸附能力[8,9]。

3 結 論

a.超細礦物摻合料替代水泥，有利于提高混凝土的流動性能，降低混凝土拌合物的黏度，顯著提高C80機制砂混凝土的自密實性能。

b.超細礦物摻合料替代水泥，略微降低C80機制砂混凝土的3 d強度，7 d和28 d強度基本持平，能夠提高56 d強度。

c.超細礦物摻合料替代水泥，摻量不超過膠凝材料12%時，有助于提高C80機制砂混凝土的耐久性能。