C100高强混凝土设计制备的试验研究

2022-03-26徐亮凯乐尹轮王康

重庆建筑 2022年3期

徐亮，凯乐，尹轮，王康

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆 401122）

0 引言

随着工程建设的发展，超高层建筑、大跨度桥梁等基础设施不断兴建，对高强混凝土的需求日渐攀升，高强混凝土的生产应用已成为未来的发展趋势[1]。在工程应用方面，高强混凝土的工程应用[2-3]不计其数，很多工程都具有混凝土强度高、方量大、超高泵送等特点。在生产配制方面，部分学者采用全计算法[4]进行C100混凝土配合比设计，再加以试验验证，对C100混凝土的制备提供一定参考。在原材料方面，地材的母岩强度是配制C100混凝土的关键因素之一，使用优质矿物掺合料是改善高强混凝土工作性能、降低水化热、减少收缩裂缝的有效措施[5]，微珠[6]在高强混凝土中的使用越来越广泛，能够起到很好的降粘增强效果。目前，C100混凝土仍然存在配合比设计尚无相应规范参考、制备过程大多依靠经验、配制技术尚不成熟、不同区域原材料差异大等问题。本文针对C100混凝土制备技术开展相关试验，以期为C100混凝土的制备和应用提供一定的技术参考。

1 技术指标和技术路线

1.1 技术指标

根据行业标准《高强混凝土应用技术规程》（JGJ/T 281）对泵送高强混凝土的要求，C100混凝土坍落度≥220mm，扩展度≥500mm，倒置坍落度筒排空时间＞5s且＜20s，坍落度经时损失≤10mm/h，28d抗压强度≥115MPa，其混凝土拌合物不应离析和泌水，凝结时间应满足施工要求。

1.2 技术路线

C100混凝土配合比参照行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55）进行初步设计，通过研究水胶比、胶材用量对工作性能和力学性能的影响，对配合比进行优化，制备出技术经济性良好的C100混凝土。原材料在重庆区域就地取材，在市场上容易购买且供应、质量稳定。采用高强石子和高活性的矿物掺合料，在保证C100混凝土强度的前提下尽量少用水泥，降低水化热。采用具有降粘功能的矿物掺合料和高性能减水剂的双掺技术，降低C100混凝土的粘度，改善其泵送性能。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

（1）水泥：采用海螺P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，28d胶砂抗压强度60.0MPa。

（2）硅灰：SiO2含量90%，28d活性指数122%，需水量比118%。

（3）S95级矿粉：7d活性指数78%，28d天活性指数97%，流动度比100%。

（4）Ⅰ级粉煤灰：28d活性指数84.4%，烧失量3.1%，细度6.0%，需水量比95%。

（5）微珠：28d活性指数103.5%，烧失量1.0%，需水量比95.0%。

（6）粗集料：采用玄武岩碎石，母岩强度180MPa，压碎指标3.1%。

（7）细集料：采用山机砂，细度模数2.6～3.0，压碎指标8.5%，MB值0.8。

（8）外加剂：采用高性能减水剂，减水率30%。

（9）拌和用水：自来水。

2.2 试验方法

C100混凝土同配比砂浆试验参照国家标准《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671）。C100混凝土拌合物性能试验参照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080），力学性能试验参照国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081）。

3 结果与分析

3.1 确定胶凝材料体系

通过C100混凝土同配比砂浆试验确定胶凝材料体系，砂浆配合比如表1所示，强度测试结果如图1所示。对比组1的28d强度最高，达到144.7MPa，比基准组高6.9MPa，满足C100混凝土配制的砂浆强度要求。对比组2使用Ⅰ级粉煤灰替代微珠和部分矿粉，砂浆28d强度下降3.7MPa，相比Ⅰ级粉煤灰，微珠具有更大的比表面积，并含有更多的活性二氧化硅、氧化铝，后期与氢氧化钙发生反应，生成更多具有胶凝作用的水化产物，从而提高砂浆后期强度。对比组3使用Ⅰ级粉煤灰，并降低硅灰用量，强度比基准组低2.8MPa，因此，从强度方面考虑，对比组1的矿物掺合料搭配相对更合理，其搭配为硅灰、微珠和S95矿粉。

表1 砂浆配合比参数

图1 砂浆强度对比

3.2 确定地材体系

在胶材体系确定的基础上，进行C100混凝土试配，选择合理的地材体系，混凝土配合比参数如表2所示，测试结果如表3所示。不同地材组合配制的C100混凝土，强度、工作性能都满足标准要求。在强度方面，采用玄武岩加山机砂的组合，混凝土强度达到131.5MPa，比卵碎石强度高出10.3MPa，粗骨料的强度对C100混凝土的强度影响很大，母岩强度高、表面粗糙的玄武岩碎石比具有光滑表面的卵碎石更适合配制C100混凝土。使用卵石机砂并没有大幅提高C100混凝土的强度，仅比山机砂高出4.0MPa，相比之下，使用山机砂更经济合理。在工作性能方面，玄武岩加山机砂的组合更好，这是因为玄武岩碎石整体粒形好，基本无针片状颗粒，新拌混凝土更容易流淌开，所以体现出更好的工作性能。因此，地材体系采用玄武岩碎石和山机砂组合具有更好的技术经济性。

表2 C100混凝土配合比参数

表3 C100混凝土工作性能与强度测试结果

3.3 强度影响因素

在确定C100混凝土材料体系的基础上，主要考虑水胶比对C100混凝土力学性能的影响，混凝土配合比参数如表4所示，测试结果如图2所示。由图2可知，随着水胶比的增大，C100混凝土强度呈下降趋势。水胶比在0.19～0.25范围内都能配制出C100混凝土，水胶比在0.19～0.21范围内时，强度随着水胶比的增大而减小，并且下降幅度大；水胶比在0.21～0.25范围内变化时，混凝土强度降低趋势不明显，此时混凝土强度的富余值较小，不利于C100混凝土的生产质量控制。按照验收标准，要求C100混凝土强度达到110MPa，试配时加上10MPa的强度富余，使C100混凝土强度控制在120MPa以上，此时水胶比不宜大于0.20。

表4 C100混凝土配合比参数

图2 水胶比对强度的影响

3.4 配合比优化

在配合比探索试验的基础上，主要考虑C100混凝土的力学性能和工作性能，对配合比进行优化，配合比参数如表5所示，测试结果如表6、表7所示。根据硅灰对C100混凝土同配比砂浆强度的影响试验结果，硅灰掺量宜为6%～10%，考虑到硅灰的需水量比较大，掺量太大会影响C100混凝土的工作性能，因此将硅灰掺量定为6%；考虑到低水胶比下C100混凝土粘度很大，因此将水胶比定为0.20，再将降粘材料微珠的掺量增至10%～20%，来改善混凝土的粘度。配合比3的工作性能如图3所示，坍落度260mm，扩展度700mm，倒筒时间7s，混凝土不离析泌水，粘度低；而配合比1和配合比2的混凝土粘度相对要大一些。相比之下，配合比3工作性能良好，表明大掺量微珠能有效改善C100混凝土的工作性能，原因是微珠含有更多的细小球形颗粒，包裹在骨料表面，有利于骨料的相对滑动，且微珠还能够填充胶材中的小空隙，释放出空隙中的自由水。在强度方面，配合比3与配合比1相比较，配合比3未达到强度配制要求，原因是过多的微珠不能完全发挥出火山灰效应，部分只是起到填充和滚珠作用，所以工作性能得以改善，但后期强度未达到要求，故微珠掺量不宜大于20%。配合比2强度达到131.2MPa，比配合比1高出10.1MPa，然而粉煤灰活性并没有微珠高，多数是填充作用，表明山机砂的母岩强度对C100混凝土的强度有很大影响，配制时宜选用高强母岩制得的机制砂。三种配合比的抗折强度差别不大，轴心抗压强度都超过100MPa，弹性模量都大于4.0×104MPa。因此，在骨料选择方面，无论是粗骨料还是细骨料，都宜具有高的母岩强度，搭配上具有降粘效果的掺合料和外加剂，配制出工作性能良好和强度达标的C100混凝土。通过优化试验，配合比1的强度达121.1MPa，坍落度260mm，扩展度660mm，倒筒时间7s，强度达标，工作性能良好，采用配合比1配制C100混凝土相对更合理。