硅灰配制海工自密实高性能混凝土的研究.pdf

2 0 1 3 年 第 7期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 01 3( To t a 1 No2 8 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅 助物料 MATERI AL AND ADM I NI CLE 硅灰配制海工自密实高性能混凝土的研究 王成启 ，张悦然 ( 中交上海三航科学研究院有限公司，上海 2 0 0 0 3 2 ) 摘要 ： 开展了复掺硅灰与矿渣粉海工 自密实高性能混凝土的试验研究。 试验结果表明， 矿渣粉较大的海工自密实混凝土 作 性较差 ， 采用硅灰替代矿渣粉可改善海工 自密实混凝土的工作性， 在复掺硅灰和矿渣粉总掺量为 7 0 ， 硅灰掺量 5 的条件下 ， 掺 人 5 5 6 5 矿渣粉 自密实混凝土具有较高的流动性、 填充性 、 间隙通过性和抗离析性等工作性； 2 8 d 抗压强度大于 5 0 MP a ， 5 6 d 的电通量小于 1 0 0 0 C， 9 0 d 扩散系数小于 1 5 x 1 0 z m 2 s ， 具有较高的抗压强度和抗氯盐侵蚀性能， 满足海洋环境下抗氯盐侵蚀的 质量要求。 关键词： 硅灰 ；矿渣粉；海工 自密实高性能混凝土 ；流动性 ；填充性；间隙通过性 ；抗氯盐侵蚀性能 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 7 6 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o f h i g h p e r f o r ma n c e s e rf c o m p a c t i n g c o n c r e t e f o r m a r i n e s t r u c t u r e w it h s i l i c a f u me WANG Che n gq i ， ZHANG Yu e r a n ( C h i n a Co mmu n i c a t i o n s S h a n g h a i T h i r dHa r b o r E n g i n e e r i n gS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y Re s e a r c hI n s t i t u t e Co ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Hi g h pe r f o r ma n c e s e l f - c o mpa c t i n g ma r i ne c o n c r e t e wi t h s i l i c a f ume a n d s l a g p o wd e r wa s e x p e r i me n t a l l y s tud i e d Ex p e r i me n- t a 1 r e s u l t s s h o we d t h a t t h e wo r ka b i l i t y o f h i g h p e r f o rm a nc e s e l f - c o mpa c t i n g ma r i ne c o n c r e t e wi t h h i g h c o n t e n t s l a g po wd e r wa s ba d a n d the wo r k a b i l i ty c o u l d b e i mp r o v e d b y u s i n g l i me s t o n e p o wd e r Mo r e o v e r ， t h e fl u i d i ty a n d fi l l i n g a b i l i ty a n d p a s s i n g a b i l i ty a n d s e g r e g a t i o n r e s i s t a n c e a n d e t c o f s e l f - c o mpa c t i ng c o n c r e t e c o nt a i n i ng 5 s i l i c a f ume a n d 5 5 -6 5 s l a g po wd e r wa s g oo d wh e n mi ne r a l a dmi x tur e s c o nt e n t wa s 7 0 a n d i t s a t i s fie d ma r i n e c o nc r e t e c o n s t r uc t i o nAt the s a me t i me， c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n 28 d wa s o v e r 50 MPa a nd c h a r g e p a s s e d i n 5 6 d wa s u n d e r 1 00 0 C a n d c h l o rid e p e n e t r a t i o n c o e ffic i e n t wa s u nd e r 1 5xl 0一 m2 s I t s c omp r e s s i v e s t r e n g t h a nd c h l o r i d e r e s i s t a n c e w e r e h i 曲 a n d i t c o u l d b e u s e d i n c o n c r e t e s t r u c t u r e o f m a r i n e c i r c u ms t a n c e Ke y wor ds ： s i l i c a fume ； s l a g p o wd e r ； h i g h p e r f o rm anc e s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e f o r ma r i n e s t r u c t u r e ； f l u i d i ty； fi l l i n g a b i l i ty； p a s s i n g a b i l i ty； c h l o r i d e r e s i s t a n c e 混凝土配制技术是指确定其合适的原材料组成及其 比例 ， 使其达到预定 目标性能 的设计方法 。 与普通混凝土 相比较 ， 自密实混凝土的关键技术是在新拌 阶段能够依靠 白重作用充填、 密实， 而不需要额外的人工振捣， 它包括流 动性或填充性 、 间隙通过性 以及抗 离析性等 3 个方面。 而 海工 自密实高性能混凝 土不仅满足 自密实混凝土 的所需 工作性 的要求 ， 而且具有较 高的抗氯盐侵蚀能力 ， 应提 出 抗氯盐侵蚀的指标要求 ， 同时， 还应兼顾 自 密实混凝土变形 、 碳化等其他方面的性能 ， 使配制的 自密实混凝土具有高性 能。 海工 自密实高性能混凝土 的配制应从原材料 的优选和 混凝土主要配制参数以及性能控制指标等方面综合考虑 。 掺人矿渣粉可改善 昆 凝 土工作性 ， 并具有较强 的抗氯 离子渗透性能， 能有效防止混凝土中钢筋由于氯离子侵入 而 引起 的腐蚀 ， 从 而提高混凝土结构物耐久性 1 _ 3 。 但矿渣 粉在应用过程 中也存在一定问题 ， 大掺量矿渣粉混凝土易 收稿 日期 ：2 0 1 3 一 叭一 l 9 76 造成离析等工作性不 良现象 。 硅灰颗粒非常细小， 大多数颗 粒 的粒径小于 1 i x r n ， 平均粒径 0 1 Ix m 左右 ， 仅是水 泥颗 粒直径 的 1 1 0 0 。 硅灰 的物理特性 决定 了硅灰的微小颗粒 具有高度 的分散性 ， 可以充 分地填充水化颗粒之 间， 提高 浆体硬化后的密实度 ， 提高混凝土的耐久性 。 同时 ， 在用 水量不变 的情况下 ， 随着硅灰掺量 的增加 ， 混凝土坍落度 明显减小 ， 混凝土的黏聚性好 ， 且离析倾 向小 ， 泌水作用大 幅度下降。 本试验开展硅灰与矿渣粉复合配制海工自密实 高性能混凝土 ， 以配制 出工作性和耐久性 良好海工 自密实 高性能混凝土。 1 试验 原材料优 选与试验 1 1 水 泥 采用台泥句荣 P 1 l 5 2 5 级水泥 。 对水泥的胶砂强度 、 安 定性 、 细度 、 凝结时间等指标进行了试验 ， 其性能指标测试结 果如表 1 所示 ， 其安定性合格 ， 性能达到了 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 标准 P I I 5 2 5 级水泥的质量标准。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 水泥的物理力学性能指标测试结构 1 2妒j 查粉 采用宝山钢铁有限公司宝 田$ 9 5 矿渣粉 ， 对流动度比、 比 表面积 、 含水量 、 烧失量 、 三氧化硫 、 需水量 比、 活性指数等性 能进行 了试验 ， 测试结果如表 2 所示 ， 达到了 G B T 1 8 0 4 6 _ _ 一 2 o o 8 用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 标准的质量 要求 。 此外， 测定矿渣粉的密度为 2 7 9 0 k g m 。 1 3硅 灰 采用 埃肯公 司生产 的硅 灰 ， 其 化学组成 和物理性 能 指标测 试结果 如表 3所示 ， 其 比表面积 为 1 8 0 0 0 m g ， 2 8 d的活性指数为 9 5 ， 达到 G B T 1 8 7 3 6 -2 0 0 2 高强 高性 能混凝 土用矿 物外加 剂 的质 量标 准 ， 测定 硅灰 的 密度为 2 2 g c m 。 表 2 矿渣粉的技术指标测试结果 1 4 骨料 1 4 1 细骨料 采用河砂 ， 其有关性能指标检测结果如表 4 、 5 和 图 1 所示 。 由表 4 、 5可知 ， 该河砂为细度模数为 2 7 6的 I I 区中 砂 ， 级 配 良好 ， 符 合 J G J 5 2 - 2 0 0 6 普 通 混凝 土 用砂 、 石 质量及检验方法标准的质量基本要求。 河砂 中粒径小于 0 1 6 mm的石粉含量为 1 4 。 符合国 内外 自密实混凝土的 基本要求 。 表 4 砂的技术指标检测结果 筛孔尺寸 J G J 5 2 2 o 0 6规定的级配区 筛分结果 ra m I 区 I I 区 I I I 区 符合 I I 区要求 1 4 2 粗骨料 由于海工 自密实高性能混凝土多用 于薄壁 构件以及 钢筋较为密集 的混凝土构件 ， 粗骨料的粒径不宜过大。 同时 ， 琶 咖 ： 筛 扎 尺 寸 ram 图 1 砂的筛分 曲线 国内外 自密实混凝土相关标准规定 ， 粗骨料的最大粒径不 宜大于 2 0 mm， 否则将增 大混凝土拌合物 的流动阻力和分 层离析 的几率 。 试验采用 5 2 0 m m 连续级配 的碎石 ， 由 5 1 0 m i l l 和 1 0 2 0 mm两级配配制而成 ， 将 5 1 0 mm和 1 0 2 0 m m 的碎 石分别进行 比例为 1 ： 9 、 2 ： 8 、 3 ： 7 筛分试验 ， 其性能指标及筛 分试验结果 的如表 6 、 7 和图 2 所示 。 从表 5 可 以看出 ， 粗骨 料最大粒径小于 2 0 mm， 针片状颗粒含量小 于 8 ， 空隙率 小于 4 0 ， 含泥量不大于 1 ， 泥块含量不大于 0 5 ， 满足 配制 自密实混凝土 的基本要求 。 从表 6 和图 2的筛分试验 结果可以看出， 由 5 1 0 mm和 1 0 2 0 m l T l 比例 3 ： 7 配制 的连 续级配的碎石级配良好， 满足 J G J 5 2 2 o 0 6 普通混凝土用 砂、 石质量及检验方法标准 级配要求。 因此 ， 采用 5 l 0 m m 和 1 0 2 0 I r l m比例 3 ： 7 的碎石配制海工 自 密实混凝土。 表 6 粗骨料的性能指标检测结果 1 5外加 剂 采用巴斯夫有限公司 R P 2 5 聚羧酸高效减水剂， 其 l生 能指 标的检测结果如表 8 所示 ， 其减水率均达到 G B 8 0 7 6 - - - 2 0 0 8 混凝土外加剂 的质量要求。 7 7 如 如 O 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 粗骨料筛分试验结果 筛孑 L 尺寸 筛分结果( 3 ： 7 )筛分结果( 2 ： 8 )筛分结果 ( 1 ： 9 ) 规定值 1 O 0 9 0 80 琶7 0 6 0 譬5 0 女4 0 日 ；3 0 20 1 0 0 2 4 6 8 1 o 1 2 1 4 1 6 l 8 2 O 筛孔尺寸 ram 图 2 碎石的筛分 曲线 表 8 聚羧酸高效减水剂检测结果 2 混凝 土配合 比与试验方法 2 1混凝 土 配合 比 分别配制 了单掺矿渣粉和复掺硅灰与矿渣粉 自密实 混凝土 ， 单掺矿渣粉掺量为 4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 0 、 8 0 ， 编号 分别为 K 4 0 、 K 5 0 、 K 6 0 、 K 7 0 、 K8 0 ； 复掺硅灰与矿渣粉总掺量 为 7 0 ， 硅灰掺量为 5 ， 矿渣粉掺量分别为 4 5 、 5 5 、 6 5 ， 编号分别为 K S 1 、 K S 2 、 K S 3 ， 混凝土的配合 比如表 9 所示 。 表 9 自密实混凝土配合比 k g m 2 2 试验方 法与仪 器设备 ( 1 ) 工作性试验。 工作性能主要包括坍落度、 坍落扩展 度 、 T 5 0 0 、 L型仪 、 V型 仪 、 U型仪拌合 物稳定性跳桌等试 验， 工作性试验方法参照 C C E S 0 2 -2 0 0 4 ( 自密实混凝土 设计与施工指南 和 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ( ( 自密实混凝土应用 技术规程 等标准的有关规定进行。 ( 2 ) 耐 久I生 试验 。 耐久性试验主要包括电通量 、 扩散系 数。 电通量试验按 A S T M C 1 2 0 2 ( 混凝土抗氯离子渗透性 标准试 验方法 进行 ； 扩散系数试验按 G B J 8 2 8 5 普通混 凝土长期性能和耐久性能试验方法 ( R C M法 ) 的有关规 78 定进行。 ( 3 ) 力学性能试验。 抗压强度试验按 J T J 2 7 o _ - 9 8 水 运工程混凝土试验规程 的有关规定进行 。 3 试验结果与讨论分析 3 1 拌合物性能 3 1 1 流动性和填充性试验 混凝土的流动性和填充性的参数的试验结果如表 1 0 。 从表 1 0 测试结果可以看 出， 随着矿渣粉掺量的增加 ， 自密 实混凝土的坍落度和坍落扩展度均不断增加 ， T 5 0 0流动 时间和v型漏斗通过时间均有一定程度地降低， 表明白密 实混凝 土的黏性下降 ， 流动性和填充性有所增加 ， 但 自密 实混凝土会出现离析和泌水现象 ， 矿渣粉掺量为 7 0 和8 0 的 自密实混凝土已表现出明显的离析和泌水 的现象。 从 自 密实混凝土的工作性和填充性来看 ， 掺量 为 6 0 矿渣粉 的 自密实混凝土的和易性较好， 且坍落扩展度较大 ， 填充性 能较好。 从表 1 0 还可以看出， 当掺合料总掺量为 7 0 、 硅灰 掺量为 5 时， 随着矿渣粉掺量的增加 ， 自密实混凝土的坍 落度和坍落扩展度增加， T 5 0 0流动时间和 v型漏斗通过 时间不断减小 ， 混凝土拌合物的流动性和填充性增加。 从流 动性和填充性和分析来看 ， 复掺矿渣粉与硅灰混凝土 的矿 物掺合料用量宜为 7 0 左右 ， 矿渣粉掺量宜为 5 5 6 5 ， 硅 灰掺量宜为 5 左右。 表 1 0 自密实混凝土流动性和填充性测试结果 编号 混凝lI m m m m S 动 S 日q J 到 HU1 日 J 3 1 - 2 间隙通过性与抗离析性试验 间 隙通过性 和抗 离析 性测 试结 果 如表 1 l 所 示 。 从 表 l 1 的测试结果可 以看 出， 随着矿渣粉掺量 的增加 ， 掺人 矿渣粉的 自密实混凝土 L型仪高度比、 u型仪填充高度以 及粗骨料振动离析率均呈现不断降低趋势 ， 这表明掺入矿 渣粉使自密实混凝土黏聚性有一定程度地降低， 间隙通过 性能变差 ， L型仪高度 比在 0 7 0 0 8 0之间 ， u型仪 填充 高 度在 2 9 0 3 1 8 m m之间 ， 不能满 足海工 自密实高性能混凝 土拌合物的间隙通过性质量要求。 从表 1 1 还可以看出， 在 矿渣粉 与硅灰总掺量为 7 0 和硅灰掺量为 5 的条件下 ， 随着矿渣粉掺量增加， 复掺矿渣粉与硅灰 白密实混凝土 L 型仪高度比、 u型仪填充高度不断增加， 当矿渣粉掺量为 4 5 6 5 时 ， 自密实混凝土的 L型仪高度 比均大于 0 8 0 ， u型仪填充高度大于 3 2 0 m n l ， 振动离析率小 于 1 0 ， 具有 较高间隙通过性能。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 1 自密实混凝土间隙通过性测试结果 表 1 3 自密实混凝土的电通量和扩散系数测试结果 3 2 抗 压 强 度 抗压强度 、 含气量和表观密度 ， 测试结果如表 1 2 。 表 1 2 的测试结果表明， 不 同掺量矿渣粉混凝土 的含气量在0 8 1 5 之 间 ， 变化 不大 ； 不 同矿渣 粉混 凝土 的表 观密度 在 2 3 3 0 2 3 8 2 k g ms 之 间 ， 随着矿渣 粉掺量 的增加 ， 表 观密 度 略有下降。 表 1 2 测试结果还表 明， 随着 矿渣粉掺量的增 加 ， 混凝土的抗压强度逐渐降低 ， 掺量从 4 0 增加到8 0 ， 7 、 2 8 、 5 6 、 9 0 d的抗压强度分 别下 降 4 3 2 、 2 6 0 、 2 2 0 、 2 0 9 ， 降低 幅度随着龄期的增加而不断减小 。 掺量 为4 0 8 0 矿渣粉 自密实混凝土的 2 8 d 抗压强度均大于 5 0 MP a ， 在 5 4 1 - 7 3 1 MP a之间 表 1 2 自密实混凝土的含气量 、 表观密度和抗压强度 从表 1 2还可以看 出， 复掺矿渣 粉与硅灰粉海工 自密 实高性能混凝土的含气量在 1 5 1 9 之 间， 表观密度在 2 3 7 5 2 4 0 0 k g m 之 间 ， 含气量与 表观密度 变化不大 。 复 掺矿渣粉 与硅灰 白密实混 凝土 的 2 8 d抗 压强度 均 大于 5 7 MP a ， 在 5 7 7 6 2 5 MP a 之 间， 9 0 d的抗压强度还会继续 增 加 ， 在 6 9 6 7 3 7 MP a 之间 ， 具有较 高的抗压强度 ， 满足 海工混凝土结构的抗压强度要求 。 3 3耐 久性 电通量和扩散系数 的测试结果 分别如表 1 3 所示 。 从 表 1 3可以看出， 随着龄期的增加， 混凝土的电通量不断降 低 ； 随着 矿渣粉掺量的增加 ， 自密实混凝土 的电量有所 降 低 ， 矿渣粉掺量为 6 0 8 0 的 自密实混凝土电通量相对较 小 ， 5 6 、 9 0 d的电通量均小于 1 0 0 0 C， 具有较高的抗氯盐侵蚀 能力。 从表 1 3 还可以看 出， 自密实混凝 土扩散系数的变化 规律与电通量基本相 同， 矿渣粉掺量为 6 0 的自密实混凝 土的扩散 系数相对较小 ， 5 6 d 扩散系数为 1 8 9 2 x 1 0 m2 s ， 9 0 d扩散系数 为 1 3 9 1 x l O m2 s ， 小 于 1 5 1 0 m 2 s ， 也具 有较高的抗氯盐侵蚀性能 ， 可满足海洋环境下抗氯盐侵蚀 环境 的要求 。 从表 1 3 还可以看出， 随着矿渣粉掺量的增加 ， 自密实混 凝土电通量和扩散系数不断减小 ， 矿渣粉掺量为 4 5 、 5 5 、 6 5 的自密实混凝土 5 6 、 9 0 d的电通量均小于 1 0 0 0 C ， 扩散 系数与电通量基本相同 ， 掺入 5 5 、 6 5 的矿渣粉 自密实混 凝土扩散系数较低 ， 9 0 d的扩散系数均小于 1 5 x l O m2 s 。 4结论 通过优选原材料和配合 比的优化设计 ， 研究 了单掺矿 渣粉以及复掺硅灰与矿渣粉海工 自密实高性能混凝土 ， 包 括工作性 、 抗压强度和耐久性等性能指标 ， 并优 选出复掺 硅灰和矿渣粉的组成 。 当单掺矿渣粉掺量较大时， 自密实混 凝土会出现离析泌水 ， 间隙通过性和抗离析性也下降 ， 不能 满足 自 密实混凝土工作性要求。 采用硅灰粉替代矿渣粉 ， 可 有效改善海工 自密实工作性 ， 在粉煤灰和石灰石粉掺量为 7 0 的条件下 ， 掺人 5 5 - 6 5 粉煤灰 自密实混凝土具有较 高的流动性 、 填充性 、 间隙通过性 和抗离析性等性能 ， 满 足 自密 实混凝 土的施工要求 ； 同时 ， 具有较 高的抗压强度 和 抗氯盐侵蚀耐久性 ， 2 8 d抗压强度大于 5 0 MP a ， 5 6 d的电 通量小于 1 0 0 0 C， 9 0 d 扩散 系数小于 1 5 x l O m ： s ，满 足 海洋环境下抗氯盐侵蚀的耐久性要求。 参考文献： 1 张国志， 刘秉京 磨细矿渣高性能混凝土在桥梁工程中的应用 中国港湾建设 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 1 3 1 6 2 陈迅捷， 陈迅捷， 张燕驰 磨细矿渣高性能混凝土研究 水运工 程 ， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 1 2 1 8 【 3 】 路来军 ， 李虎军 磨细矿渣高性能混凝土的研究与应用【 J J _施 工 技术， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 9 - 1 1 4 刘俊龙 ， 麻海燕 ， 胡蝶矿物掺合料对混凝土氯离子扩散行为的 时间依赖性的影O il J 南京航空航天大学学报， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 2 7 9 28 2 5 蒋明 ， 谭克锋 ， 范付忠 高性能轻集料混凝土的强度及耐久性 的 研究【 J 】 _混凝土与水泥制品， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 2 0 2 1 6 杨坪 ， 彭振斌 圭粉在 混凝土 的应用探讨 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 1 1 一】 3 作者简介： 王成启( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 教授级高级工程师 ， 博士 ， 从事工 程材料的研究。 联系地址： 上海市肇嘉浜路 8 2 9号 中交上海三航科学研究院有 限公司( 2 0 0 0 3 2 ) 联系电话 ： 0 2 1 6 4 6 9 5 0 3 5 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m