一种C80高强泵送混凝土的制备及其耐久性试验研究

宋心，穆文芳，赵世冉，包贵安，孙朋伟

（1. 陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司，陕西 西咸新区 712000；2. 陕西恒盛混凝土有限公司，陕西西咸新区 712000；3. 陕西恒盛集团新材料研究中心，陕西 西咸新区 712000）

0 前言

近些年，随着建筑技术的不断发展，国内外日益重视对高强度等级泵送混凝土的研究和应用。高强泵送混凝土在减小结构断面尺寸、减轻结构自重、减少材料用量、提高混凝土结构耐久性等方面有普通混凝土无法比拟的优势，成为混凝土发展的趋势。目前，C60 及其以下混凝土技术的发展已经成熟，得到了充分的工程应用，对于 C80 及以上强度等级混凝土的应用国外虽有一些报道[1]，但国内还相对较少，为了做好技术储备，充分适应混凝土技术的发展，本文结合前人的研究成果，通过试验对 C80 高强泵送混凝土的物理力学性能及耐久性进行了试验研究。

根据 HSCC 93—1《高强混凝土结构设计与施工指南》要求，混凝土的施工配制强度必须超过设计要求的强度标准值，以满足强度保证率的需要，本试验 C80混凝土根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[2]进行设计，配制强度应不低于强度等级值的 1.15倍，故确定为 92MPa。

1 C80 高强泵送混凝土试验

1.1 试验原材料

试验水泥采用陕西冀东 P·O52.5 水泥，各项检测指标满足国标 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；粉煤灰采用陕西韩城大唐盛龙Ⅱ级粉煤灰，细度 21%，烧失量 5.2%；矿粉采用陕西韩城大唐盛龙S95 级矿粉，流动度比 96%，7d 活性指数 74%，28d活性指数 96%；硅灰由北京正源益新材料技术有限公司生产，SiO2含量＞92%，烧失量＜3%，比表面积＞20000m2/kg，7d 活性指数 93%，28d 活性指数 115%；天然细骨料采用陕西宝鸡中砂，细度模数 2.6，含泥量1%；碎石采用咸阳武功花岗岩碎石粒径为 5～20mm 连续级配的碎石，含泥量 0.1%，压碎指标 9%；减水剂采用江苏苏博特公司生产的聚羧酸系高效减水剂，固含量26%，减水率 30%。

1.2 试验方案

试验对比不同砂率和不同硅灰掺量对 C80 高强泵送混凝土性能的影响，并优选出最佳配比进行耐久性能试验研究，混凝土的工作性和力学性能分别按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土耐久性测试按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，其中砂率分别为 36%、38%、40%，硅灰掺量分别占胶凝材料总量的 4.6%、6.3%、7.8%。具体配合比见表 1。

表1 C80 高强泵送混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 不同砂率对 C80 高强泵送混凝土性能的影响

为了探索砂率对混凝土工作性能和力学性能的影响，优选出砂率分别 36%、38%、40% 的 G1、G2、G3三组配方分别进行性能对比试验，试验结果见表 2。

表2 不同砂率 C80 泵送混凝土的性能

由表 1 可知，砂率由 36% 增大到 40% 时，C80 高强混凝土的扩展度增大，表明砂率对 C80 混凝土的流动性有重要影响，同时，编号为 G2 和 G3 的混凝土倒坍落度筒流空时间均为 6s，满足高强泵送混凝土性能要求，表明在合理范围内提高砂率有助于提高 C80 高强泵送混凝土拌合物的和易性，且在 40% 砂率时，混凝土中的粗骨料被足够的砂浆包裹，流动性较好，无离析、泌水。由图 1 可以看出，本试验制备的三组混凝土拌合物 7d 强度均大于 80MPa，28d 强度均大于100MPa，表明本试验胶凝材料体系及骨料级配搭配合理，有进一步降低成本的空间。综合来看，砂率为 40%的 C80 泵送混凝土的工作性能和力学性能最好。

图1 不同砂率 C80 泵送混凝土的力学性能

2.2 不同硅灰掺量对 C80 高强泵送混凝土性能的影响

为了探讨不同硅灰掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响，优选出硅灰掺量分别为 4.6%、6.3%、7.8%的三组配方进行性能对比试验，试验结果见表 3。

表3 不同硅灰掺量 C80 泵送混凝土的性能

从表 3 的试验结果可以看出，随着硅灰掺量的逐渐增大，倒坍落度筒流空时间变化明显，呈现出先减小后增大的趋势，但坍落度经时损失均比较小。在硅灰掺量为 6.3% 时，倒坍落度筒流空时间最短，流动性较好。这是因为，硅灰为无定型球状颗粒，在混凝土中起到“滚珠润滑”作用，可以改善混凝土的和易性，降低粘度，提高流变性能，有利于泵送施工[3]，但当硅灰掺量过大时，超过了其作为火山灰材料的最优掺量，超量的硅灰会增大混凝土的吸水量，反而会降低了混凝土的流动度。

由图 2 可以看出，三组配合比混凝土的力学性能均较好，由 7d 的抗压强度数据可知，当硅灰掺量达到7.8% 时，混凝土的强度值最大，表明硅灰掺量的增加可以提高混凝土的早期强度，这是因为硅灰比粉煤灰、矿粉等掺和料的比表面积大，能够更好的填充混凝土的微孔隙，提高混凝土的密实度，进而提高混凝土的早期强度。从试块 28d 抗压强度可看出，三组配比抗压强度均超过 105MPa，远远超过 C80 泵送混凝土的抗压强度要求，这是因为随着混凝土养护龄期的增加，硅灰中的无定形 SiO2和水泥水化产生的氢氧化钙反应，形成更多的水化硅酸钙，优化了混凝土内部的孔径分布，使得结构更加致密，提高了混凝土的强度[4]。综合来看，硅灰掺量为 6.3%（质量分数）时 C80 泵送混凝土的物理性能、和易性和力学性能最好。

图2 不同硅灰掺量 C80 泵送混凝土的力学性能

2.3 最优配比耐久性能试验

根据上述试验结果，优选出最优配合比 G3 组与 G1组进行了收缩性能对比试验，并且通过仪器测试了 G3组的抗冻性能及其胶凝材料水化热。

2.3.1 混凝土收缩性能试验

本试验采用 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的非接触法进行测试，选取配合比 G3 和 G1 的混凝土拌合物浇筑入三组尺寸为100mm×100mm×515mm 的试模内进行对比试验，振动成型并抹平，然后立即带模移入温度为 (20±2)℃、相对湿度 (60±5)% 恒温恒湿室内，测定各龄期的收缩值，列于表 4。图 3 为试件 G3 和 G1 在不同龄期的收缩值曲线，由图中的试验结果可看出两个配合比的收缩值均较小，这可能是因为二者胶凝材料的水化放热量和水化放热速率均比较小的原因。配合比编号为 G3 的试件比 G1 的收缩值小，这可能是由于 G3 中砂浆、粗骨料和胶凝材料的颗粒级配相比 G1 搭配更为紧密，从而降低了混凝土的内部孔隙率，提高了水泥石和粗细骨料界面之间的粘接强度，降低了混凝土的收缩应力。

表4 C80 混凝土试件的收缩值曲线 ×10-6mm

图3 C80 泵送混凝土试件的收缩值曲线

2.3.2 胶凝材料水化热测试

采用等温量热法测试了该配合比水泥基胶凝体系的水化放热，试验仪器采用 TAM AIR 8 通道等温量热仪，测试温度为 20℃。以矿粉、粉煤灰、硅灰复掺的复合胶凝体系水化放热为试验组，试验结果见图 4、图5 和表 5。

图4 水化放热量

图5 水化放热速率

表5 胶凝体系 72h 水化热测试数据

由图 4、图 5 与表 5 的数据可看出，采用硅灰、矿粉和粉煤灰作为复合掺合料的胶凝材料 3d 水化热值相对较低（161J/g），小于 P·O52.5 水泥的 3d 水化热值（300J/g 左右），这可能是由于三种矿物掺和料的火山灰效应、微集料效应、形貌效应同时作用使得胶凝材料的水化热降低[5]。此外，混凝土中掺入粉煤灰能有效降低混凝土的坍落度损失和水化热，增加密实度和强度[6]。降低胶凝材料的水化热有助于提高混凝土硬化过程中的体积收缩、减少有害裂缝的产生。

2.3.3 抗冻性能试验

混凝土的抗冻性是混凝土耐久性的一项重要内容。本试验采用快冻法，采用 G3 配合比成型三组尺寸为100mm×100mm×400mm 的试件，试验结果见表 6。

表6 C80 泵送混凝土快速冻融试验

试验结果表明：C80 高强混凝土中适量掺加矿物质掺和料有助于混凝土抗冻性能的提升，且其水胶比小，结构致密，经 200 次冻融循环后其试件的质量损失率和相对动弹性模量值下降较小，试件外观完整，表明该混凝土试件的抗冻融性能好。这可能是由于胶凝材料中三种矿物掺和料的火山灰效应使得水泥水化产生的 Ca(OH)2被大量消耗，浆体的强度增加，结构更加致密，从而使抗冻性增强。

3 结语

（1）在反复试验的基础上，采用硅灰、矿粉和粉煤灰作为复合掺合料，得到了一组最佳配合比，即 m水泥: m砂: m石: m硅粉: m矿粉: m粉煤灰: m减水剂: m水=440:690:1035:40:80:80:15.4:140，混凝土 28d 抗压强度为 103.6MPa，为标准强度的 1.29 倍，新拌混凝土倒坍落度筒流空时间为 6s，和易性、可泵性好，达到 C80高强泵送混凝土的设计要求。

（2）在水胶比和胶凝材料总量不变的情况下，通过调整砂率进行三组混凝土的性能对比试验。结果表明：砂率为 40% 的 C80 高强泵送混凝土试件 28 天抗压强度相对较高，且工作性好，易于泵送。

（3）在胶凝材料总量和砂率不变的情况下，通过调整硅灰掺量进行三组混凝土的性能对比试验。结果表明：硅灰掺量为 6.3% 的 C80 高强混凝土的综合性能较优，混凝土中适量掺加硅灰有助于试件抗压强度的提升。

（4）C80 高强泵送混凝土的水胶比小，其内部结构致密，具有较低的胶材水化热，在实现混凝土强度的同时具有较小的收缩和较优的抗冻性。