S105级矿粉在超高强混凝土中的应用探索
2014-03-31文蓓蓓
文蓓蓓 高 博
（武汉武新新型建材有限公司，湖北 武汉 430080）
前言
1.1 超高强混凝土的现状及发展
近十年来，高强混凝土特别是超高强混凝土的研究与发展已受到了各国研究机构与工程部门的广泛重视，在美国、日本、挪威及西德已有用抗压强度达到100 MPa左右的超高强混凝土建造桥梁贮油灌及高层建筑的工程实例[1]，特别是挪威已经颁布了有关高强混凝土的标准[2]，而且有关超高强混凝土的原材料、配合比、和易性、强度、收缩、徐变、耐久性及力学行为等各项性能的研究正方兴未艾，取得了可喜的成果。在国内，高强混凝土也开始引起学术界和工程界的重视，1992年6月由中国土木工程学会、混凝土与预应力混凝土学会所属高强混凝土委员会在清华大学组织召开的“高强混凝土及其应用第一届学术讨论会”交流了我国高强混凝土的研究情况，与起步较早的国家相比，我们的研究水平还比较落后，特别是28d的强度多在70MPa～80MPa之间徘徊，100MPa以上的超高强混凝土的应用实例还比较少见。
1.2 超高强混凝土的原材料要求
随着科学技术和建筑业的发展，社会对建筑材料提出更高要求，不仅要满足设计要求、施工可行性，还要遵循可持续发展的战略要求。因而在保证混凝土强度要求的前提下，合理选择优质掺合料，最大限度地降低水泥用量，是改善混凝土诸多技术性能的有效途径，也是高性能混凝土需要重点研究和解决的课题。
目前，硅灰是我国配制超高强混凝土的必用材料之一，对于提高混凝土的早期强度以及耐久性效果明显。但硅灰是一种稀缺资源，价格很高，不利于超高强混凝土的大规模推广应用。而且有研究表明：使用硅灰的超高强混凝土收缩加大，后期强度存在倒缩的现象[3]。
1.3 S105级矿粉性能优势
S105级矿粉是采用生铁冶炼中排除的高温熔渣并经水淬处理后的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨等工艺处理后得到的具有规定细度及颗粒级配并满足相应活性指标要求的粉料，其应用在高强混凝土中能改善混凝土后期强度，减小混凝收缩，并在一定程度上提高混凝土的耐久性[4]，并具有绿色环保特性，符合国家可持续发展战略要求。
矿粉目前在高强混凝土中的应用以S95为主。S105矿粉较S95矿粉活性更高，性能更优良，由于生产工艺等方面原因，应用很少。
本文在分析国外学者对超高强混凝土研究的基础上[5]，结合国内的原材料，利用硅灰的早强特性与矿粉的后期强度增长起到互补作用，通过采用双掺硅灰和矿粉的方法来克服超高强混凝土收缩大，后期强度倒缩[6]，并研究了S105矿粉全取代S95矿粉以及部分取代硅灰对C100超高强混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影响。
2 试验部分
2.1 原材料
水泥：某品牌P.O52.5水泥，其性能见表1；
矿粉：武新S95矿粉；某品牌S105矿粉（球磨），性能见表2；
粉煤灰：武汉阳逻电厂Ι级FA，相关性能见表3；
硅灰：武汉新必达化工有限公司提供的硅灰，比表面积15000m2/kg～20000m2/kg，SiO2含量91%；
砂：巴河河砂，细度模数2.8，含泥量0.3%；
碎石：产地武穴，粒径5mm～25mm，连续级配，压碎值7.5，含泥量0.2%；
减水剂：西卡3301，固含量20%，减水率25%；
水：普通自来水。
2.2 试验方法
（1）混凝土工作性测试：参照普通混凝土拌合物性能试验方法
（2）混凝土强度测试：成型的试块放入标养室进行养护，待达到龄期后，按GB/T50081标准进行抗压强度测试。
（3）混凝土耐久性测试：参照JC/T1086-2008《水泥氯离子扩散系数检验方法》进行，采用NEL氯离子扩散系数测定仪，试件规格Φ100mm×50mm。
2.3 超高强混凝土配合比设计
为研究S105级矿粉在超高强混凝土中的应用情况，在《普通混凝土的配合比设计规程》的基础上，设计了一系列C100混凝土配合比，见表4。
由表4可见：J1是C100基准配合比，矿粉为S95级，硅灰掺量10%；D1为采用 S105级矿粉取代S95级矿粉，硅灰掺量不变；D2~D5为S105级矿粉进一步取代部分硅灰，硅灰掺量从10%降至6%。在此基础上研究S105级矿粉取代S95级矿粉以及部分硅灰对超高强混凝土工作性能、强度、耐久性能的影响。
表1 水泥物理性能
表2 S105矿粉性能
表3 粉煤灰性能
3 试验结果与讨论
3.1 S105级矿粉的应用对C100混凝土工作性能的影响
对于超高强混凝土来说，其工作性的好坏对混凝土的施工质量影响较大。通过新拌混凝土的初始以及1h坍落度/扩展度来表征混凝土的工作性，结果如表5所示。从以上结果可以看出，随着S105级矿粉掺量的增加，硅灰掺量的降低，混凝土的工作性能变化不是很明显，且均有良好的工作性能。
3.2 S105级矿粉的应用对C100混凝土强度的影响
对超高强混凝土而言，抗压强度是决定其强度等级的重要指标。S105级矿粉对C100混凝土抗压强度的影响见表6。从表6可以得出如下结果：
3.2.1 基准配合比设计
从实验结果可知，J1为基准配合比，C100混凝土的3d抗压达90.1MPa，7d抗压强度超过100MPa，28d接近120MPa，说明该配合比能达到C100混凝土设计要求，各项性能良好。
3.2.2 S105级矿粉取代S95级矿粉
与基准混凝土J1相比较，D2可以看出，S105矿粉取代S95矿粉后，无论3d、7d、28d强度均不同程度的提高，其中28d强度提高达5MPa。这是由于S105矿粉较S95矿粉而言活性更高，在混凝土中的微集料填充效应更明显。这也为S105矿粉取代部分硅灰提供了数据支持。
表4 C100混凝土配合比
表5 S105矿粉对C100混凝土工作性的影响
表6 S105级矿粉对C100混凝土强度的影响
3.2.3 S105级矿粉取代硅灰
（1）采用S105级矿粉取代硅灰后，C100混凝土3d强度有所降低。
D2~D5为在D1基础上，用S105级矿粉取代部分硅灰。从表中数据可以看出：采用S105矿粉取代硅灰后，C100混凝土3d强度有所降低，这是因为硅灰比水泥颗粒更小，它在混凝土中主要填充于水泥颗粒之间的空隙，改善了胶结料的级配，将原束缚在其中的水分置换出来，产生了填充效应与微集料效应[7]，置换出的水能和水泥中的有效成分继续反应，增加水泥最终强度，同时，添加硅灰后水泥中CSH凝胶的CaO/SiO2之比值约从1.7下降到了1.3，CaO/SiO2的比值越低，说明SiO2立体网络增密，凝胶有良好的致密性[8]，因此胶结层区域的密度和强度同时得到了提高，从而使材料的整体强度得到了提高，使混凝土强度得到了提高。
（2）采用S105级矿粉取代硅灰后，C100混凝土的7d抗压强度均能达到设计要求。
采用S105矿粉取代部分硅灰后，C100混凝土的3d强度均高于基准混凝土强度（除硅灰掺量为6%，强度89.7MPa略低于基准混凝土强度）；7d抗压强度均达到100MPa，能满足设计要求。这是因为S105矿粉也有填充效应与微集料效应，但是由于矿粉的颗粒细度比硅灰大，置换效应没有硅灰明显，水泥与集料胶结层的孔洞无法完全被填满，所以强度的提高没有硅灰大。
（3）采用S105级矿粉取代硅灰后，C100混凝土的28d抗压强度均超过设计要求。
从28d抗压强度结果来看，即使硅灰掺量从10%降至6%，C100混凝土的强度也超过110MPa，能满足应用要求。这是因为矿粉是具有活性效应的掺合料，在混凝土中可与水泥水化后的水化产物产生二次水化，活性SiO2和Al2O3与水泥熟料水化析出的Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，促进混凝土后期强度增长[9]。
（4）在硅灰掺量为7%，硅灰掺量下降到7%时，其强度综合性能最好。这是因为掺用S105级矿粉的混凝土强度与基准混凝土接近。
3.3 S105矿粉的应用对C100混凝土耐久性的影响
高性能混凝土不仅要求有高强度，还要求具有良好的耐久性。S105矿粉取代部分硅灰对混凝土耐久性的影响通过测试混凝土的氯离子扩散系数来表征，结果见表7。
混凝土耐久性参照《GB/T 50082-2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，采用NEL氯离子扩散系数测定仪，结果表明适量S105矿粉取代硅灰对C100混凝土的氯离子渗透系数无不利的影响，也即对混凝土的耐久性影响不大。
4 S105矿粉在超高强混凝土中应用的经济效益分析
以C100为例，使用S105矿粉，硅灰掺量可降至7%，单方可减少硅灰用量20kg，武汉市场硅灰价格在1800元/吨，目前可每方节约硅灰成本20×1.8=36.0元；假设S105矿粉较S95矿粉售价增加200元/t（实际达不到这么多），根据本文配比，矿粉成本增加80×0.2=16.0元，差价为36.0-16.0=20.0元。按照未来混凝土搅拌站超高强混凝土C100年方量为10万方，则可节约20.0×10万=200万元。从经济效益角度分析，可产生明显的经济效益。
表7 S105矿粉对C100混凝土氯离子渗透系数的影响
结论
根据以上结果，可以得到出以下结论：
（1）掺入S105级矿粉，超高强混凝土的工作性能良好且稳定；
（2）用S105级矿粉取代部分硅灰，超高强混凝土物理性能均能达到设计强度要求，且当硅灰掺量降为7%时，其强度及综合性能最好；
（3）掺S105级矿粉可以实现超高强混凝土具有优异的耐久性能；
（4）硅灰价格昂贵，采用S105级矿粉取代部分硅灰，可以降低成本，产生可观的经济效益；
（5）采用S105级矿粉是利用工业废料，保护环境，符合国家可持续发展的战略要求。
[1] FIP--CEB Working GrouP,High Strength Conerete , astate of the artre Port ,1990.
[2] Norwegian Standard NS 3473,AusgabeNov.1989 .
[3] 超高强高性能混凝土配合比设计方法，焦楚杰， 周云， 程从密， 张文华（1671-4229 （2009） 04-0078-05，广州大学学报.
[4] 矿渣粉在高性能混凝土中的试验研究，盖永丰，戴民，张敬会，混凝土，2005年第7期（总第189期）Number 7 in 2005（ Total No.189）.
[5] 超高强高性能混凝土， 蒲心诚. 重庆: 重庆大学出版社，2004.
[6] 微米级超细矿渣粉与硅灰性能对比研究，郭永智，李培彦，李秋义，济南鲁新新型建材有限公司，山东青岛大学，混凝土，2008年第十期（总第228期）Number 10 in 2008（Total No.228）。
[7] Pratt C J. Use o f permeable,reservoir pavement constructions for storm water treatment and storage for reuse [ J]. Water Science and Technology,1999,39（ 5） : 145-151.
[8] 硅灰在混凝土中的作用，杨玉喜，刘学扩，黑龙江交通科技，2007（6）: 51-52
[9] 磨细矿粉对高强大体积混凝土性能的影响，肖历文. 理与技术，2006（2）: 7-11.
