C100超高强泵送混凝土的配制研究
2020-07-06熊建波邓春林
牟 龙， 于 方， 熊建波， 邓春林
(1. 1510工程建设指挥部， 北京 100036；2. 中交四航工程研究院有限公司 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室， 广东 广州 510230)
0 引言
随着社会的发展，现代建筑逐渐向高层化、大跨度和轻量化迈进，超高强泵送混凝土的应用将成为未来发展的必然趋势。近年来，超高强泵送混凝土已经在超高层建筑、大跨度桥梁等工程中得到了应用[1-5]。超高强泵送混凝土具有较高强度的同时，也具有混凝土黏度大、自收缩大、脆性大、易产生开裂等一系列问题[6-7]。如何配制高可泵性、高体积稳定性的超高强泵送混凝土，是困扰混凝土行业研究工作者和生产者的一大难题。
目前，国内诸多学者对超高强混凝土的配制技术进行了广泛研究。王冲等[8]研究了超高强混凝土的制备及强度基础，并在不剔除粗骨料的情况下，采用普通工艺和常规材料，制得365 d抗压强度为178.3 MPa、坍落度为210 mm的超高强高性能混凝土。王成启等[9]采用超细矿物掺合料进行C100超高强高性能混凝土的配制研究，结果表明超细矿渣粉和粉煤灰微珠可有效改善超高强混凝土的工作性、抗压强度和耐久性。刘洋[10]在国内外多种高强混凝土配合比调研的基础上，开展了基于全计算法的C100超高强混凝土的配制研究，使得C100超高强混凝土的配制方法更合理。李美丹等[11]采用常规材料配制C100超高强混凝土，结果表明通过掺加高效减水剂和复合掺合料，控制水泥用量为550 kg/m3，水胶比为0.22～0.23，能够配制出符合预制混凝土构件的快速蒸汽养护制度的C100超高强混凝土。郑应生等[12]阐述了C100 高强高性能混凝土的配制技术，即使用P·Ⅱ52.5水泥，采取优化复合矿物掺合料和高性能聚羧酸外加剂“双掺”的技术路线，可配制出28 d抗压强度为111.1 MPa、坍落/扩展度为230 mm/660 mm、倒筒时间为17 s、体积稳定性良好的混凝土。路来军等[13]通过原材料和配合比的优化，配制出C100高性能混凝土并成功应用于国家大剧院混凝土工程。宋伟明等[14]采用机制砂和“双掺”技术成功配制出具有重庆地方特色的C80～C100机制砂高性能混凝土。张坤等[15]研究了原料形态及石粉含量对C100 机制砂高强混凝土抗压强度、工作性和收缩性的影响，结果表明配制出的机制砂混凝土具有良好的工作性能与力学性能，石粉对混凝土性能影响较大。综上，目前国内关于超高强混凝土配制的研究主要集中在如何配制出满足目标要求的混凝土，而关于配合比参数对C100超高强泵送混凝土性能影响的研究不多，配合比参数对混凝土性能的影响规律也不明晰，仍需进一步研究。
本文通过系统研究水泥品种、胶凝材料用量、矿物掺合料种类、水胶比和碎石种类等配制参数对混凝土工作性能、抗压强度的影响规律，优选配合比参数，成功配制出黏度低、工作性好的C100超高强泵送混凝土，并应用于工程中。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
本试验研究采用6种水泥、5种掺合料体系、3种碎石类型，原材料的检测结果分别见表1、表2和表3。其他材料的产地及性能指标如下： 细骨料采用广西合浦河砂，2区中砂，细度模数为2.6，含泥量为0.5%； 减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司的聚羧酸高性能减水剂，含固量为30.4%，减水率为30%； 阻锈剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司的阻锈剂，含固量为5.19%； 水采用饮用水。
表1 不同种类水泥的性能
注： A为嘉华P·LH42.5水泥； B为防城港P·O42.5水泥； C为防城港P·O52.5水泥； D为南宁P·Ⅱ 52.5水泥； E为东莞P·Ⅱ 52.5水泥； F为粤秀P·Ⅱ 52.5水泥。下同。*为强度等级42.5 MPa的低热硅酸盐水泥。
表2 矿物掺合料的理化性能
1.2 配制目标与试验方法
参考JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》中关于高强混凝土配制的技术要求，得到配制目标： 28 d抗压强度≥115.0 MPa； 混凝土出机坍落度： 240±20 mm； 扩展度≥500 mm； 5 s≤倒置坍落度筒排空时间≤20 s； 1 h坍落度经时损失≤10 mm； 满足泵送混凝土要求。
表3 不同类型碎石检测结果
注： *漳州玄武岩分为5～10 mm碎石(小石)和10～16 mm碎石(中石)； 文中未指明碎石类型的，均指漳州玄武岩碎石。
采用固定其他参数不变，改变其中一个参数的方式，分别研究水泥品种、胶凝材料用量、掺合料种类和掺量、水胶比以及碎石类型等对混凝土工作性能和抗压强度的影响规律，在满足配制目标的前提下，选择工作性能和抗压强度均最佳的混凝土配合比。
2 试验结果与分析
2.1 水泥品种
固定胶凝材料用量、掺合料用量和水胶比等配合比参数不变，研究水泥品种对混凝土工作性能和抗压强度的影响。混凝土配合比以及混凝土工作性能、抗压强度试验结果分别如表4、表5和图1所示。
表4 不同水泥品种的混凝土配合比
注： a表示减水剂含固量为30.4%； b表示阻锈剂含固量为5.19%。下同。
表5 水泥品种对混凝土性能的影响
图1水泥品种对混凝土抗压强度的影响
Fig. 1 Effect of cement varieties on concrete compressive strength
由表5和图1可知： 配合比参数相同的情况下，采用粤秀P·Ⅱ 52.5水泥配制的混凝土28 d抗压强度最高，但是其工作性能最差，难以满足泵送混凝土的要求； 相比之下，虽然采用南宁P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土28 d抗压强度比采用粤秀P·Ⅱ 52.5水泥时稍低，但其工作性能较优。
为了分析水泥品种对配制C100泵送混凝土工作性能和力学性能的影响机制，采用XRD定量测试6种水泥样品的矿物组成，结果见表6。
表6水泥X射线Rietveld全谱拟合定量结果
Table 6 Quantitative results of cement X-ray Rietveld full spectrum fitting
物相矿物成分/%ABCDEF“C3S
由表6可知： 粤秀P·Ⅱ 52.5水泥的C3A含量最大，嘉华P·LH 42.5水泥的C3A含量最小。在同样配合比情况下，采用粤秀P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土倒筒时间最长(见表5)，而采用嘉华P·LH 42.5水泥的混凝土倒筒时间最短，这是因为水泥中的C3A含量越高，水泥的需水量越大，而水泥标准稠度用水量大小对混凝土的工作性能影响很大。水泥的早期强度与C3S和C3A的含量关系密切，中后期强度与C2S含量有关。C3S和C3A的含量越高，混凝土的早期强度越高； C2S含量越高，混凝土中后期强度越高。所以在3 d和7 d龄期时，采用粤秀P·Ⅱ 52.5水泥的混凝土抗压强度最高，采用嘉华P·LH 42.5水泥的抗压强度最低； 而28 d龄期时二者抗压强度相当。
可见，配制C100超高强泵送混凝土，宜选用标准稠度用水量较低(不宜大于26%)、C3S含量较高(不宜小于60%)、C3A含量较低(不宜大于5%)、比表面积较低(不宜大于350 m2/kg)的水泥。采用本试验所用原材料，在保证工作性能、配合比参数固定的情况下，遵循“强度优先”原则，配制C100超高强泵送混凝土宜优先选择南宁P·Ⅱ 52.5水泥。
2.2 胶凝材料用量
在胶凝材料用量为610～730 kg/m3、碎石类型为玄武岩碎石、掺合料用量为25%、水胶比为0.18～0.24的情况下，对40组标养抗压强度数据进行模糊统计分析，得到胶凝材料用量与混凝土抗压强度的关系如图2所示。
括号中为统计样本数量。
图2胶凝材料用量对混凝土抗压强度的影响
Fig. 2 Effect of total amount of gelling material on compressive strength of concrete
由图2可知，混凝土标养3 d、7 d和28 d抗压强度均随胶凝材料用量的增加呈现先增加后降低的规律。抗压强度在胶凝材料用量为640 kg/m3时达到最大，混凝土标养3、7、28 d抗压强度分别为93.8、106.5、122.6 MPa。
可见，采用本试验所用原材料，在保证工作性能前提下，遵循“强度优先”原则，配制C100超高强泵送混凝土宜优先选择640 kg/m3的胶凝材料用量。
2.3 掺合料种类
固定水泥品种及用量、胶凝材料用量和水胶比等配合比参数不变，采用超细矿粉、硅灰、微珠粉和偏高岭土等矿物掺合料拌制混凝土，研究掺合料种类对混凝土工作性能和抗压强度的影响。混凝土的配合比及试验结果分别见表7和表8。
表7 不同掺合料体系的混凝土配比
注： 1)*表示华润南宁P·Ⅱ52.5水泥； 2)HN9-1为水泥∶掺合料=75∶25； 3)HN11为水泥∶矿粉∶硅灰=75∶15∶10； 4)HN12为水泥∶矿粉∶微珠粉=75∶15∶10； 5)HN13为水泥∶矿粉∶偏高岭土=75∶15∶10； 6)HN14为水泥∶矿粉∶硅灰∶微珠粉=75∶7.5∶7.5∶10。
表8 矿物掺合料对混凝土性能的影响
由表7和表8可知：
1)与苏博特掺合料体系相比，采用“超细矿粉+硅灰”、“超细矿粉+微珠粉”及“超细矿粉+硅灰+微珠粉”的体系，混凝土坍落/扩展度略降低，倒筒时间略延长； 采用“超细矿粉+偏高岭土”的体系，混凝土的扩展度降低较大，倒筒时间也较长。与苏博特掺合料体系相比，掺入超细矿粉、硅灰、微珠粉和偏高岭土的混凝土，3 d和7 d抗压强度均有较大提高，28 d抗压强度则基本持平。
除了HN13外，其他掺合料体系配合比混凝土的抗压强度在3—7 d基本无增长。这可能与使用了超细矿粉(平均粒径小于10 μm)有关： 超细矿粉由于粒径极小，反应活性很高，在早龄期内(3 d)发生了较大的水化反应，而在3—7 d内的水化较少； 同时，由于微珠粉和硅灰在早龄期内(7 d)反应活性不高、水化较少，而偏高岭土颗粒极小(平均粒径1.8 μm)，反应活性较高，所以3—7 d内仍有较大的强度增长。各掺合料体系混凝土的28 d抗压强度基本持平，说明此时决定混凝土抗压强度的因素已经不是掺合料种类和掺量了。
综合来看，采用苏博特掺合料的配合比，虽3 d和7 d强度较低，但28 d强度与其他掺合料体系均相当，且其工作性能均较其他配合比优异。因此，宜优先选择苏博特掺合料进行C100超高强泵送混凝土的配制。
2.4 水胶比
固定胶凝材料用量和水泥品种及用量等配合比参数不变，研究水胶比对混凝土工作性能和抗压强度的影响规律。混凝土的配合比和试验结果分别见表9和表10。
表9不同水胶比下的混凝土配合比
Table 9 Mixing proportion of concrete under different water-to-binder ratios kg/m3
序号水胶比水泥*掺合料砂小石中石用水量减水剂a阻锈剂bHN30.184801606695465469317.688.0HNJ70.2048016066954654611012.808.0HNJ30.2248016066954654612312.208.0SY30.244801606695465461389.768.0
注： *表示华润南宁P·Ⅱ52.5水泥。
表10 水胶比对混凝土性能的影响
由表10可知： 随着水胶比的增大，混凝土工作性能有较大的改善，水胶比为0.20～0.24时，混凝土的倒筒时间均在10 s以内。采用南宁P·Ⅱ 52.5水泥，水胶比为0.18、0.20、0.22、0.24时，28 d标养抗压强度分别为118.8、126.7、117.3、120.6 MPa，呈先增大后减小的趋势。水胶比为0.20时，混凝土的28 d抗压强度最高。
为了进一步说明水胶比与C100超高强泵送混凝土抗压强度之间的关系，在水胶比为0.18～0.24、胶凝材料用量为610～730 kg/m3、掺合料用量为25%的情况下，对42组标养抗压强度数据进行模糊统计分析，得到水胶比与混凝土抗压强度的关系如图3所示。
括号中为统计样本数量。
图3水胶比对混凝土抗压强度的影响
Fig. 3 Effect of water-to-binder ratio on concrete compressive strength
由图3可知： 水胶比为0.18～0.24时，随着水胶比增大，混凝土抗压强度先增大后减小； 水胶比为0.20时，混凝土抗压强度最高，达120 MPa以上。一般情况下，配制C100以上混凝土时水胶比越低强度越高，0.18水胶比配制的混凝土抗压强度小于0.20水胶比配制的混凝土抗压强度，原因是： 较低水胶比时，新拌混凝土黏度大，不易密实成型，影响混凝土致密性，进而影响硬化混凝土抗压强度。因此，在保证混凝土工作性能和抗压强度的前提下，宜优先选用0.20的水胶比配制C100超高强泵送混凝土。
2.5 碎石类型
在水胶比为0.18～0.24、胶凝材料用量为680～700 kg/m3、掺合料用量为25%的情况下，采用模糊统计法对74组标养抗压强度数据进行模糊统计分析，得到碎石类型(惠州花岗岩、文昌玄武岩(见图4)和漳州玄武岩(见图5))与混凝土抗压强度的关系，结果如图6所示。
图4 文昌玄武岩
图5 漳州玄武岩
括号中为统计样本数量。
图6不同碎石类型混凝土的抗压强度
Fig. 6 Compressive strength of different types of gravel concrete
由图6可知： 采用漳州玄武岩配制的混凝土标养3 d、7 d和28 d抗压强度都是最高的。从图7中试件的破坏断面可以发现，漳州玄武岩碎石料粒径规整，且只有少部分碎石被折断或压碎。说明漳州玄武岩混凝土的破坏大多是沿着骨料进行的，这与漳州玄武岩的母岩强度(母岩强度140～260 MPa，平均值229 MPa)较高和碎石粒形较好(见图4和图5)有关。因此，配制C100超高强泵送混凝土宜选用粒形较好、母岩强度较高的反击破碎石。
图7 漳州玄武岩混凝土破坏形态
在以上配合比参数对混凝土工作性能和抗压强度影响研究的基础上，优选出配合比参数，确定了工程混凝土配合比。工程现场采用的C100超高强泵送混凝土配合比见表11。
表11现场使用的C100超高强泵送混凝土配合比
Table 11 Mixing proportion of C100 ultra-high-strength pumping concrete used on site
参数配合比/(kg/m3)质量比水泥4801.00掺合料1600.33砂6731.40小石5～10 mm5501.15中石10～16 mm5501.15减水剂13.440.03阻锈剂8.00.017水110.60.23
其中，水泥为华润(南宁)水泥有限公司的P·Ⅱ 52.5水泥； 掺合料采用江苏苏博特新材料股份有限公司的SBT-HDC(V)UHPC掺合料；细骨料采用北海合浦2区中粗砂，Mx=2.9； 粗骨料采用5～10 mm和10～16 mm漳州玄武岩碎石，母岩强度为140～230 MPa，针状、片状颗粒含量3%； 减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司的PCA-I聚羧酸高性能减水剂； 阻锈剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司的SBT-ZX(V)钢筋混凝土阻锈剂； 水为天然淡水。
利用现场的原材料生产C100超高强泵送混凝土，出机坍落度为250～260 mm、扩展度为570～635 mm、倒筒时间为10～13 s，1 h坍落度无损失，28 d标准养护抗压强度为116.8～136.8 MPa。工程现场混凝土的工作性能测试如图8所示。
(a) 混凝土坍落度测试
(b) 混凝土倒筒时间测试
3 结论与讨论
3.1 结论
1)配制C100超高强泵送混凝土，水泥品种和碎石种类是原材料中2个最关键的影响因素，其性能除满足规范要求外，水泥的性能还应满足低标准稠度用水量(不宜大于26%)、高C3S含量(不宜小于60%)、低C3A含量(不宜大于5%)、低比表面积(不宜大于350 m2/kg)的要求，碎石的性能还应满足高母岩强度(不宜低于140 MPa)、低压碎指标(不宜高于5%)、低针片状含量(不宜高于5%)的要求。
2)C100超高强泵送混凝土的配合比设计应采用绝对体积法计算，并通过优选符合要求且质量稳定的原材料，优选和优化配合比参数，选用适当的外加剂等进行综合设计。混凝土配合比参数： 胶凝材料用量宜为640 kg/m3(不宜大于680 kg/m3)，矿物掺合料掺量宜为25%(宜选用含硅灰的掺合料体系)，水胶比宜为0.20(不宜大于0.24)。
3)利用工程现场材料制备的C100超高强泵送混凝土，总体应用效果良好： 混凝土泵送顺利(出机坍落度为250～260 mm、扩展度为570～635 mm、倒筒时间为10～13 s，1 h坍落度无损失，连续泵送52 h无堵管)，混凝土28 d强度满足设计要求(28 d标准养护抗压强度为116.8～136.8 MPa)，浇筑完成的混凝土结构色泽均匀、外观良好，取得了C100超高强泵送混凝土在海工领域的成功应用。
3.2 讨论
1)C100超高强泵送混凝土由于其胶材用量大，虽采用优质掺合料和高效减水剂，但其黏度仍比普通混凝土大，对泵送机械的损耗较大；因水胶比极低，在施工中混凝土表面极易产生“起壳”现象；因胶材用量大、水胶比低，常常导致混凝土水化热温升高、自收缩大，混凝土的控裂难度极大。后续应进一步研究C100超高强混凝土的体积稳定性和抗裂性能。
2)目前C100超高强高性能混凝土的应用越来越广泛，但随着河砂资源的日益减少，采石场环境保护要求的提高以及电厂、炼钢厂等升级改造等原因，优质砂石和优质矿物掺合料资源日益紧缺，建议进一步研究采用机制砂等人工砂、石灰石粉和偏高岭土等新型矿物掺合料配制C100超高强机制砂自密实混凝土，并研究其超高泵送性能、生产制备工艺、质量评价方法等。
参考文献(References)：
[1] 郭佩玲， 史冬青， 朱新强， 等. C100超高强泵送混凝土在沈阳远吉大厦工程中应用[J]. 混凝土， 2003(7)： 48.
GUO Peiling， SHI Dongqing， ZHU Xinqiang， et al. Application of C100 super-high-strength pumping concrete in Shenyang Yuanji Mansion Project[J]. Concrete， 2003(7)： 48.
[2] 贺文凯， 康立中， 徐欣， 等. 沈阳市皇朝万鑫大厦C100高强混凝土的生产施工[J]. 施工技术， 2005(增刊2)： 73.
HE Wenkai， KANG Lizhong， XU Xin， et al. Preparation and construction of C100 high-strength concrete used in Huangchao Wanxin Mansion in Shenyang[J]. Construction Technology， 2005(S2)： 73.
[3] 龚进. 钢筋混凝土拱桥拱肋内灌C100混凝土施工工艺[J]. 江西建材， 2018(5)： 62.
GONG Jin. Construction technology of C100 concrete in arch rib of reinforced concrete arch bridge[J]. Jiangxi Building Materials， 2018(5)： 62.
[4] 柯科杰， 李伟中， 陶思俭， 等. KJ-JS配制C80-C100 UHPC的试验与在广州西塔等应用[C]//“全国特种混凝土技术及工程应用”学术交流会暨混凝土质量专业委员会年会论文集. 北京： 中国土木工程学会, 2008.
KE Kejie， LI Weizhong， TAO Sijian， et al. KJ-JS preparation of C80-C100 UHPC test and application in Guangzhou West Tower[C]//Proceedings of "National Special Concrete Technology and Engineering Application" Academic Exchange Meeting and Concrete Quality Professional Committee Annual Meeting. Beijing: China Civil Engineering Society, 2008.
[5] 顾国荣. 广州西塔工程C100及C100自密实混凝土配制、生产及其超高泵送技术[J]. 混凝土世界， 2009(7)： 31.
GU Guorong. Introduction to the Guangzhou Xita Project C100 and C100 self compacting concrete preparation, production and its ultra-high pump transportation technology[J]. Concrete World， 2009(7)： 31.
[6] 王方刚. 低粘超高强(C100)混凝土制备及其性能研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2014.
WANG Fanggang. Research on preparation and performance of ultra-high-strength concrete(C100) with low viscosity[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology， 2014.
[7] 孙成辉， 霍亮， 石云兴， 等. 钢纤维对C100超高强混凝土的脆性改善试验研究[J]. 混凝土， 2013(8)： 144.
SUN Chenghui， HUO Liang， SHI Yunxing， et al. Study on brittleness reducing of C100 ultra-high strength concrete by adding steel fiber[J]. Concrete， 2013(8)： 144.
[8] 王冲， 蒲心诚. 超高强混凝土的制备及其强度基础分析[J]. 材料科学与工程学报， 2008， 26(4)： 516.
WANG Chong, PU Xincheng. Preparation and strength fundamental analysis of super high strength concrete[J]. Journal of Materials Science & Engineering， 2008， 26(4)： 516.
[9] 王成启， 刘思楠. C100超高强高性能混凝土配制技术的试验研究[J]. 新型建筑材料， 2018(9)： 52.
WANG Chengqi, LIU Sinan. Experimental study of C100 super high strength and high performance concrete compounding technology[J]. New Building Materials, 2018(9)： 52.
[10] 刘洋. 基于全计算法配制C100高强混凝土抗压强度、工作性研究[D]. 重庆： 重庆交通大学， 2014.
LIU Yang. Based on full calculations preparation C100 high strength concrete strength, work study[D]. Chongqing： Chongqing Jiaotong University, 2014.
[11] 李美丹， 余红发， 杨礼明， 等. C100超高强混凝土配制技术及蒸汽养护特性的研究[C]//全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集. 北京: 中国土木工程学会, 2006.
LI Meidan， YU Hongfa， YANG Liming， et al. Study on preparation technology and steam curing characteristics of C100 ultra-high-strength concrete[C]//Proceedings of National Research and Engineering Application Technology Exchange Conference for High Performance Concrete and Mineral Admixtures. Beijing: China Civil Engineering Society, 2006.
[12] 郑应生， 凌金， 周堂贵， 等. C100高强高性能混凝土的配制技术[J]. 浙江建筑， 2015， 32(11)： 59.
ZHENG Yingsheng， LING Jin， ZHOU Tanggui， et al. Study on the compounding technology of the C100 concrete with high strength and performance[J]. Zhejiang Construction， 2015， 32(11)： 59.
[13] 路来军， 朱效荣， 高兴燕， 等. C100高性能混凝土的研究与应用[J]. 混凝土， 2003(7)： 43.
LU Laijun， ZHU Xiaorong， GAO Xingyan， et al. The research and application of C100 high performance concrete[J]. Concrete， 2003(7)： 43.
[14] 宋伟明， 赵春艳， 贺洪儒. C80～C100机制砂高性能混凝土配制技术[J]. 施工技术， 2012， 41(22)： 26.
SONG Weiming， ZHAO Chunyan， HE Hongru. Production of C80-C100 high performance concrete using machine-made sand[J]. Construction Technology， 2012， 41(22)： 26.
[15] 张坤， 管民生， 杜宏彪. C100高强机制砂混凝土的制备及其性能研究[J]. 混凝土， 2018(4)： 139.
ZHANG Kun， GUAN Minsheng， DU Hongbiao. Preparation and performance of C100 high-strength concrete using manufactured sand[J]. Concrete， 2018(4)： 139.
引用格式：陈子全， 寇昊， 杨文波， 等. 我国西南部山区隧道施工期支护结构力学行为特征案例分析[J]. 隧道建设(中英文)， 2020， 40(6): 800.
CHEN Ziquan, KOU Hao, YANG Wenbo, et al. Cases analysis of mechanical behavior characteristics of tunnel supporting structure in mountainous areas in Southwest China[J]. Tunnel Construction, 2020, 40(6): 800.
