宁夏地区高性能混凝土研究

王凤仙，朱文涛，熊 芳（.宁夏建筑科学研究院有限公司， 宁夏 银川 7500；.宁夏华盛砼业有限公司，宁夏 银川 750000）

宁夏地区高性能混凝土研究

Strength Control Method of C60 Concrete in Small Mixing Station

王凤仙1，朱文涛2，熊 芳1（1.宁夏建筑科学研究院有限公司， 宁夏 银川 750021；2.宁夏华盛砼业有限公司，宁夏 银川 750000）

C30～C60高性能混凝土是掺加复合矿物掺合料（以矿渣、采矿碎屑、粉煤灰、低品质硅灰等工业废弃物为原料，采用机械活化技术生产而成的混凝土矿物掺合料）、精品机制砂为特色,采用聚羧酸高性能外加剂配制的高性能混凝土。其混凝土拌合物的性能优良，具有良好的施工性能。留置标准养护的试件抗压强度值富余值高。各项耐久性能除抗硫酸盐侵蚀性能外，其他耐久性能均满足要求。

复合掺合料；高性能混凝土；机制砂

本课题研制的 C30～C60 高性能混凝土是掺加复合矿物掺合料(以矿渣、采矿碎屑、粉煤灰、低品质硅灰等工业废弃物为原料，采用机械活化技术生产而成的混凝土矿物掺合料)、精品机制砂为特色，采用聚羧酸高性能外加剂的高性能混凝土，所有原材料均在银川市方圆 100 km 内取得。通过大量试配研究出宁夏本地的高性能混凝土。在耐久性、施工性、体积稳定性和经济性等方面都有很好的保证。这不但对企业的发展有助推作用，而且对整个宁夏的混凝土产业转型发展、资源合理利用以及生态保护均具有重要意义。

1 主要研究内容

高性能混凝土配合比设计须结合工程具体情况，环境分类、结构构件部位及相应的耐久性能要求作为控制目标。

通过前期大量的试配工作，采用聚羧酸高性能减水剂，得到最大水胶比为 0.43，同时找到高性能混凝土最佳浆体用量和最佳用水量，在普通混凝土的基础上，用水量减少15～25 kg/m3；砂率的取值原则与普通混凝土相同；胶凝材料选用普通硅酸盐水泥与复合掺合料，其中复合矿物掺合料最佳掺量比例为总胶凝材料的 30% 左右。

(1) 高性能混凝土首要控制目标以耐久性为主。混凝土耐久性能是指混凝土长期抵抗外部环境作用导致其劣化的能力，主要包括抗冻性能、抗渗性能、抗硫酸盐腐蚀性能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能等。本试验研究的耐久性能主要有碳化试验、抗渗水试验、电通量试验、钢筋锈蚀试验、抗硫酸盐侵蚀试验，同时本试验兼顾了混凝土的长期性能：混凝土收缩试验。

(2) 设计常用 C30、C35、C40、C45、C50、C55以及高强度 C60 高性能混凝土，检测其混凝土拌合物的性能(坍落度、扩展度、和易性)，分析其施工性能的优势。留置标准养护的立方体抗压试件，研究高性能混凝土力学性能的特点。

2 原材料试验和混凝土试验方法

2.1 原材料试验

2.1.1 水泥

研究过程中采用宁夏盛远新型建材有限责任公司生产的P.O42.5 水泥进行试验。水泥试验结果见表 1。

表 1 P·O42.5水泥的基本物理性能

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰由宁夏三力工贸有限公司生产，主要性能指标见表 2，检测结果均能满足 I 级灰的要求。

表 2 粉煤灰的基本物理性能 %

2.1.3 复合矿物掺合料

宁夏盛远新型建材有限责任公司生产的复合矿物掺合料以少量熟料、粒化高炉矿渣、石灰石粉(采矿碎屑)、粉煤灰、低品质硅灰等工业废弃物为原料，采用机械活化技术生产而成的混凝土矿物掺合料。其各项指标见表 3，均能满足国家标准的要求。

表 3 复合矿物掺合料的基本物理性能

2.1.4 硅灰

选用宁夏金富宝公司生产的硅灰，指标见表 4。

表 4 硅灰各项性能指标

2.1.5 粗细集料

采用宁夏盛弘砂石料有限公司碎石，选用 5～10 mm、10～19 mm、19～25 mm 的 3 种单级配，含泥量、针片状颗粒含量、压碎指标符合 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》 和 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》 的要求。 通过多次筛分，从45% 的较小孔隙率中选取表观密度和堆积密度相对较大的4∶4.5∶1.5 比例，作为混凝土试配用粗集料。

选用宁夏盛弘砂石料有限公司生产的机制砂和宁夏关马湖的天然细砂混合后的人工砂，依据机制砂和天然砂的基本性能，将两种砂搭配出 4 种不同比例的混合砂，并进行筛分析。结果选取 9∶1 混合砂作为混凝土试配的细集料。细度模数、亚甲蓝值、含泥量、泥块含量均满足 GB/T 14684—2011《建筑用砂》和 JGJ 52—2006 的要求。

2.1.6 高性能减水剂

采用宁夏盛远新型建材有限责任公司生产的聚羧酸高性能减水剂。此类外加剂具有低氯离子含量、低碱含量、高减水、高保坍、收缩率小等优点。聚羧酸减水剂甲醛含量非常低，是目前最环保的混凝土外加剂，性能如表 5 所示。

表 5 试验所用减水剂参数

2.2 混凝土试验方法

立方体抗压强度按照 GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的立方体抗压强度试验。坍落度和扩展度试验按照 GB/T 50080—2002 《普通混凝土拌合物试验方法标准》中的坍落度筒法测定。抗渗、抗硫酸盐侵蚀、钢筋锈蚀、抗氯离子渗透、碳化及收缩试验按照GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》进行试验。

3 复合掺合料配制高性能混凝土

3.1 混凝土配合比设计

配合比设计是在大量试验的基础上确定的，原则上选用较低水胶比。同水胶比中，以不同比例掺合料，获得最优配合比。配合比数据见表 6。

表 6 C30～C60混凝土配合比

按此配合比进行拌合，观察拌合物的和易性和工作性；测定拌合物的坍落度、扩展度及 1 h 后的坍落度、扩展度，并成型立方体抗压强度标准试块各 10 组，C30 和 C50 同时成型耐久性试验相关试件(抗渗性、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化、电通量、钢筋锈蚀)和收缩试验试件，抗压强度试块每龄期成型两组平行标准试件。拌合物工作性试验结果见表 7。由表 7 可以看出混凝土拌合物粘聚性和保水性都比较好，坍落度 1 h 经时变化量在 20 mm 以内，符合高性能混凝土对混凝土拌合物坍落度 1 h 损失量的要求。扩展度 1 h 经时变化量均在 120 mm 以内，利于现场施工。国内工程混凝土施工经验认为，当混凝土拌和物的坍落度＞180 mm，扩展度＞460 mm 时具有良好的可泵性[1]。

表 7 C30～C60高性能混凝土拌合物性能结果

3.2 力学性能及耐久性能试验结果

3.2.1 高性能混凝土的立方体抗压强度

由表 8 可以看出高性能混凝土立方抗压强度在 7 d 时就已经接近达到设计强度等级，随着龄期的增长，各强度等级混凝土的强度也在稳步的增长。各强度等级混凝土 28 d强度的富余量均能满足设计要求，60 d、90 d 的强度在标准龄期 28 d 的基础上仍在增长。这是由于混凝土中掺入适量的复合掺和料，明显地提高了混凝土的后期强度作用。以C30 和 C50 为例，从图 1 中可以看出 C30、C50 混凝土的强度均能在规定的龄期内达到设计值的要求。

表 8 C30～C60高性能混凝土立方体抗压强度结果

图 1 高性能混凝土各龄期强度达到设计等级百分比

3.2.2 抗渗性研究

抗渗试件具体渗水高度结果见表 9，C30 的渗水高度为 3.8 mm，C50 为 2.7 mm，渗水高度均很小，均未超过 10 mm。两种配比的混凝土均能达到 P12 以上的抗渗等级。这是因为大量的矿物掺和料改变了浆体细颗粒组分，并起填充作用，使硬化后的混凝土结构更加密实，很好地提高了混凝土的抗渗性。

表 9 抗渗试件破型后渗水高度值

3.2.3 抗硫酸盐侵蚀性研究

C30、C50 混凝土成型 5 组抗硫酸盐侵蚀试验试件，在 5% 硫酸钠溶液中进行侵蚀试验，C30、C50 硫酸盐侵蚀循环进行到 90 次时就已经出现酥裂现象，即试验终止，最终得出其抗压强度耐蚀系数分别为 68%、73%。试验现象表明复合掺合料配制的高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀性差。分析原因为复合掺合料中有一定比例的石灰石粉(约20%)，外加配制高性能混凝土的粗细集料主要成分为石灰石，故混凝土中石灰石组分比例高。宋少民等[2]有研究表明，在胶凝材料用量相同时，当掺入适量石灰石粉，混凝土的抗硫酸盐性能受影响不明显，但石灰石粉掺量过大时会降低混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。严军伟等[3]研究也表明随着石灰石粉替代量的增加混凝土对混凝土的抗硫酸盐侵蚀非常不利。C2S2H 在完成水化的水泥净浆中占 50%～60% 的固体体积，它是水泥石强度的主要来源，硫酸盐侵蚀能导致 C2S2H 的分解，C2S2H 的脱钙分解主要是由于混凝土中Ca(OH)2含量减少，pH 值降低，使 C2S2H 凝胶分解，放出 Ca(OH)2以维持混凝土内部的碱度，因而使混凝土丧失了黏结性、强度降低、表面软化[4]。复合掺合料应用于高性能混凝土中，其抗硫酸盐侵蚀性能下降严重，通过研究机理分析石灰石比例高为主要原因，但此处未试验石灰石占混凝土比例为多少时，可保证高性能混凝土的抗硫性能。此项试验有待进一步探讨。

3.2.4 钢筋锈蚀研究

标准养护后试件取出放入碳化试验箱中 28 d，从碳化箱中取出后再标养 56 d，进行破型，对钢筋再进行酸洗、碱洗、烘干、称重，计算钢筋锈蚀失重率，结果见表 10。

表 10 钢筋锈蚀失重率

表 11 J1、J2 各时段电流及电通量试验

从表 10 中可以看出 C30 和 C50 配比混凝土中的钢筋失重率均在 0.5% 以内，钢筋失重率很低。且在试验中从C30、C50 混凝土中取出的钢筋基本无锈蚀，说明高性能混凝土密实性好，在试验周期内钢筋钝化膜没有发生破坏，钢筋保持完好状态。

3.2.5 抗氯离子渗透研究(电通量法)

试件在标准条件下养护 28 d，真空饱和后，进行电通量试验。各时段采集电流、通道电通量及组电通量见表11。由表 11 可以看出掺聚羧酸系高性能减水剂的混凝土的电通量值在 500 C 以内，满足标准 JG/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》 中 Q-Ⅴ 性能等级要求，具有很好的抗氯离子渗透性。

3.2.6 碳化性能研究

从表 12 可以看出 C30、C50 混凝土随着龄期的增加，碳化深度在加大，28 d 时的碳化深度＜ 10 mm，符合JG/T 193—2009 中 T-Ⅳ 性能等级，达到高性能混凝土对碳化性的要求；而 C50 的混凝土 28 d 时碳化深度仅为 1.0 mm，其抗碳化性更优。

表 12 高性能混凝土的碳化深度 mm

3.2.7 收缩性研究

混凝土收缩按 GB/T 50082—2009 中的接触法进行试验，在恒温恒湿室内，温度为(20±2)℃、湿度为(60±5)%的条件下养护。收缩率试验结果见图 2。

图 2 高性能混凝土随龄期收缩的变化

由图 2 中可以看出 C30、C50 混凝土在龄期 180 d 时的收缩率均在 900×10-6范围内，收缩值都不大，而 C50混凝土的收缩率在各龄期内都要比 C30 的高，这是因为高性能混凝土中水泥用量低，整体收缩比例都不大，由于C50 水泥用量比 C30 水泥用量多，所以收缩值相对略高[5]。目前国内外学者对混凝土自收缩的定义、产生机理等并没有达成统一认识，对混凝土自收缩的测定也没有统一标准，但是从形成机理出发，可以认为自收缩是指在恒温、绝湿的条件下，混凝土初凝后因胶凝材料继续水化引起自干燥而造成混凝士宏观体积的减小，且主要以水泥水化的收缩为主。

4 结 语

(1) 掺加复合矿物掺合料对混凝土的和易性、施工性有明显的改善，同时有提高混凝土的后期强度作用。

(2) 复合掺合料配制的 C30、C50 高性能混凝土抗渗等级均大于 P12，具有良好的抗渗性能和良好的抗钢筋锈蚀性能，可用于地下水工钢筋混凝土；电通量值在 500 C以内，抗氯离子渗透性能高；碳化深度＜ 10 mm，C50 碳化深度仅为 1.0 mm，具有优异的抗碳化性能；收缩率均在900×10-6范围内，均能满足现行建筑设计和规范要求。

(3) 由于复合掺合料中掺有大比例的石灰石粉，故抗硫酸盐侵蚀性能不能满足要求。抗硫酸盐侵蚀性能需做进一步研究。

(4) 复合矿物掺合料化学成分具备更多活性，克服单一品种的性能缺陷，在水泥水化过程的碱性环境下，利用它们的超叠加效应，提高了混凝土的综合性能。复合矿物掺合料磨细后需水量正常，大大改善了混凝土的和易性，减少水泥用量，降低混凝土中水化热，具有显著的技术经济效益和环保效益[6]。复合掺合料使用的均为工业副产品和废料，通过一定的工艺磨细、按照适当的比例复合，属绿色建材。

宁夏地区属偏远地区，工程中对于高性能混凝土的需求量不高，应加大宣传，使本地施工企业认识到使用高性能混凝土的益处，将住建部推广的新技术积极推广，大量使用经过二次加工的复合矿物掺合料等绿色建材，使商混企业转型升级、施工技术水平得到提高。

[1] 中国土木工程学会.混凝土工程结构裂缝控制与混凝土新技术新材料交流会论文集[C].2002.

[2] 宋少民,杨柳.石灰石粉石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝土耐久性能的影响[J].土木工程学报，2010(S2):60.

[3] 严军伟,邢婕,等.石灰石粉混凝土及其硫酸盐侵蚀特性综述[J].混凝土,2011(8):70-74.

[4] MANUANTHANAM,M D. JanOlek attackresearch-whithennow.Cemand ConcrRes [J].2001(31):845-851.

[5] JENSEN O.M.Thermodynamic limitation of self-desic-cation [J]. C.C.R,1995,25(1):157-164.

[6] 王冲,蒲心诚.超细矿物掺合料对新拌混凝土的增塑减水机理分析[C]//矿渣微粉作用机理及其关键技术、矿渣微粉研究和应用论文集.上海远东出版社,2003,1(1)：95-99.

TU50

A

1674-814X(2017)03-0070-05

2017-01-25

王凤仙，现供职于宁夏建筑科学研究院有限公司，主要研究方向为绿色建筑材料工作。

作者通信地址：宁夏回族自治区银川市怀远东路201号，邮编：750021。