粗集料C120超高强高性能混凝土配合比及耐久性研究

朴志海， 陈兴盛， 姚瑞珊， 张广伟

（1.龙建路桥股份有限公司，哈尔滨 150090；2.天津市农村社会事业发展服务中心，天津 300384；3.黑龙江建筑职业技术学院，哈尔滨 150025）

0 引言

在世界范围内，城市建筑逐步向高层化、大跨度和轻量化发展，大跨度、超大跨度桥梁和高速铁路对混凝土的性能也提出了更高的要求，传统普通混凝土强度和耐久性不足的缺陷日益凸现，性能更好的超高强高性能混凝土的研究和应用将成为未来发展的必然趋势。

在国际上，混凝土研究和应用强度不断提高，C60～C100区段的高强混凝土的研究开发已经比较成熟，目前研究的热点集中在C100～C150的强度区段，预计不久的将来，C100以上超高强度混凝土将会得到大量推广应用。我国在该领域的研究和应用虽然较西方发达国家起步晚，但发展势头很好，研究团队及应用工程比较多。在国内清华大学、北京交通大学等许多科研团队都对C100及C100以上强度等级混凝土进行过比较系统研究，取得了一系列研究成果。C100高性能混凝土在广州、北京、上海等许多城市超高层建筑中都有成功应用的报道［1，2］。

1 研究目的及技术路线

1.1 研究目的

随着科学技术的发展，混凝土的强度等级一直在不断提高。采用传统原材料，沿用传统方法配制C120以上混凝土比较困难，虽然活性粉末混凝土的综合性能优越，但这种混凝土的单方成本是C120混凝土3倍甚至更高，而且其养生条件苛刻（需要70℃以上温度养生），目前不适合一般工程应用。为适应工程需要，有必要研究一种采用常规原材料配制、常规条件养生和成本较低的超高强高性能混凝土，以适应现代工程当下及潜在的需要。在此背景下项目系统研究了C120超高强高性能混凝土及相关性能，这种混凝土选用高品质传统原材料配制，具有优异的工作性能、力学性能和耐久性能，但单方成本仅为活性粉末混凝土的30%左右。

1.2 研究的技术路线

传统混凝土配合比设计遵循“鲍罗米”公式，即混凝土强度与水灰比关系式。

现代超高强高性能混凝土的典型特征是高工作性、超高强度和良好的耐久性。研究发现影响这些性能的主要因素是高性能减水剂和水胶比，其次是高品质的原材料。

研究基于丰富实践经验，同时在掌握大量数据基础上，拟定一个水胶比范围，试配时不得超过该值；优选高品质的粗细集料和矿物掺合料，选择减水率高、与水泥相容性良好的高性能聚羧酸减水剂，结合有针对性、有方向性的一系列严谨试验进行系列研究。

2 C120超高强高性能混凝土配合比设计

2.1 参数要求

工作性要求：坍落度230±20mm［3］，扩展度大于600mm×600mm，120min内坍落度损失不超过10%，不离析，不泌水。试配强度fcu.0≥138MPa。

2.2 原材料的选择及性能

在掌握大量历史资料基础上，经多方对比、优选用于配制C120超高强高性能混凝土的全部原材料。

（1） 水泥：根据实验室传统经验数据，优选了“天鹅”牌和“虎鼎”牌P.O52.5水泥备用，用同一种外加剂不同掺量对这两种水泥净浆流动度的影响进行对比试验，试验结果见图1。由图1可知，在外加剂掺量相同条件下，“天鹅”牌P.O52.5水泥的净浆流动度较大。根据试验数据可知，这两种水泥其它物理力学指标差别不大，根据此选择流动性更好的“天鹅”牌P.O52.5水泥。该水泥的标准稠度用水量27.8%，28d抗折强度8.8MPa，28d抗压强度58.0MPa。

图1 外加剂不同掺量对两种水泥净浆流动度影响

（2） 矿物掺合料：配制超高强高性能混凝土，矿物掺合料为必掺胶凝材料，这种材料对提高混凝土的工作性、密实度、强度和耐久性帮助极大［4］。考虑市场供应情况，并兼顾经济性，项目的选择结果是：Ⅰ级粉煤灰，掺量8%～10%；S105级粒化高炉矿渣粉，掺量12%～15%；微硅粉，二氧化硅含量95%，掺量5%～8%。

（3） 外加剂：性能优异的外加剂是配制超高强高性能混凝土的必备材料。减水率高、相容性好的外加剂可以大幅度减少混凝土拌和用水量，提高混凝土的工作性，减少混凝土坍落度经时损失，提高混凝土强度和耐久性。研究中优选了两种聚羧酸盐高性能减水剂A和B，用同种水泥对这两种外加剂的不同掺量做净浆流动度试验见图2。

图2 两种外加剂不同掺量对同种水泥净浆流动度影响

图2表明，A外加剂的饱和点低于B外加剂的饱和点，相同掺量下A外加剂的流动度明显高于B外加剂的流动度，基于此，我们选择A外加剂进行后续研究。该外加剂的减水率大于35%，泌水率为0，其28d抗压强度比大于180%。

（4） 粗集料：超高强高性能混凝土对粗集料要求较高，研究表明减小粗集料的缺陷和有害杂质含量对提高混凝土性能有利，粗集料的平均粒径越小，其内部缺陷也越小，同时其总表面积也越大，与水泥浆接触面积就越大，这样二者之间的粘接强度就越大，用该粗集料配制的混凝土强度越高，耐久性也越好。项目研究选择的粗集料公称最大粒径为16mm，属于连续级配反击破碎整形碎石。碎石母料为玄武岩，其单轴抗压强度大于150MPa，压碎值3%，针片状含量2%，含泥量0%，石粉含量0.5%，表观密度2780kg/m3。

（5） 细集料：配制混凝土最好的细集料是天然河砂，砂的粗细程度、有害杂质含量多少对混凝土的工作性、强度和耐久性都有很大影响。根据历史经验，项目研究选择Ⅱ区河砂，其细度模数2.68，含泥量0.5%，表观密度2750kg/m3，松堆积密度1600kg/m3。

（6） 拌合用水：研究选择饮用水搅拌混凝土。

2.3 试配C120超高强高性能混凝土

2.3.1 确定配合比

现代混凝土的配合比是经验和实践的产物。实践表明决定混凝土工作性、强度和耐久性的因素依次为：水胶比，外加剂，胶凝材料和粗细集料。其中水胶比是影响混凝土性能的决定因素，而外加剂又是主导水胶比的主要因素，其它材料是影响混凝土性能的次要因素。

在试配前根据混凝土的力学性能和耐久性能要求，首先拟定水胶比的范围，混凝土的工作性由外加剂掺量来调节。

研究拟定C120超高强高性能混凝土的水胶比范围为0.16～0.18，根据外加剂前期检测结果，初步确定外加剂掺量范围3.6%～4.0%；同时选择砂率取值范围34%～36%，结合实践经验，经多轮试配，确定了C120超高强高性能混凝土的配合比，其配合比、工作性及力学性能见表1～表3。

表1 C120超高强高性能混凝土配合比 kg/m3

表2 C120超高强高性能混凝土工作性 mm

表3 C120超高强高性能混凝土各龄期抗压强度 MPa

2.3.2 试配结果分析

（1） 水胶比是影响混凝土强度的决定因素，采用0.16和0.17水胶比配制的混凝土28d抗压强度均可达到C120超高强高性能混凝土要求，但用0.16水胶比配制的混凝土60min坍落度损失大于40%，用0.17水胶比配制的混凝土120min坍落度损失小于10%；用0.18水胶比配制的混凝土28d抗压强度不能满足要求。研究选择的水胶比为0.17。

（2） 水胶比对混凝土28d抗压强度影响最大，矿物掺合料的影响次之，砂率的影响再次之。

（3） 外加剂对C120超高强高性能混凝工作性影响最大，矿物掺合料的影响次之，砂率的影响稍小。

3 C120超高强高性能混凝土耐久性研究

耐久性是超高强高性能混凝土一个重要指标，为直观体现C120超高强高性能混凝土优越的耐久性能，项目在研究过程中同时对C50混凝土的耐久性能进行了对比研究。

3.1 C120超高强高性能混凝土抗冻性能

抗冻性是反映混凝土耐久性能重要参数之一，为较全面检验这一参数，项目采用盐冻法和快冻法两种方法研究C120超高强高性能混凝土的抗冻性能。

3.1.1 盐冻法

C50混凝土与C120超高强高性能混凝土56次盐冻试验对比数据见表4。

表4 盐冻法冻融试验数据

盐冻法达到28次冻融循环时，5个试件表面积剥落物总质量均为零。为进一步验证该混凝土抗盐冻性能，研究过程中在此基础上又增加了28次冻融循环，使总冻融循环达到56次。结果表明C120超高强高性能混凝土抗盐冻性能明显优于C50混凝土抗盐冻性能；同时它的单位表面积剥落物总质量平均值仅为7.3g/m2，远小于1500g/m2规范规定值［5］。由此可见，该混凝土具有及其优异的抗盐冻性能。这得益于该混凝土具有超低的水胶比，超高的密实度和适宜的含气量等特质。

3.1.2 快冻法

C50混凝土和C120超高强高性能混凝土快冻400次对比试验数据见表5。

表5 快冻法冻融试验数据 %

C120超高强高性能混凝土采用快冻法达到400次冻融循环时，试件相对动弹模量下降值和质量损失率均远小于规范规定的60%和5%，表明该混凝土具有极强的抗冻融循环能力。对比试验还表明，C120超高强高性能混凝土的抗冻融能力远超过C50混凝土抗冻融能力，原因在于该混凝土水胶比极小，水化28d以后其内部自由水几乎消耗殆尽，甚至可以忽略不计，此外，它具有适宜的含气量。

3.2 C120超高强高性能混凝土抗氯离子渗透性

抗氯离子渗透性是衡量混凝土耐久性重要参数之一，它可以间接反映钢筋混凝土中钢筋被腐蚀的速度和难易程度。研究中采用快速氯离子迁移系数法（RCM法）和电通量法两种方法来检验该混凝土抗氯离子渗透性能［6］。

3.2.1 RCM法

C50混凝土和C120超高强高性能混凝土RCM法氯离子渗透对比试验数据见表6。

表6 RCM法氯离子迁移系数DRCM mm2/s

快速氯离子迁移系数法（RCM法）试验结果表明，C120超高强高性能混凝土具有优异的抗氯离子渗透性能，其抗氯离子渗透性能已经大大优于RCM-5级。同时从对比试验可以看出，C120超高强高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯离子渗透性能。

3.2.2 电通量法

电通量法试验结果表明，C120超高强高性能混凝土具有优异的抗抗氯离子渗透性能，其抗氯离子渗透性能已经远优于Qs-V级。从对比试验同时可以清楚看出，C120超高强高性能混凝土比C50混凝土具有更好的抗氯离子渗透性能。C120超高强高性能混凝土水胶比极低，密实度极高，氯离子极难迁移或渗透到混凝土内部，它比C50混凝土具有更好的抗氯离子渗透能力。C50混凝土和C120超高强高性能混凝土电通量法氯离子渗透对比试验数据见表7。

表7 电通量法氯离子电通量C

3.3 C120超高强高性能混凝土抗碳化性能

抗碳化性能是衡量混凝土耐久性的重要参数之一。研究中选择将C50混凝土和C120超高强高性能混凝土碳化性能进行对比分析。C120超高强高性能混凝土内部密实度非常高，当碳化试验进行到28d时，3个试件的碳化深度仍然为0mm。为了进一步研究该混凝土的抗碳化能力，研究过程中，将两种混凝土碳化试验龄期增加到60d。结果表明碳化试验进行到60d后，C50混凝土碳化深度为0.5mm，C120超高强高性能混凝土碳化深度为0mm，由此可以看出，后者密实度更高，具有更高的抗碳化能力。秦鸿根等［7］对此也进行了研究。

3.4 C120超高强高性能混凝土收缩性能

收缩性能是衡量混凝土耐久性的重要参数之一。项目选择非接触法和接触法两种方法研究C50混凝土和C120超高强高性能混凝土的收缩性能。

3.4.1 非接触法

非接触法试验研究所得到的数据见表8。

表8 混凝土收缩率（非接触法） 10-4

3.4.2 接触法（卧式）

接触法卧式试验研究数据见表9。

表9 混凝土收缩率（接触法卧式） 10-4

从表8和表9可以看出，C120超高强高性能混凝土比C50混凝土具有更低的收缩率，原因是具有更低的水胶比，具有更密实结构和更低变形性能等特质。

4 结语

项目研究在大量基础性试验基础上，结合丰富混凝土研究实践经验，以拟定水胶比为核心，结合有针对性、有方向性的一系列严谨试验进行了系列研究，大大简化了C120超高强高性能混凝土配合比设计流程。该混凝土具有：水胶比低，工作性良好；力学性能优越，28d抗压强度平均值大于138MPa；耐久性优于一般高强混凝土和相关标准、规范要求；该混凝土的单方成本及养生条件与一般高强混凝土基本相同。该混凝土具有良好的工程应用前景。