不同掺合料对C80机制砂混凝土性能的改善效果分析

杨海成，陈志强，陈灿，范志宏

（1.水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州510230；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州510000）

0 前言

高强高性能混凝土由于强度高、刚度大、耐久性好等优点，广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等现代工程结构，是现代混凝土技术发展的重要方向。高强混凝土的制备技术与普通混凝土有所不同，如原材料选取、配合比设计、施工性能要求等方面[1-2]。当前采用普通河砂制备高强混凝土已经具备较为成熟的工程经验，相关研究成果也在广州新电视塔及东塔、天津高银117大厦等工程中得到广泛应用[3-4]。鉴于我国河砂资源逐渐匮乏，机制砂已成为工程建设制备混凝土的原材料[5-6]。机制砂骨料由于颗粒形貌粗糙、含有一定数量小于0.075 mm的石粉等因素影响，使得机制砂高强混凝土的制备技术与河砂具有一定的差异[7]，造成机制砂高强混凝土的黏度大、施工性能不良、泵送过程易堵管等技术问题，而活性掺合料具有改善混凝土的工作性、力学性能、耐久性等突出优点，成为高性能混凝土重要的组分之一。此外，随着混凝土技术的发展，石灰石粉、微珠粉等新型活性掺合料的试验研究与工程应用不断深化，在河砂高强混凝土、超高强混凝土等制备技术方面已开展了理论研究与工程实践[8－10]，为推动新型活性掺合料的规模化应用积累了一定的经验，但在机制砂高强高性能混凝土技术方面尚缺乏系统研究。为此，有必要开展粉煤灰、石灰石粉、微珠粉、硅灰等活性掺合料对机制砂高强高性能混凝土性能的影响研究，通过活性掺合料对机制砂高强混凝土性能的改进，以提升机制砂高强混凝土的施工性能、力学性能及耐久性，为机制砂高强高性能混凝土的推广应用提供技术参考。

1 试验

1.1 原材料与混凝土配合比

水泥：越秀P·Ⅱ52.5水泥，物理力学性能见表1；国电谏壁电厂Ⅰ级粉煤灰和S95级矿粉，性能指标见表2，其中水泥和粉煤灰的细度均采用45 μm方孔筛筛余；硅灰：比表面积（BET法）为18 m2/g，SiO2含量为90.9%，7 d活性指数为96%；石灰石粉：细度（45 μm方孔筛筛余）14.5%，碳酸钙含量99.1%，7 d活性指数67%，流动度比84%；微珠粉：流动度比为102%，烧失量为2.1%。机制砂：采用花岗岩干法生产，细度模数为2.8，石粉含量为4.5%，MB值为0.5，吸水率0.5%。粗骨料：花岗岩碎石，采用5～10 mm小石与10～20 mm大石按照4∶6比例复配使用。减水剂：粉状高效聚羧酸减水剂。

表1 水泥的物理力学性能

表2 粉煤灰和矿粉的性能指标

C80机制砂高强高性能混凝土配合比见表3，胶凝材料总量为550 kg/m3，水胶比为0.26，配合比考虑了不同胶凝材料体系，其中A1为纯水泥体系，A2为10%粉煤灰+25%矿粉双掺，A3为15%粉煤灰+20%矿粉+5%硅灰混掺，A4为20%矿粉+5%硅灰+5%微珠粉混掺，A5和A6分别为25%矿粉+5%硅灰+8%石灰石粉及25%矿粉+5%硅灰+13%石灰石粉混掺。

表3 机制砂C80混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验测试

按照表3配合比成型混凝土，参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试新拌混凝土坍落度、扩展度及倒置坍落度筒排空时间；成型的混凝土试件，标准养护7 d和28 d后参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试抗压强度、劈裂抗裂强度、轴心抗压强度及弹性模量；参照GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土的抗氯离子渗透性。

2 试验结果与分析

2.1 活性掺合料对C80机制砂混凝土工作性的影响

新拌混凝土的工作性见表4及图1，为保证C80机制砂混凝土良好的施工性能，根据JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》对泵送混凝土的技术要求：新拌混凝土坍落度≥220 mm、扩展度≥500 mm、倒置坍落度筒排空时间为5～20 s。

表4 掺合料对C80机制砂混凝土工作性的影响

由表4、图1可知，除A1采用纯水泥的配合比的倒置坍落度筒排空时间偏长外，其他5个胶凝材料体系的配合比均满足JGJ/T 281—2012要求，且A1配合比的工作性一般，尤其包裹性和流动性比其他5个配合比差，说明活性掺合料可改善高强混凝土的和易性。不同胶凝材料体系对新拌混凝土性能的影响也有一定的差异，采用8%～13%的石灰石粉与25%矿渣粉和5%硅灰混掺后（A5、A6），可显著改善C80机制砂混凝土的工作性，且由于石灰石粉良好的形态效应，有效减少了新拌混凝土所需的外加剂用量，具有显著的减水作用，同时由于石灰石粉良好的颗粒效应，可填充水泥、矿渣粉、硅灰之间的颗粒空隙，有效提高新拌混凝土的包裹性和抗离析性能[11－12]，可有效解决C80高强机制砂混凝土黏度大不利于远距离泵送的技术难题。微珠粉主要通过优质粉煤灰精选出的一种超细粉体产品，理论上可较好地改善新拌混凝土的工作性，但相比采用石灰石粉体系其作用并不显著，可能与微珠粉的掺量比较低有关。

图1 新拌混凝土的工作性

2.2 活性掺合料对C80机制砂混凝土力学性能的影响（见表5）

表5 掺合料对C80机制砂混凝土力学性能的影响

由表5可见，C80机制砂高强混凝土的抗压强度早期发展较快，不同配合比混凝土7 d抗压强度达到了28 d抗压强度的85%以上，并且采用纯水泥的机制砂高强混凝土A1早期抗压强度发展更快，7 d抗压强度已达到83.6 MPa，为28 d抗压强度的96%；从混凝土28 d抗压强度来看，采用粉煤灰与矿渣粉复掺及粉煤灰与矿渣粉、硅灰混掺的A2、A3的抗压强度比较低，28 d抗压强度仅分别为80.5、83.7 MPa，这主要是由于粉煤灰的早期水化反应较慢所致。当石灰石粉掺量≤13%时，通过石灰石粉与矿渣粉、硅灰混掺的方式并不会降低混凝土的抗压强度，当13%石灰石粉与矿渣粉、硅灰混掺时（A6），混凝土的28 d抗压强度最高。

C80机制砂高强混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗裂强度等力学性能同样早期发展较快，不同配合比混凝土7 d轴心抗压强度、劈裂抗裂强度基本达到了28 d强度的80%以上。此外，采用纯水泥的高强混凝土早期抗压强度发展更快，与抗压强度发展趋势一致。不同掺合料体系对高强机制砂混凝土28 d劈裂抗裂强度总体影响并不显著，基本位于5.4～5.6 MPa。另外，不同掺合料体系配合比的混凝土28 d弹性模量均较高，均高于4.1 GPa。

2.3 机制砂高强混凝土不同力学性能之间的关系

机制砂高强混凝土抗压强度与劈裂抗裂强度的关系见图2，并依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》给出了劈裂抗拉强度与抗压强度的关系，见式（1）。

图2 机制砂高强混凝土抗压强度与劈裂抗裂强度的关系

机制砂高强混凝土的劈裂抗裂强度与抗压强度的比值为0.061～0.071，均值为0.065，而根据式（1）计算的抗压强度为70～90 MPa高强混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值为0.062～0.066。本文采用机制砂制备的高强高性能混凝土的实测值稍高于GB 50010—2010计算值，但总体差别并不显著，说明机制砂高强混凝土的脆性并没有发生显著变化。

机制砂高强混凝土抗压强度与轴心抗压强度的关系见图3，机制砂高强混凝土的轴心抗压强度与抗压强度的比值为0.88。对比了GB 50010—2010给出的轴心抗压强度与抗压强度的关系，见式（2），式中对C50及以下普通混凝土取0.76，对C80高强混凝土取0.82，中间按线性插值；对C40以上的混凝土取1.00，对C80高强混凝土取0.87，中间按线性插值。

图3 机制砂高强混凝土抗压强度与轴心抗压强度的关系

根据式（2）计算的抗压强度为60～80 MPa，混凝土轴心抗压强度与抗压强度的比值为0.71～0.73，要显著低于本试验的实测值。因此，当采用机制砂高强混凝土开展混凝土结构设计时，应该考虑与普通河砂高强混凝土的差异。

机制砂高强混凝土抗压强度与弹性模量的关系见图4，GB 50010—2010给出的弹性模量与抗压强度的关系见式（3），并根据式（3）计算了抗压强度与弹性模量的关系曲线。

图4 机制砂高强混凝土抗压强度与弹性模量的关系

由图4可知，机制砂混凝土抗压强度与弹性模量的散点图位于GB 50010—2010拟合的曲线上方，根据式（3）计算的抗压强度为80～90 MPa，混凝土弹性模量为3.80～3.88 GPa，而机制砂高强混凝土的实测值为4.12～4.59 GPa。说明采用机制砂制备的高强混凝土弹性模量要优于普通河砂混凝土，该结论与文献[2]研究基本一致。基于以上分析可知，机制砂制备的C80高强高性能混凝土的力学性能要优于河砂混凝土。

2.4 活性掺合料对C80机制砂混凝土抗氯离子渗透性的影响（见表6）

表6 掺合料对C80机制砂高强混凝土氯离子扩散系数的影响

由表6可知，活性掺合料可显著降低C80机制砂高强混凝土的氯离子扩散系数，提高机制砂高强混凝土的抗氯离子侵蚀性能，并且不同活性掺合料体系对提升高强混凝土抗氯离子侵蚀性能的作用效果有所不同。相比纯水泥高强混凝土A1，粉煤灰与矿渣粉复掺的A2混凝土7 d和28 d氯离子扩散系数有所降低，但7 d龄期时氯离子扩散系数的降低幅度并不显著。其主要是由于粉煤灰、矿渣粉的早期活性较低，但随龄期的延长、水泥水化进程的推进，水泥水化产物CH与粉煤灰、矿渣粉中钙硅铝相发生二次水化反应，进而提高混凝土基体的密实度和抗氯离子渗透性[13]。当采用硅灰与粉煤灰、矿渣粉混掺时，由于硅灰早期火山灰活性较高，不仅可显著降低混凝土28 d氯离子扩散系数，且对7 d早龄期的抗氯离子渗透性有较好的提升作用。相比A3配合比，采用粉煤灰微珠替换Ⅰ级粉煤灰的A4配合比，混凝土7 d和28 d抗氯离子渗透性均有所降低。其主要是由于粉煤灰微珠是一种新型超细玻璃珠材料，是从优质粉煤灰中提取的以球形玻璃体为主的颗粒，平均粒径仅为几微米，火山灰活性高、需水量小、颗粒填充与分散作用显著，对提升高强、超高强混凝土的工作性和耐久性具有较好的作用[14]。相比粉煤灰微珠与矿渣粉和硅灰混掺的配合比A4，采用石灰石粉与矿渣粉和硅灰混掺可进一步降低机制砂高强高性能混凝土的抗氯离子侵蚀性能，当石灰石粉掺量为13%时，混凝土7 d和28 d氯离子扩散系数仅为3.74×10－12m2/s、1.56×10－12m2/s，比A4配合比分别降低了19%、14%，比纯水泥混凝土A1分别降低了39%、62%。其主要是由于石灰石粉表面具有特殊的表面结构，能够作为C－SH沉淀生成的晶核，有助于C－S－H的生长，对于胶凝材料用量大、水胶比低的高强混凝土，水泥、硅灰等胶凝材料的水化程度较低，大量未水化的水泥熟料、硅灰颗粒等仅作为填充材料，造成极大的浪费。而石灰石粉作为惰性材料，基本不与胶凝材料水化产物发生反应，但其在混凝土中可起到颗粒填充效应和形态效应。石灰石粉颗粒的填充效应不仅填充了水泥－矿渣粉－硅灰之间的空隙，也促进了水泥的分散、稀释了水泥的含量，提高了混凝土的有效水灰比，促进了水泥的水化程度，进而可提高混凝土早期强度和耐久性。因此，结合前文的分析，说明石灰石粉与矿渣粉和硅灰混掺的胶凝材料体系可显著改善机制砂高强高性能混凝土的工作性、力学性能及长期耐久性，是提升机制砂高强高性能混凝土性能的重要技术途径。

3 结论

（1）采用10%粉煤灰+25%矿粉、15%粉煤灰+20%矿粉+5%硅灰、20%矿粉+5%硅灰+5%微珠粉、25%矿粉+5%硅灰+8%石灰石粉及25%矿粉+5%硅灰+13%石灰石粉等活性掺合料混掺，均可改善C80机制砂高强混凝土的工作性，显著降低机制砂混凝土的氯离子扩散系数，且8%～13%的石灰石粉+25%矿粉+5%硅灰的混掺体系改善效果更优，混凝土28 d氯离子扩散系数小于2.0×10－12m2/s。

（2）C80机制砂高强高性能混凝土的力学性能早期发展较快，混凝土7 d抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗裂强度等达到了28 d龄期的80%以上。机制砂高强高性能混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值为0.065，基本与GB 50010—2010计算值一致，机制砂高强混凝土的脆性并没有显著变化。机制砂高强混凝土的轴心抗压强度与抗压强度的比值为0.88，要显著高于GB 50010—2010的计算值，且机制砂高强混凝土具有较高的弹性模量，28 d弹性模量达4.1 GPa以上。

（3）采用8%～13%的石灰石粉+25%矿粉+5%硅灰混掺的胶凝材料体系可显著改善机制砂高强高性能混凝土的工作性、力学性能及长期耐久性，是提升机制砂高强高性能混凝土性能的重要技术途径。