大流动性混凝土配合比优化及微结构表征*

2021-05-07黎梦圆曹丰泽阎培渝周予启张一擎李洪海

工业建筑 2021年1期

黎梦圆曹丰泽阎培渝周予启, 张一擎李洪海

(1.清华大学土木工程系, 北京 100084； 2.中建一局集团建设发展有限公司, 北京 100102)

一般情况下，矿物外加剂比普通硅酸盐水泥便宜，适当使用矿物外加剂不仅可以降低工程成本，还可以改善新拌混凝土的工作性能和耐久性[1-2]。与此相关的研究很多，比如Jiao等综述了多种不同的矿物外加剂对新拌混凝土流动性能的影响[3];Vivek等研究了多种矿物外加剂对自密实混凝土耐久性的影响[4]。

某建筑工程处于非洲亚热带沙漠地区，砂石资源充足且质量稳定。目前使用的大流动性混凝土的性能可以满足工程要求，但所用矿渣硅酸盐水泥和硅灰等原料需要进口，其购置成本数倍于当地所产的普通硅酸盐水泥。针对此工程的具体问题，无法直接利用已有的矿物外加剂的研究成果来解决，需具体问题具体分析。在保证工程质量的条件下，为降低原材料成本，探究利用普通硅酸盐水泥制备大流动性混凝土的可行性。

1 原材料和试验方法

目前配制混凝土用的胶凝材料为矿渣含量50%的矿渣硅酸盐水泥(PSC)与硅灰(SF)，计划改用成本低廉的普通硅酸盐水泥(OPC)。这三种胶凝材料的X射线荧光谱分析(XRF)的结果如表1所示。可见，与矿渣硅酸盐水泥+硅灰的复合胶凝体系相比，普通硅酸盐水泥的钙硅比更高。一般地，高钙硅比的水化硅酸钙(C-S-H)具有相对粗大的孔结构，这对混凝土的强度和耐久性不利[5-6]。改用普通硅酸盐水泥拌和混凝土应适当采用降低水胶比、提高浆骨比等措施以确保混凝土的强度和耐久性。

表1 三种胶凝材料的XRF化学分析结果Table 1 Chemical composition of three cementitious materials analyzed by XRF %

三种胶凝材料的X射线衍射分析(XRD)的结果如图1所示。从图中峰的相对强弱[7]可知，普通硅酸盐水泥中硅酸三钙(C3S)的含量高于矿渣硅酸盐水泥。

1—C3S; 2—C2S; 3—C3A; 4—C4AF。图1 三种胶凝材料的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of three cementitious materials

两种水泥的颗粒粒径分析结果如图2所示。普通硅酸盐水泥的平均颗粒粒径高于矿渣硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥的比表面积小于矿渣硅酸盐水泥[8-9]。硅灰的比表面积为23 136 m2/kg。

图2 两种水泥的颗粒粒径分布Fig.2 Particle-size distribution of two kinds of cement

混凝土的配合比如表2所示，其中C1和C2为工程目前使用的掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土(对照组)，CC1和CC2是经多次探索后计划替代C1和C2的普通硅酸盐水泥混凝土(试验组)。细骨料为粒径范围不大于4.75 mm的当地天然砂，粗骨料为两种不同粒径范围的白云石。外加剂LXL3888和C315均为缓凝型聚羧酸减水剂。与对照组相比，试验组的混凝土适当降低了水胶比，提高了浆骨比，提高了粗骨料中较小粒径骨料所占比例，调整了外加剂的种类和掺量。按不同的试验要求制样后，进行新拌混凝土扩展度测试和硬化混凝土的强度测试，图3显示的是在工地实验室进行的混凝土扩展度测试。混凝土的拌制和养护均在标准条件下进行。

表2 混凝土的配合比Table 2 Proportions of concrete mix kg/m3

颗径1的粗骨料颗径范围在4.75～12.50 mm;颗径2的粗骨料颗径范围在9.25～25.00 mm。

图3 新拌混凝土的扩展度测试Fig.3 Testing for slump flow of fresh concrete

制备了相应的净浆，配合比如表3所示。其中P1与P2为对照组，PP1与PP2为试验组。按不同的试验要求制样后，进行浆体的水化热、微观形貌和孔隙特征分析。

表3 净浆的配合比Table 3 Proportions of paste mix %

2 试验结果和分析

2.1 新拌混凝土的扩展度

4组混凝土拌和后5,180 min的扩展度如图4所示。掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土(C1、C2)与普通硅酸盐水泥混凝土(CC1、CC2)在拌和后5 min的扩展度均大于600 mm，且均无明显的泌水离析现象。工程要求施工用的混凝土扩展度不低于600 mm，4组大流动性混凝土均满足拌和后混凝土初始工作性的基本要求。混凝土C1在拌和后180 min的扩展度明显低于600 mm，说明C1的保坍性能不良，未能满足工程对混凝土新拌性能的要求。相比之下，CC1和CC2的180 min的扩展度维持在600 mm以上，说明两组普通硅酸盐水泥混凝土均有良好的保坍性能，满足工程对混凝土新拌性能的要求。

图4 新拌混凝土的扩展度Fig.4 Slump flow of fresh concrete

2.2 混凝土的抗压强度

4组混凝土在经过3，7，28 d养护后的抗压强度如图5所示。相同龄期时，CC1的抗压强度均高于C1，CC2的抗压强度均高于C2，说明两组普通硅酸盐水泥混凝土的强度能够满足工程需求。

图5 混凝土的抗压强度Fig.5 Compressive strength of concrete

经3 d养护后，CC1的抗压强度比C1高69.0%，CC2的抗压强度比C2高91.4%，说明两组普通硅酸盐水泥混凝土比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土的早强性能更好。可能有两方面原因：其一，普通硅酸盐水泥的比表面积小于矿渣硅酸盐水泥(图2)，普通硅酸盐水泥混凝土的早期水化程度更高[10]；其二，普通硅酸盐水泥混凝土的水胶比低于掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土(表2)，经3 d养护，形成了更为密实的微观结构[11]。使用早强性能显著地有利于加快混凝土施工进度，更易确保工程如期完工。

经7,28 d的养护，CC1的强度相对于经3 d养护试件的强度的涨幅分别为20.0%、32.8%，同样情况下，CC2的强度的涨幅分别为5.3%、14.3%，说明两组普通硅酸盐水泥混凝土的后期强度增加率较低。这可能是由于普通硅酸盐水泥混凝土早期水化程度高，在胶凝材料颗粒表面形成了较为致密的水化产物，阻碍了水化反应的进行[12-13]。

2.3 浆体水化放热特性

图6为4种浆体的水化放热速率曲线。4种浆体的水化放热速率曲线中加速期均在拌和10 h后出现，这是混凝土拌和180 min后仍然具有较好流动性能的原因。普通硅酸盐水泥净浆PP1和PP2的第二放热峰明显高于掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P1和P2，说明普通硅酸盐水泥净浆早期水化程度更高，这是普通硅酸盐水泥混凝土早强性能显著的原因之一。

图6 浆体水化放热速率曲线Fig.6 Exothermic rate curves of binders

图7为4种浆体的水化放热量曲线。普通硅酸盐水泥净浆PP1和PP2在7 d内的放热量比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P1和P2高，普通硅酸盐水泥净浆水化放热量与掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体的水化放热量之间的差异在30 h后逐渐加大(图7)，这与水化放热速率曲线中第二放热峰的时间相吻合(图6)，也说明了普通硅酸盐水泥净浆比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体早期水化程度高。

图7 浆体水化放热量曲线Fig.7 Hydration heat curves of binders

2.4 硬化浆体的微观形貌

图8、图9所示为4种浆体在20 ℃下水化不同龄期的显微形貌。可见，掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P1和P2(图8a、b)在水化早期浆体的致密度较低，浆体中含有大量的针状钙钒石晶体，同时伴随大量孔隙。其中，由于P1的水胶比较高，因此浆体的孔隙较大，针状钙钒石晶体也较多。而普通硅酸盐水泥浆体PP1和PP2 (图8c、d)在水化第3天时即形成十分致密的胶凝体，C-S-H凝胶相互交叠成为致密的水泥石，浆体孔隙率很低。这是普通硅酸盐水泥混凝土比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土早强性能好的另一原因。

a—P1; b—P2; c—PP1; d—PP2。图8 20 ℃下经3 d养护不同配比水泥净浆的SEM图像Fig.8 SEM images of binder paste with different mix proportions cured at 20 ℃ for 3 d

水化第7天时(图9)各组净浆相比于经3 d养护的净浆致密程度更高。掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P2致密程度仍较普通硅酸盐水泥浆体PP2低，同时浆体中仍含有大量未水化的矿渣颗粒，与水化产物之间界限明显(图9b)。而对于普通硅酸盐水泥浆体PP2，未水化水泥颗粒含量较低，并与水泥石之间结合紧密。

a—P1; b—P2; c—PP1; d—PP2。图9 20 ℃下经7 d养护不同配比水泥净浆的SEM图像Fig.9 SEM images of binder paste with different mix proportions cured at 20 ℃ for 7 d

2.5 硬化浆体的孔隙特征

图10和图11所示为4种浆体在20 ℃下养护不同龄期的孔隙特征。相同龄期时，4种浆体的孔径分布曲线图中的峰的位置(图10a和图11a)非常接近，说明4种浆体的最可几孔径的大小相差不大。相同龄期时，普通硅酸盐水泥浆体PP1和PP2的孔隙率比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P1或P2低(图10b和图11b)，PP1和PP2的浆体结构比P1或P2更为致密，这与硬化浆体的微观形貌分析结论一致。

图10 经3 d养护浆体的孔径分布Fig.10 Pore-size distribution of the paste cured for 3 days

图11 浆体在7 d龄期时的孔径分布Fig.11 Pore-size distribution of the paste cured for 7 days

2.6 混凝土的其他性能

受当地试验条件的限制和试验设备的缺乏，无法进行混凝土耐久性、抗裂性等一系列试验。但这些性能对混凝土配合比优化同样重要。

设计的普通硅酸盐水泥混凝土CC1和CC2的耐久性不比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土C1和C2差的可能性较高。其一，在相同的龄期时，CC1的抗压强度高于C1，CC2的抗压强度高于C2(图5)。虽然混凝土的强度与其耐久性没有必然的联系，但一般情况下强度高的混凝土更为密实，这对耐久性是有利的。其二，在相同的龄期时，普通硅酸盐水泥浆体PP1和PP2的浆体结构比掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥浆体P1和P2致密(图8和图9)，PP1和PP2的孔隙率比P1和P2低(图10b、图11b)，这都说明PP1和PP2比P1和P2更为密实。浆体的密实性是混凝土密实程度的重要部分，混凝土越密实，其耐久性越好[14]。其三、CC1和CC2的浆骨比分别高于C1和C2(表2)，因此混凝土CC1和CC2的界面过渡区数量少于C1和C2。混凝土界面过渡区薄弱会造成混凝土的耐久性不良。减少混凝土界面过渡区的数量对提高混凝土的耐久性有利。以上三点确保了普通硅酸盐水泥混凝土(CC1、CC2)的耐久性大概率不低于掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土(C1、C2)。

抗裂性是指混凝土抵抗干缩变形或温度变形而产生裂缝的能力。这些变形所引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时会产生裂缝。因此，混凝土的抗拉强度越高，抗裂性越好[15]。一般地，混凝土的弹性模量随着混凝土强度的增大而增大，混凝土的抗拉强度也随着混凝土抗压强度的增大而增大。混凝土抗压强度较高时，其抗裂性也较高。相同龄期时，CC1的抗压强度均高于C1，CC2的抗压强度均高于C2(图5)。另外，增加浆骨比也有助于提高混凝土的抗拉强度，有助于提高混凝土的抗裂性。CC1和CC2的浆骨比分别高于C1和C2(表2)。以上两点确保普通硅酸盐水泥混凝土(CC1、CC2)的抗裂性大概率不低于掺有硅灰的矿渣硅酸盐水泥混凝土(C1、C2)。