降黏型复合矿物掺合料对C60超高泵送混凝土性能的影响

2022-10-02高超曹永汤国芳李鹏刘贵双卢传泰杨捍捍姚抗

新型建筑材料 2022年9期

高超，曹永，汤国芳，李鹏，刘贵双，卢传泰，杨捍捍，姚抗

（1.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.江苏诚意工程技术研究院有限公司，江苏徐州 221000；4.徐州市天晟混凝土有限公司，江苏徐州 221000）

0 引言

随着城镇化进程的加快，200 m以上的超高层建筑越来越多，高强超高泵送混凝土技术是建设超高层建筑的重要施工技术。高强超高泵送混凝土的强度高，拌合物黏度大，泵送压力高，容易出现泵送过程堵管和出泵管后混凝土流动性较差的工程技术难题[1-3]。目前，国内外学者对高强超高泵送混凝土配制技术进行了广泛的研究。张庆芸等[4]采用流变改性材料显著降低高强混凝土的塑性黏度，缩短混凝土倒筒时间，提高泵送性能。李信等[5]研究粘度改性材料对C60超高泵送混凝土性能的影响，掺入粘度改性材料提高混凝土流动性，缩短倒筒排空时间，提高耐久性能。范庆新等[6]通过正交试验研究配合比参数对C80混凝土可泵性影响，配制出倒筒时间低于10 s，可行性良好的混凝土。牟龙等[7]研究胶材用量、水胶比、碎石的种类等配合比参数对混凝土性能的影响规律，配制出符合工程应用要求的C100超高泵送混凝土。Choi等[8]研究了粗骨料的尺寸对泵送混凝土拌合物流变性能的影响。王方刚[9]采用粉煤灰、硅灰等配制出坍落度和扩展度分别为260、725 mm，倒置坍落筒排空时间7 s，90 d抗压强度为135 MPa的低黏超高强混凝土。宋心等[10]采用粉煤灰、矿粉、硅灰进行C70超高泵送混凝土配合比设计，得出和易性好、收缩小、抗冻性能优良的高强混凝土。江苏徐州德基广场建筑设计高度265 m，混凝土设计强度等级为C60，混凝土拌合物性能要求：扩展度≥600 mm，倒置坍落度筒排空时间≤7 s，压力泌水率≤10%；力学性能要求：28 d抗压强度≥70 MPa。前期试配混凝土的力学性能可以满足设计要求，但混凝土拌合物黏度较大，难以达到设计要求，泵送接近200 m时多次发生堵泵现象。本研究采用功能型复合矿物掺合料替代水泥，研究复合矿物掺合料对混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能的影响，为工程应用高强超高泵送混凝土提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）胶凝材料：水泥（C），江苏诚意P·O52.5水泥，主要技术性能见表1；粉煤灰（FA），Ⅱ级，细度（45 μm方孔筛筛余）20.1%，需水量比99%；矿渣粉（SL）：S95级，28 d活性指数98%；硅灰（Si），活性指数112%，需水量比118%；降黏型复合矿物掺合料（VR），建研建材有限公司，由超细矿物掺合料复合而成，符合T/CCES 6004—2021《混凝土用功能型复合矿物掺合料》的要求，主要技术性能见表2。

表1 水泥的物理力学性能

表2 降黏型复合矿物掺合料的主要技术性能

（2）粗骨料：5～20 mm级配碎石。

（3）机制砂：粗砂，细度模数3.2，石粉含量7%，亚甲蓝值1.1 g/kg。

（4）聚羧酸系高性能减水剂：含固量31.8%，减水率29%。

（5）水：自来水。

1.2 混凝土配合比

根据JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行C60混凝土配合比设计（如表3中的C60-1）。采用降黏型复合矿物掺合料等质量取代水泥，掺量（按占胶凝材料总质量计）分别为3%、6%、9%、12%、15%，混凝土配合比见3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

超高泵送混凝土对工作性能有较高的要求，混凝土在具有较好流动性能的同时还需具有较低的黏度：混凝土流动性采用扩展度进行表征，混凝土黏度采用倒置坍落度筒排空时间进行表征，混凝土扩展度、倒置坍落度筒排空时间、压力泌水率按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；碳化性能、抗水渗透性能以及抗氯离子渗透性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土耐久性和长期性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与分析

2.1 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土拌合物性能的影响（见表4）

表4 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土拌合物性能的影响

由表4可见，随着降黏型复合矿物掺合料掺量的增加，混凝土拌合物的扩展度在600～670 mm范围内逐渐增大，这主要是由于降黏型复合矿物掺合料是超细粉体的复合，加入后提高了胶凝材料的粉体颗粒堆积密度，优化了粉体颗粒级配，释放更多的自由水，增加了水膜厚度[11]，降低了混凝土黏度，同时降黏型复合矿物掺合料具有良好的滚珠效应，降低浆体剪切运动的阻力，提高了混凝土的流动性[12]。拌合物的倒置坍落度筒排空时间随降黏型复合矿物掺合料掺量的增加呈先缩短后略有延长的趋势。降黏型复合掺合料掺量为6%、9%、12%时，倒置坍落度筒排空时间比不掺时缩短超过50%，倒置坍落度筒排空时间反映的是混凝土拌合物黏度，排空时间越短，混凝土的黏度越小，泵送压力也越小。压力泌水率随着降黏型复合矿物掺合料掺量的增加而提高，与扩展度的变化趋势一致。这主要是由于降黏型复合矿物掺合料释放了一部分自由水，而这部分自由水在压力作用下容易泌出。当降黏型复合掺合料掺量为6%、9%、12%时，拌合物的扩展度、倒置坍落度筒排空时间、压力泌水率均满足设计要求。

2.2 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土抗压强度的影响（见表5）

表5 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土抗压强度的影响

由表5可见，随着降黏型复合矿物掺合料掺量的增加，混凝土的早期强度逐渐降低。降黏型复合矿物掺合料掺量分别为3%、6%、9%、12%、15%时，混凝土的3 d抗压强度分别为不掺时的97%、83%、81%、76%、66%，7 d抗压强度分别为不掺时96%、89%、87%、81%、78%。这主要是由于降黏型复合掺合料的早期水化速率较水泥低，早龄期时水泥水化产物密实度更高，因此降黏型复合掺合料替代水泥时混凝土的早期强度降低。当龄期延长至28、56 d时，降黏型复合矿物掺合料具有突出的晶核效应和火山灰效应，其持续发生火山灰反应，水化速率升高，水化产物较水泥更加密实，使混凝土孔结构得到改善[13]，掺加降黏型复合掺合料时混凝土的抗压强度逐渐达到甚至超过不掺加的混凝土。降黏型复合矿物掺合料掺量分别为3%、6%、9%、12%、15%时，混凝土的28 d抗压强度分别为不掺时的97%、103%、99%、94%、89%，56 d抗压强度分别为不掺时102%、110%、109%、102%、96%。

2.3 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土耐久性能的影响

2.3.1 对抗碳化性能的影响

抗碳化性能是影响混凝土结构耐久性的一个重要因素，混凝土碳化是空气中CO2与水泥石中的水化产物如Ca（OH）2、C-S-H发生反应，引起混凝土的成分、结构、性能发生变化，从而导致混凝土的耐久性能降低[14]。表6为标准养护28 d后混凝土的碳化深度随碳化时间的变化规律。

表6 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土碳化性能的影响

由表6可见，混凝土的碳化深度随着碳化时间的延长而增大，随着降黏型复合掺合料掺量的增加先减小后增大。降黏型复合矿物掺合料掺量为3%～9%时，碳化深度随着降黏型复合掺合料掺量的增加而减小。这主要是由于降黏型复合矿物掺合料的微集料效应、火山灰效应改善混凝土孔的连通性，细化水化产物孔径，增大气体入侵的阻力，混凝土的抗碳化性能提高[15-16]。当其掺量提高至12%～15%时，掺入降黏型复合掺合料反而增大了混凝土的碳化深度，这与更多掺量矿物掺合料需要更长龄期进行充分水化有关。

2.3.2 对抗水渗透性能的影响

高强混凝土的抗渗性能较好，为了能够更好区分降黏型复合掺合料对混凝土抗水渗透性能的影响，将渗水高度法测试时的压力由1.2 MPa提高至2.0 MPa，表7为不同掺量降黏型复合掺合料混凝土分别标养28、56 d后的渗水高度。

表7 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土抗水渗透性能的影响

由表7可见，随着龄期的延长，混凝土的渗水高度减小，抗水渗透性能提高；掺加降黏型复合掺合料使得混凝土的28 d抗渗性能有一定的降低，随其掺量的增加，混凝土的28 d抗渗性能降幅增大。降黏型复合矿物掺合料掺量分别为3%、6%、9%、12%、15%时，混凝土的28 d渗水高度比不掺时分别增大了1%、6%、17%、28%、42%。但随着龄期延长至56 d时，掺加降黏型复合掺合料对混凝土56 d抗渗性能有较大幅度的提高，掺加3%、6%、9%、12%、15%降黏型复合掺合料的混凝土渗水高度比不掺时分别降低了10%、25%、43%、8%、8%。这与混凝土抗压强度规律相近，降黏型复合掺合料经过较长时间才能更好地发挥火山灰效应，其水化产物比水泥更加致密，能够改善混凝土的孔分布，使混凝土的抗渗性能得到一定的提高[17]。

2.3.3 对抗氯离子渗透性能的影响

氯离子会导致钢筋脱钝，引起钢筋锈蚀，进而造成混凝土膨胀开裂[18]。降黏型复合掺合料掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响如表8所示。

表8 降黏型复合矿物掺合料掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

由表8可见，混凝土的抗氯离子渗透性能随着龄期的延长而大幅度提高，这是由于随着龄期延长，水泥和矿物掺合料水化更加充分，混凝土密实度得到提高。掺加降黏型复合掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能有一定的提高，降黏型复合矿物掺合料掺量分别为3%、6%、9%、12%、15%时，混凝土的28 d电通量比不掺时分别减少了10%、17%、29%、19%、13%，56 d电通量比不掺时分别减少了15%、32%、42%、25%、21%，龄期延长对掺加降黏型复合掺合料混凝土抗氯离子渗透性能的提高效果显著高于不掺加时。龄期延长时，降黏型复合矿物掺合料的水化程度得到进一步提高，其致密的低钙硅比C-SH水化产物改善浆体和骨料之间的界面过渡区，优化混凝土孔结构分布[19]，显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能。