宋心，穆文芳，趙世冉，包貴安，孫朋偉

（1. 陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司，陜西 西咸新區(qū) 712000；2. 陜西恒盛混凝土有限公司，陜西西咸新區(qū) 712000；3. 陜西恒盛集團(tuán)新材料研究中心，陜西 西咸新區(qū) 712000）

0 前言

近些年，隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外日益重視對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)泵送混凝土的研究和應(yīng)用。高強(qiáng)泵送混凝土在減小結(jié)構(gòu)斷面尺寸、減輕結(jié)構(gòu)自重、減少材料用量、提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性等方面有普通混凝土無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，成為混凝土發(fā)展的趨勢(shì)。目前，C60 及其以下混凝土技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成熟，得到了充分的工程應(yīng)用，對(duì)于 C80 及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土的應(yīng)用國(guó)外雖有一些報(bào)道[1]，但國(guó)內(nèi)還相對(duì)較少，為了做好技術(shù)儲(chǔ)備，充分適應(yīng)混凝土技術(shù)的發(fā)展，本文結(jié)合前人的研究成果，通過試驗(yàn)對(duì) C80 高強(qiáng)泵送混凝土的物理力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

根據(jù) HSCC 93—1《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》要求，混凝土的施工配制強(qiáng)度必須超過設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，以滿足強(qiáng)度保證率的需要，本試驗(yàn) C80混凝土根據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]進(jìn)行設(shè)計(jì)，配制強(qiáng)度應(yīng)不低于強(qiáng)度等級(jí)值的 1.15倍，故確定為 92MPa。

1 C80 高強(qiáng)泵送混凝土試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)水泥采用陜西冀東 P·O52.5 水泥，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo) GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰采用陜西韓城大唐盛龍Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 21%，燒失量 5.2%；礦粉采用陜西韓城大唐盛龍S95 級(jí)礦粉，流動(dòng)度比 96%，7d 活性指數(shù) 74%，28d活性指數(shù) 96%；硅灰由北京正源益新材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)，SiO2含量＞92%，燒失量＜3%，比表面積＞20000m2/kg，7d 活性指數(shù) 93%，28d 活性指數(shù) 115%；天然細(xì)骨料采用陜西寶雞中砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，含泥量1%；碎石采用咸陽(yáng)武功花崗巖碎石粒徑為 5～20mm 連續(xù)級(jí)配的碎石，含泥量 0.1%，壓碎指標(biāo) 9%；減水劑采用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，固含量26%，減水率 30%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)對(duì)比不同砂率和不同硅灰摻量對(duì) C80 高強(qiáng)泵送混凝土性能的影響，并優(yōu)選出最佳配比進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)研究，混凝土的工作性和力學(xué)性能分別按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土耐久性測(cè)試按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中砂率分別為 36%、38%、40%，硅灰摻量分別占膠凝材料總量的 4.6%、6.3%、7.8%。具體配合比見表 1。

表1 C80 高強(qiáng)泵送混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同砂率對(duì) C80 高強(qiáng)泵送混凝土性能的影響

為了探索砂率對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，優(yōu)選出砂率分別 36%、38%、40% 的 G1、G2、G3三組配方分別進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

表2 不同砂率 C80 泵送混凝土的性能

由表 1 可知，砂率由 36% 增大到 40% 時(shí)，C80 高強(qiáng)混凝土的擴(kuò)展度增大，表明砂率對(duì) C80 混凝土的流動(dòng)性有重要影響，同時(shí)，編號(hào)為 G2 和 G3 的混凝土倒坍落度筒流空時(shí)間均為 6s，滿足高強(qiáng)泵送混凝土性能要求，表明在合理范圍內(nèi)提高砂率有助于提高 C80 高強(qiáng)泵送混凝土拌合物的和易性，且在 40% 砂率時(shí)，混凝土中的粗骨料被足夠的砂漿包裹，流動(dòng)性較好，無(wú)離析、泌水。由圖 1 可以看出，本試驗(yàn)制備的三組混凝土拌合物 7d 強(qiáng)度均大于 80MPa，28d 強(qiáng)度均大于100MPa，表明本試驗(yàn)?zāi)z凝材料體系及骨料級(jí)配搭配合理，有進(jìn)一步降低成本的空間。綜合來(lái)看，砂率為 40%的 C80 泵送混凝土的工作性能和力學(xué)性能最好。

圖1 不同砂率 C80 泵送混凝土的力學(xué)性能

2.2 不同硅灰摻量對(duì) C80 高強(qiáng)泵送混凝土性能的影響

為了探討不同硅灰摻量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，優(yōu)選出硅灰摻量分別為 4.6%、6.3%、7.8%的三組配方進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 3。

表3 不同硅灰摻量 C80 泵送混凝土的性能

從表 3 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著硅灰摻量的逐漸增大，倒坍落度筒流空時(shí)間變化明顯，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，但坍落度經(jīng)時(shí)損失均比較小。在硅灰摻量為 6.3% 時(shí)，倒坍落度筒流空時(shí)間最短，流動(dòng)性較好。這是因?yàn)?，硅灰為無(wú)定型球狀顆粒，在混凝土中起到“滾珠潤(rùn)滑”作用，可以改善混凝土的和易性，降低粘度，提高流變性能，有利于泵送施工[3]，但當(dāng)硅灰摻量過大時(shí)，超過了其作為火山灰材料的最優(yōu)摻量，超量的硅灰會(huì)增大混凝土的吸水量，反而會(huì)降低了混凝土的流動(dòng)度。

由圖 2 可以看出，三組配合比混凝土的力學(xué)性能均較好，由 7d 的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，當(dāng)硅灰摻量達(dá)到7.8% 時(shí)，混凝土的強(qiáng)度值最大，表明硅灰摻量的增加可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，這是因?yàn)楣杌冶确勖夯摇⒌V粉等摻和料的比表面積大，能夠更好的填充混凝土的微孔隙，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而提高混凝土的早期強(qiáng)度。從試塊 28d 抗壓強(qiáng)度可看出，三組配比抗壓強(qiáng)度均超過 105MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 C80 泵送混凝土的抗壓強(qiáng)度要求，這是因?yàn)殡S著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，硅灰中的無(wú)定形 SiO2和水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，形成更多的水化硅酸鈣，優(yōu)化了混凝土內(nèi)部的孔徑分布，使得結(jié)構(gòu)更加致密，提高了混凝土的強(qiáng)度[4]。綜合來(lái)看，硅灰摻量為 6.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí) C80 泵送混凝土的物理性能、和易性和力學(xué)性能最好。

圖2 不同硅灰摻量 C80 泵送混凝土的力學(xué)性能

2.3 最優(yōu)配比耐久性能試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選出最優(yōu)配合比 G3 組與 G1組進(jìn)行了收縮性能對(duì)比試驗(yàn)，并且通過儀器測(cè)試了 G3組的抗凍性能及其膠凝材料水化熱。

2.3.1 混凝土收縮性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中的非接觸法進(jìn)行測(cè)試，選取配合比 G3 和 G1 的混凝土拌合物澆筑入三組尺寸為100mm×100mm×515mm 的試模內(nèi)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，振動(dòng)成型并抹平，然后立即帶模移入溫度為 (20±2)℃、相對(duì)濕度 (60±5)% 恒溫恒濕室內(nèi)，測(cè)定各齡期的收縮值，列于表 4。圖 3 為試件 G3 和 G1 在不同齡期的收縮值曲線，由圖中的試驗(yàn)結(jié)果可看出兩個(gè)配合比的收縮值均較小，這可能是因?yàn)槎吣z凝材料的水化放熱量和水化放熱速率均比較小的原因。配合比編號(hào)為 G3 的試件比 G1 的收縮值小，這可能是由于 G3 中砂漿、粗骨料和膠凝材料的顆粒級(jí)配相比 G1 搭配更為緊密，從而降低了混凝土的內(nèi)部孔隙率，提高了水泥石和粗細(xì)骨料界面之間的粘接強(qiáng)度，降低了混凝土的收縮應(yīng)力。

表4 C80 混凝土試件的收縮值曲線 ×10-6mm

圖3 C80 泵送混凝土試件的收縮值曲線

2.3.2 膠凝材料水化熱測(cè)試

采用等溫量熱法測(cè)試了該配合比水泥基膠凝體系的水化放熱，試驗(yàn)儀器采用 TAM AIR 8 通道等溫量熱儀，測(cè)試溫度為 20℃。以礦粉、粉煤灰、硅灰復(fù)摻的復(fù)合膠凝體系水化放熱為試驗(yàn)組，試驗(yàn)結(jié)果見圖 4、圖5 和表 5。

圖4 水化放熱量

圖5 水化放熱速率

表5 膠凝體系 72h 水化熱測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖 4、圖 5 與表 5 的數(shù)據(jù)可看出，采用硅灰、礦粉和粉煤灰作為復(fù)合摻合料的膠凝材料 3d 水化熱值相對(duì)較低（161J/g），小于 P·O52.5 水泥的 3d 水化熱值（300J/g 左右），這可能是由于三種礦物摻和料的火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)、形貌效應(yīng)同時(shí)作用使得膠凝材料的水化熱降低[5]。此外，混凝土中摻入粉煤灰能有效降低混凝土的坍落度損失和水化熱，增加密實(shí)度和強(qiáng)度[6]。降低膠凝材料的水化熱有助于提高混凝土硬化過程中的體積收縮、減少有害裂縫的產(chǎn)生。

2.3.3 抗凍性能試驗(yàn)

混凝土的抗凍性是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本試驗(yàn)采用快凍法，采用 G3 配合比成型三組尺寸為100mm×100mm×400mm 的試件，試驗(yàn)結(jié)果見表 6。

表6 C80 泵送混凝土快速凍融試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：C80 高強(qiáng)混凝土中適量摻加礦物質(zhì)摻和料有助于混凝土抗凍性能的提升，且其水膠比小，結(jié)構(gòu)致密，經(jīng) 200 次凍融循環(huán)后其試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量值下降較小，試件外觀完整，表明該混凝土試件的抗凍融性能好。這可能是由于膠凝材料中三種礦物摻和料的火山灰效應(yīng)使得水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2被大量消耗，漿體的強(qiáng)度增加，結(jié)構(gòu)更加致密，從而使抗凍性增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用硅灰、礦粉和粉煤灰作為復(fù)合摻合料，得到了一組最佳配合比，即 m水泥: m砂: m石: m硅粉: m礦粉: m粉煤灰: m減水劑: m水=440:690:1035:40:80:80:15.4:140，混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度為 103.6MPa，為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 1.29 倍，新拌混凝土倒坍落度筒流空時(shí)間為 6s，和易性、可泵性好，達(dá)到 C80高強(qiáng)泵送混凝土的設(shè)計(jì)要求。

（2）在水膠比和膠凝材料總量不變的情況下，通過調(diào)整砂率進(jìn)行三組混凝土的性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：砂率為 40% 的 C80 高強(qiáng)泵送混凝土試件 28 天抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，且工作性好，易于泵送。

（3）在膠凝材料總量和砂率不變的情況下，通過調(diào)整硅灰摻量進(jìn)行三組混凝土的性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：硅灰摻量為 6.3% 的 C80 高強(qiáng)混凝土的綜合性能較優(yōu)，混凝土中適量摻加硅灰有助于試件抗壓強(qiáng)度的提升。

（4）C80 高強(qiáng)泵送混凝土的水膠比小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，具有較低的膠材水化熱，在實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的同時(shí)具有較小的收縮和較優(yōu)的抗凍性。