耐久性混凝土技术分析

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

摘要：文章阐述了复掺技术的耐久性混凝土发展与应用的必经之路，结合合宁客运专线的耐久性混凝土的应用，配合比设计围绕混凝土的工作性能、使用性能、经济性能、耐久性等方面的要求，并充分分析了粉煤灰、矿渣粉、UC-IA高效减水剂三者联合复掺对混凝土性能的贡献。文章对产生的有关试验现象及机理也进行了一定的分析，充分论述了使用于合宁客运专线中的耐久性混凝土优点及配制技术。

　　关键词：耐久性混凝土；粉煤灰；矿渣粉；UC-IA

　　近年来，国内外许多专家学者提出生态环保混凝土理念，并认为这是混凝土材料发展的方向，而发展应用各种掺合料配制高性能混凝土（HPC）带来的经济和社会意义，以及技术性的保证，已为广大科研人员认同。尤其耐久性混凝土在客运专线中满足100年以上的生命需求的概念，在实际使用中，不断被社会认可和强化。

　　高性能混凝土（HPC）是20世纪90年代发展起来的一种良好施工性能、力学性能、体积稳定性能、耐久性能、经济性能为基本特征的预拌复掺混凝土。由HPC理念的出现，使人们进一步认识各类掺合料的“火山灰质效应”、“微集料效应”、“颗粒形态效应”对混凝土的影响作用。尤其作为脆性材料的混凝土，抗裂效果是HPC重要衡量指标，因此“复掺”的概念在混凝土的配制技术中被广泛运用。

　　本文以合宁城际铁路项目Ⅲ标工程为对象，对耐久性混凝土部分技术进行研究论述。我们局在合宁城际铁路项目中标金额为7.18亿人民币，其中襄滁河特大桥和万寿河特大桥、永宁河特大桥，结构混凝土约337413立方米，根据设计要求，均需采用耐久性砼设计及施工工艺，混凝土强度等级均需满足高于C30要求。针对混凝土浇筑设计要求，基础部分区域要考虑防止水化热形成温度裂缝，又要考虑大面积混凝土浇灌时，收缩裂缝的产生；同时由于设计事实，造成混凝土基础块体自身约束条件存在变截面变化，以及防腐蚀的要求。而我们以前从来没有接触过耐久性混凝土，因此，我们在混凝土施工前3个月内进行详细试验研究。

　　一、混凝土配合比设计原则及材料检验

　　（一）设计原则

　　1．试验混凝土采用假定表现密度法进行配合比设计，并以体积复核为准，混凝土设计表现密度为2450kg/m³。

　　2．混凝土电通量（C30）56天龄期，测试应低于1500Q。

　　3．混凝土单方总碱含量应低于3000g。

　　4．要求混凝土生产完毕后75分钟内施工性能良好，混凝土坍落度要求80～160mm，并有相对较好的流动度，有利于混凝土在较密集的钢筋网格中密实。（流动度达45×25cm）

　　5．运输浇筑过程要求坍落度损失：2h内，25～34℃条件下，损失不大与30mm。

　　6．混凝土采用泵送施工工艺，应具有良好的泵送性能，不离析，抗渗等级P8。

　　7．混凝土成型后，不因混凝土收缩或局部水化热影响出现而形成的贯通性破坏裂缝。

　　8．混凝土成型、放腐蚀能力达Ⅲ级以上。

　　9．现场新鲜混凝土温度≤32℃。

　　（二）材料试验

　　1．水泥。中国海螺水泥股份集团公司生产的P.O42.5（普通硅酸盐水泥）。

　　2．粉煤灰。华能南京电厂生产的工级粉煤灰（该灰曾用于三峡工程）。

　　3．矿渣粉：采用磨细矿渣粉S95。

　　4．实验方法依据。本研究检验方法主要依据：混凝土外加剂应用技术规程（GBJ119）、普通混凝土力学性能试验方法（GBJ81）、普通混凝土长期性能试验方法（GBJ82）以及水泥水化热试验方法（GB2022）。本试验过程中：矿粉、粉煤灰、UC-IA均采用内掺法进行试验，按等量替代水泥来计算。

　　二、设计与结果分析

　　（一）混凝土配合比设计

　　设计时采用内掺法通过改变FA和矿粉S95的掺量等量取代水泥，保持混凝土胶凝材料总量不变，并保证初始140～160mm；设计采用了8类32组试块，系统测试了各组变化对混凝土的影响，最后，结合经济成本与技术可行性，优化使用了合适的配合比。

　　根据C30-0与C30-1比较：UC-V1有良好施工性能。采用UC-V1能显著提高混凝土坍落度（掺量9%），能把原坍落度6mm激增至165mm以上；对混凝土早期强度的提高（增强效果）较明显；混凝土沾聚性能显著增加，有利于钢筋与混凝土的粘结握裹。如采用V1配置同等级强度混凝土，与基准混凝土相比，能有效节省水泥用量达20%以上，同时V1有良好的取代水泥性能，不影响混凝土强度。

　　（二）粉煤灰的掺加分析

　　1．C30-1与C30-2比较：由于我们采用的I级粉煤灰，其组份是磨细的球形颗粒，在混合的胶凝材料中，能起到有效疏散水泥胶材颗粒的粘结，起到胶材之间的“滚球”作用，从而能使混凝土流动度增加。同时由于C30-2配方中，粉煤灰等量取代PO42.5水泥，由于粉煤灰容重较小，取代后，胶凝材砂浆体积也将随之加大，充分的浆体保证了拌合的流动性。

　　2．由于粉煤灰早期活动性相对较低，水化热释放也相应延缓，因此，掺加粉煤灰后C30-2坍落度损失相对较小。

　　3．C30-7与C30-2号较比较，粉煤灰的掺量大幅增加，混凝土的坍落度却减损，而且C30-7混凝土显示出一定的粘滞性，流动度不好。原因分析认为：粉煤灰颗粒呈球状表面带孔结构，其表面湿润需一定水分，由于现试配的混凝土水胶比相对较低，用水量相对较小，加入了过量的粉煤灰后，由于现水分可能不足以湿润粉煤灰的颗粒表面，从而形成混凝土干涩、工作性不佳的现象。也就是说混凝土配制掺加粉煤灰时，其掺量大小应考虑混凝土的用水量能否能确保粉煤灰颗粒表面充分湿润后，它才能体现出良好的工作性能。

　　因此，对粉煤灰合适的掺量在混凝土设计时应优化选择，建议用量15%～30%，根据分析：合适的粉煤灰掺量，有一定的减水作用，并能有效促使混凝土强度的发挥，有利于高强度等级混凝土的配制；如过量掺加粉煤灰，会影响高等级混凝土的现场施工工作性能，并对其强度产生减损。对于为满足泵送性能的低强度等级混凝土，作者认为粉煤灰宜采用“超掺”，而对于高强度等级、高流动性的混凝土，建议合适等量取代，不宜“超掺”。

　　（三）矿渣粉掺加分析

　　C30-3与C30-1、C30-8比较：磨细矿渣粉的掺入，混凝土的流动度得到相应的增加，凝结时间大幅推迟，也就是水泥水化热释放相对得到延缓。混凝土初始流动性和流动性经时变化（损失率）较小。我们知道：磨细矿粉颗粒属多角形，但由于它与水泥颗粒之间或矿渣颗粒之间接触点面积较小，而且矿渣粉颗粒的斥水作用，因此，用矿粉替代部分水泥时，就改善了浆体的流动性，减少浆体流动性损失，而且掺入矿渣粉，随着掺量增加，其初始流动性也能增加，与FA掺量加大性状相反。

　　（四）耐久性分析

　　该混凝土具有非常好的抗渗性能，说明混凝土结构密实，孔隙结构合理。分析认为：其抗渗性最大的贡献是具有微膨胀性能的UC-V1，次之是矿渣粉的掺加。

　　（五）强度分析

　　1．C45-3与C45-2对比分析认为：粉煤灰掺加，能有效提高7天的强度，对28天、60天强度增加的贡献要次于矿渣粉。

　　2．C45-3与C45-1对比分析认为：矿粉的掺入，混凝土流动性得到相应增加，凝结时间也大幅推迟，早期强度也出现减损，但由于矿渣粉良好的活性，它对混凝土28天、60天的强度有较明显的提高作用。

　　3．C45-4与C45-1、C45-2、C45-3，比较分析认为：掺加15ú+20%S95对混凝土早期强度虽有一定减损，但减损幅度不大、能满足设计强度要求。复掺效果FA与S95性能相互互补，有利混凝土强度的发展。

　　三、结语

　　采用南京地区的材料，能配制出适合常规工艺生产的复掺（粉煤灰、细矿渣粉、UC-V1）高性能混凝土（既了解按此设计的混凝土已在扬子巴斯夫一体化合资项目中成功运用）。由于UC-V1的膨胀效果，复掺FA、S95的混凝土含气量<2%，有着密实的内部结构，其抗渗等级大于P20，与钢筋粘结力强，并无锈蚀作用，抗酸蚀性、抗碳化能力、抗冻能力显著提高，也就是说其耐久性良好。在混凝土配合比设计时，应合理选择粉煤灰、矿渣粉、UC-V1掺量，合理的设计，掺加粉煤灰、矿渣粉，有利于充分利用自然和社会资源，变废为宝，创造再生产价值，保护环境等方面，有着积极的经济意义和社会意义。