陳社生，黃沛增，潘榮國，王寶卿，黃興亮，斯方海

（陜西省建筑科學研究院，陜西  西安  710082）

Utilizing Materials in Shanxi to Prepare C90 High Strength and High Performance Concrete

Chen Shesheng，Huang Peizeng，Pan Rongguo Wang Baoqing，Huang Xingliang，Si Fanghai

（Shanxi Provincial Academy of Building Research, Xi’an Shanxi 710082, China ）

    隨著社會經濟和生產力的高速發展，帶來物質文明高度發達，混凝土已逐漸成為人類社會、經濟、文化、生活的基礎。混凝土是以水泥為主要膠凝材料的建筑材料，水泥生產歷來是一種污染源，在其制造過程中，原生資源耗量大，廢氣、粉塵排放量大，水泥的生產對環境的惡化已造成不可低估的影響。如何解決建設發展對混凝土的需求和環境保護需限制水泥生產的這對矛盾，需要我們進行深入地思考。發展應用綠色混凝土將是解決這矛盾一個途徑，而高強高性能混凝土又是綠色混凝土發展的主要方向。這是由于高強高性能混凝土能有效地減輕結構自重，這樣就可大幅度減少水泥和混凝土用量，增加建筑使用面積和縮短施工工期，帶來了明顯的經濟效益。高強高性能混凝土能大幅度地提高混凝土的耐久性，降低建筑物的維修費用和增長使用壽命。同時應用高強高性能混凝土還能使工程的材料用量及建筑成本將大量減少，生產、運輸和施工能耗也將大量降低，減小對環境的破壞。

 

    研究高強高性能混凝土技術途徑就是要嚴格篩選控制原材料，盡量降低混凝土內部的缺陷（如大孔、弱界面、弱體相等結構缺陷）。混凝土是非勻質材料，硬化的混凝土由集料、水泥漿體和界面過渡區三個重要環節組成。這三個節環環相扣，任何一個環節出現問題，則必然影響混凝土的總體性能。

    水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，選擇優質的水泥對高強混凝土的配制非常重要。經過初期的篩選試驗，優選的冀東P.O52.5R水泥來配制C90高強高性能混凝土，冀東P.O52.5R水泥28d抗壓強度達到63.4MPa。

 

    對集料總的要求是巖石強度盡量高、粒形和級配盡可能好，集料與水泥漿體最好能產生化學或物理嚙合。本試驗采用陜西涇陽石灰石碎石，粒徑分別為0～5mm、5～20mm，該產地巖石抗壓強度在120～140MPa之間。細集料選用西安灞河的中砂，細度模數2.6，為Ⅱ 區砂。

 

    主要解決配制高強混凝土要求低水膠比、低用水量與工作性之間的矛盾。本試驗中選擇了SNF型萘系高效減水劑與XC型聚羧酸系高效減水劑，減水率均在25%以上，外加劑與水泥具有良好的適應性，水泥漿體均無出現離析、泌水或閃凝現象。

 

    加入混凝土中可改善混凝土內部的應力狀態，提高混凝土的抗裂能力；另一方面水化生成的鈣礬石晶體能填充、堵塞混凝土的毛細孔，改善混凝土的孔結構。本試驗選用HCSA型膨脹劑。

 

    利用礦物摻合料的形態、微集料、火山灰活性三項效應，使混凝土強度、密實度和工作性得到改進，增加粒子密集堆積，減低孔隙率，改善孔結構，對抵抗侵蝕和延緩性能退化等都有較大作用。試驗中選用三種礦物摻合料：寶雞二電廠Ⅰ級粉煤灰，S95型礦渣粉，埃肯硅灰。

 

    高強高性能混凝土是一種多組分復合材料，各組分性能的疊加甚至超疊加效應表現得十分明顯。因此，選用兩種或兩種以上礦物摻合料和外加劑同時摻入混凝土，可以進一步改進混凝土性能，還可能取得某種特殊性能。

 

    在完成原材料篩選和性能檢驗基礎上，從水膠比、水泥用量、減水劑選擇摻量、摻合料復摻比例、硅灰摻量等方面考慮，進行了大量混凝土配制試驗。配制混凝土時用水量根據混凝土拌合性能來確定，要達到泵送要求。表3.1選取部分代表性數據進行說明。

表3.1 C90高強高性能混凝土配合比

編號	水膠比	水	水泥	砂	石	粉煤灰	礦渣粉	硅灰	膨脹劑	聚羧酸/萘系*
K-3	0.24	136.7	385	646	1149	110	55	/	23.1	7.15
K-4	0.25	143.3	385	646	1149	110	55	/	23.1	17.2*
K-12	0.22	140	450	754	999	150	/	/	27	8.15
K-14	0.23	145.3	450	754	999	60	90	/	27	8.15
K-15	0.23	146.7	450	754	999	/	150	/	27	8.15
K-21	0.22	140	450	701	1052	90	60	/	27	6.27
K-23-1	0.21	140	480	700	/	1050	90	60	30	8.58
K-23-2	0.19	127.5	480	700	/	1050	90	60	30	25.74
K-25	0.21	142	480	700	1050	90	60	12.9	30	8.58
K-28	0.21	152	480	700	1050	90	60	54.8	30	8.58

    注：①“/”表示該摻量為零；②表中將膨脹劑歸入膠凝材料組分計算；③“*”代表摻的是萘系高效減水劑，同一列內其余的都是摻聚羧酸高效減水劑。

 

    混凝土結構耐久性是基于材料耐久性的進一步深化。混凝土結構在自然環境和使用條件下，隨著時間的推移，材料逐漸老化和結構性能不斷劣化，出現損傷甚至損壞，繼而影響建筑結構的使用功能和承載力下降，最終影響整個結構的安全。

 

    課題組在混凝土配制強度達到C90基礎上，進行了大量耐久性試驗研究（抗凍性、抗碳化性、抗滲性、抗裂性等），以確定所研制混凝土的耐久性能情況。

 

表4.1 C90高強高性能混凝土拌合性能和強度

編號	擴展度/mm	坍落度/mm	R3/MPa	R7/MPa	R28/MPa	R56、R60*/MPa
K-3	240	640	55.4	76.2	80.4	/
K-4	265	570	52.3	68.1	76.6	/
K-12	260	660	61.6	77.4	87.1	/
K-14	260	610	66.0	81.7	89.3	/
K-15	250	620	71.6	79.5	86.5	/
K-21	245	600	70.9	77.0	89.5	91.7
K-23-1	260	650	71.9	81.2	92.6	99.5
K-23-2	265	670	68.2	81.1	86.9	95.0
K-25	255	630	71.5	88.1	100.8	109.3*
K-28	200	510	68.2	82.6	90.8	97.2*

    注：“*”代表60天齡期抗壓強度。

    由圖4.1可知，應用通用的工藝配制C90強度等級混凝土，膠凝材料用量要達到一定量，特別是水泥的用量要適宜（水泥用量≥480kg/m³；《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2002規定的高強混凝土的水泥用量不應大于550 kg/m³）。

 

    由于粉煤灰與礦渣粉效應互相疊加，從圖4.2可以看出，復摻摻合料的混凝土后期強度要明顯高于單摻，礦渣粉對混凝土早期強度發展作用優于粉煤灰。通過試驗得出粉煤灰與礦渣粉最佳摻量是60kg/m³、90kg/m³。

 

    編號K-4為萘系高效減水劑的最佳摻量，從圖4.3可看出，聚羧酸高效減水劑性能明顯萘系。聚羧酸高效減水劑摻量對混凝土性能作用顯著，摻量少達不到減水效果，無法降低水膠比；摻量過大混凝土出現趴底、泌水，對強度發展也不利；最終確定最佳摻量為1.3%（占膠凝材料）。

 

    硅灰的超微粉作用顯著，摻適量的硅灰能較大提高混凝土的抗壓強度。但由于硅灰的需水量大，當硅灰摻量大于6%時，混凝土的拌合性能明顯變差，強度相對于未摻硅灰的混凝土略有下降。