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低粘度超高強C100混凝土制備和性能試驗研究
引言
隨著我國社會經(jīng)濟的大發(fā)展與建筑科學技術的進步，人們的生存空間得到了不斷地擴展，土地集約化使用要求越來越嚴格，使得現(xiàn)代化建筑的體量不斷增大，建筑高度逐漸刷新紀錄，高層建筑在城市中隨處可見，超高層建筑也得到了快速發(fā)展，隨之而來的高強材料也得到了廣泛地應用。
由于超高強混凝土具有優(yōu)異的高強、高耐久性能，超高強度混凝土的使用可以大幅度降低建筑物自重，提高相同基礎設計時建筑的高度；降低同樣承載要求條件下梁板柱的結構構件的截面積，進而減少單位建筑面積的混凝土使用量；相應地增大有限建筑面積內(nèi)的使用空間，節(jié)約大量的混凝土與鋼材，由于其具有較高的耐久性能，可以使建筑物使用壽命得到極大地延長。使得其符合我國當今建筑材料發(fā)展的所要求得節(jié)材、節(jié)能的綠色經(jīng)濟技術政策，因此，成為了當今建筑材料綠色化技術需要發(fā)展的關鍵。
雖然，超高強混凝土經(jīng)濟技術優(yōu)勢較為明顯，但是由于在生產(chǎn)制備超高強混凝土土中往往需要較高的膠凝材料用量、較低的水膠比，使得超高強混凝土拌合物非常的粘稠，不易泵送施工使用，收縮較大，開裂風險較大。因此研究降低混凝土拌合物粘度，改善混凝土拌合物工作性能問題成為其推廣應用中急需解決的問題。
文中擬通過不同混凝土活性礦物摻合料的選取與摻量選擇、粉煤灰玻化微珠的摻加、適宜砂率與水膠比的確定等配合比優(yōu)化技術手段，研究強度等級為C100的超高強度混凝土的工作性與抗壓強度影響規(guī)律，為低粘度超高強C100級泵送混凝土配合比設計與制備提供技術參數(shù)。
1原材料及研究方案
1.1原材料
試驗采用哈爾濱賓西水泥廠產(chǎn)虎鼎P·O52.5普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強度31.5MPa，28d抗壓強度63.2MPa，比表面積394m2/kg；五常拉林河產(chǎn)的II區(qū)連續(xù)級配中砂，細度模數(shù)為2.85，含泥量0.1%；5mm～20mm連續(xù)級配的玄武巖碎石；大慶熱電廠產(chǎn)I級粉煤灰，需水量比98.6%，28d抗壓強度比95.4%，細度45μm篩篩余2.4%；吉林產(chǎn)S95級礦渣，比表面積為453m2/kg，需水量比92%，28d活性指數(shù)99.7；遼寧東科聚羧酸系高性能減水劑（粉劑），減水率33.6%，大連產(chǎn)硅灰，北京產(chǎn)粉煤灰漂珠，市售液體有機硅消泡劑。
1.2試驗研究方案
為了獲悉混凝土水膠比、膠凝材料用量、粉煤灰取代率以及砂率對超高強度混凝土工作性與強度的影響規(guī)律，基于前期初步試驗研究結果，確定固定混凝土設計容重為2450kg/m3，消泡劑摻量為膠凝材料質量的0.02%，保證混凝土的含氣量為1.5%～2.0%，降低含氣量對混凝土強度的影響，硅灰摻量為膠凝材料質量的5.0%，進行下列性能影響因素試驗。
（1）水膠比變化影響試驗?；炷僚浜媳戎猩奥蕿?/span>41%，固定膠凝材料總質量為610kg/m3，膠凝材料各組分質量比為，水泥：礦粉：粉煤灰：玻化微珠=65%：15%：10%：5%：5%，水膠比變化為0.18、0.19、0.20、0.21和0.22，進行對應試驗研究，混凝土配合比見表1。
（2）膠凝材料用量變化影響試驗?；炷僚浜媳戎猩奥蕿?/span>41%，固定水膠比為0.20，膠凝材料用量變化為550、580、610、630、660kg/m3，膠凝材料各組分質量比為，水泥：礦粉：粉煤灰：?；⒅?/span>=65%：15%：10%：5%：5%，減水劑摻量為膠凝材料質量的1.05%，進行對應試驗研究，混凝土配合比見表2。
（3）砂率影響試驗。混凝土配合比中固定水膠比為0.20，固定膠凝材料總質量為610kg/m3，膠凝材料各組分質量比為，水泥：礦粉：粉煤灰：?；⒅?/span>=65%：15%：10%：5%：5%，減水劑摻量為膠凝材料質量的1.05%，砂率采用37%、39%、41%、43%和45%。進行對應試驗研究，混凝土配合比見表3。
試驗按照相關標準試驗方法進行混凝土坍落度、坍落擴展度、T50時間、混凝土的3、7、28d和56d抗壓強度試驗。
2試驗結果與分析
不同配合比參數(shù)混凝土抗壓強度試驗結果分別列于表1～表3中，試驗采用混凝土坍落度、坍落擴展度和混凝土T50達到時間來評價混凝土的工作性及可泵送性能。
2.1水膠比對混凝土流動性及強度性能的影響
試驗中混凝土坍落度、擴展度與T50達到時間結果如圖1和圖2所示。
同時，由圖1的混凝土坍落度、坍落擴展度變化規(guī)律可知，隨著混凝土中水膠比的提高，混凝土的坍落度與坍落擴展度逐漸提高，且影響較大，在水膠比0.20時，既可以分別達到215mm和730mm，具有很好的可泵性能，較為適宜。圖2所示的混凝土T50達到時間呈現(xiàn)出隨著水膠比變大，混凝土T50時間逐漸縮短，且影響顯著，在0.18水膠比時，T50時間為20.5s，混凝土較為粘稠，流動性不好，在0.20水膠比時，可以實現(xiàn)7.8s達到T50的擴展度要求，流動性與粘聚性均達到最佳。之后隨著水膠比繼續(xù)增加，T50時間繼續(xù)縮短，但混凝土粘聚性降低。因此，從超高強混凝土需要達到的低粘度可泵送的工作性角度考慮，混凝土的水膠比最優(yōu)值為0.20。本試驗條件下，基于混凝土強度與工作性綜合考慮，低粘度超高強C100泵送混凝土的最佳水膠比應為0.20。
2.2膠凝材料用量對混凝土流動性及強度性能的影響
膠凝材料用量對混凝土流動性及強度性能的影響試驗中混凝土坍落度、擴展度與T50達到時間結果分別如圖3和圖4所示。
由表2強度數(shù)據(jù)結果分析得知，隨著膠凝材料總量的提高，混凝土對應不同齡期的強度逐漸提高，且提高幅度比例較為一致。28d抗壓強度，從550kg/m3的96.2MPa提升到660kg/m3的131.5MPa，當膠凝材料用量為610kg/m3時可以滿足C100混凝土的試配強度，且強度值為119.3MPa，從混凝土強度發(fā)展與達到設計要求和經(jīng)濟性原則考慮，建議混凝土的膠凝材料用量為610kg/m3。
同時，由圖3的混凝土坍落度、坍落擴展度變化規(guī)律可知，隨著混凝土中膠凝材料用量的提高，混凝土的坍落度與坍落擴展度逐漸提高，且影響顯著，在膠凝材料用量為610kg/m3時，既可以分別達到215mm和730mm，具有很好的可泵性能，再繼續(xù)增加后，坍落度與擴展的繼續(xù)增加。圖4所示的混凝土T50達到時間呈現(xiàn)出隨著膠凝材料用量變大，混凝土T50時間逐漸縮短，且影響顯著，在膠凝材料用量為610kg/m3時，可以實現(xiàn)7.8s達到T50的擴展度要求，流動性與粘聚性最佳。因此，從超高強混凝土需要達到的低粘度可泵送的工作性角度考慮，混凝土的膠凝材料用量為610kg/m3。
由于隨著膠凝材料總用量的增加，混凝土中水泥石體積含量也在大量的增加，過多的水泥石必然帶來混凝土抗裂性能的降低、收縮開裂風險增加、混凝土水化溫升大幅增高等負面影響，而且不符合經(jīng)濟性原則，因此本試驗條件下，基于混凝土強度與工作性綜合考慮，低粘度超高強C100泵送混凝土的最佳膠凝材料用量為610kg/m3。
2.3砂率對混凝土流動性及強度性能的影響
砂率對混凝土流動性及強度性能的影響試驗的混凝土坍落度、擴展度與T50達到時間結果分別如圖5和圖6所示。
由表3混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)分析可以得出，隨著砂率的降低混凝土不同齡期的抗壓強度逐漸增高?；炷?/span>28d抗壓強度，從砂率45%時的102.5MPa提升到37%砂率時的128.9MPa，當砂率為41%時可以滿足C100混凝土的試配強度，且強度值為119.3MPa。從數(shù)據(jù)分析來看，混凝土的砂率對高強混凝土各個齡期的均具有影響，但影響程度小于水膠比和膠凝材料總用量。從混凝土強度發(fā)展與達到設計要求角度考慮，建議混凝土的砂率不大于41%。
同時，由圖5的混凝土坍落度、坍落擴展度變化規(guī)律可知，隨著混凝土中砂率的提高，混凝土的坍落度與坍落擴展度逐漸提高，且影響較大，在砂率為41%時，既可以分別達到215mm和730mm，具有很好的可泵性能，較為適宜。圖6所示的混凝土T50達到時間呈現(xiàn)出隨著砂率變大，時間逐漸縮短，在41砂率時，T50時間為7.8s，流動性與粘聚性均適宜。從超高強混凝土需要達到的低粘度可泵送的工作性角度考慮，混凝土的砂率最優(yōu)值為41%。
3結語
本試驗條件下，基于混凝土強度、工作性、混凝土安全耐久性及經(jīng)濟性的綜合考慮，低粘度超高強C100泵送混凝土配合比參數(shù)中的水膠比宜為0.20，膠凝材料用量宜為610kg/m3，砂率建議控制在41%，這樣可以獲得坍落度215mm、坍落擴展度730mm，T50為7.8s，混凝土3、7、28和56d強度分別為92.5、102.3、119.3和126.8MPa的具有良好可泵性能的低粘度C100超高強度混凝土。
