低熟料胶凝材料对混凝土耐久性的研究

陈明路 宋少民 封 鑫

（1.北京建筑大学 土木与交通学院 100044 北京；2.北京科技大学 土木与环境工程学院 100083 北京）

混凝土的开裂问题一直是困扰工程界的难题，即使是最密实的混凝土，一旦发生开裂，也不能有效的保护混凝土抵御外界环境中有害介质的侵入，这样混凝土的使用年限就会大大的降低。混凝土的开裂主要与混凝土的原材料（特别是水泥）、浆骨比、施工养护等因素有关。水泥厂为了迎合混凝土企业和施工企业追求早强、高强的心态，水泥中高强和早强组分越来越多，比表面积越来越大，水化热越来越大，抗裂性能、抗腐蚀性越来越差，混凝土强度的后期增长率下降甚至倒缩。作为混凝土的主要组分的水泥，严重影响了混凝土结构抵抗环境作用的耐久性能[1]。

上世纪90年代吴中伟先生提出了高性能胶凝材料的概念。高性能胶凝材料是在平时配制水泥熟料时直接将混凝土中需要加入的各种掺合料、外加剂与熟料混合，经过石膏掺量的优化后以合适的配合比制成不同强度等级的混凝土。得到的胶凝材料不用再加其他添加剂，便可以用于配制不同强度等级的混凝土，此种混凝土是拥有合适坍落度、强度、抗裂性的高性能混凝土[2]。国内许多学者对水泥的细度、石膏的掺量、粉磨工艺等对混凝土性能的影响方面也做了大量的研究，并提出了对高性能水泥的要求[3-13]。

本文采用由比表面积较高的掺和料和比表面积较低的水泥熟料制备的低熟料胶凝材料，研究了这种低熟料胶凝材料对混凝土和易性、氯离子扩散系数和抗裂性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：采用北京金隅水泥厂生产的P·O 42.5水泥，物理力学性能见表1。

水泥熟料：北京金隅水泥厂普通硅酸盐水泥熟料，粉磨后控制熟料比表面积为300±5m2/kg和350±5m2/kg两个级别。

石灰石粉：采用北京某公司生产的石灰石粉，比表面积为440m2/kg，密度为2.76g/cm3。

矿渣粉：采用北京生产的S95级矿渣粉，比表面积为440m2/kg，密度2.89g/cm3。

粉煤灰：采用Ⅰ级灰，比表面积为460m2/kg，密度2.2g/cm3。

石子：采用两级配，5cm～10cm以及10cm～25cm，采用大石子∶小石子=7∶3的比例。

砂：河北水洗砂，细度模数为2.7，属于Ⅱ区中砂。外加剂：奈系高效减水剂，含固量为33%。

1.2 配合比和试验方法

1.2.1 混凝土配合比

C30混凝土试验配合比如表2所示，A组、B组为低熟料胶凝材料，比表面积分别为300±5m2/kg和350±5m2/kg，C组为金隅水泥组。

1.2.2 混凝土和易性试验

水泥组C组的水胶比为0.46；低熟料胶凝材料由于其制备工艺的原因，其有较低的需水行为。通过混凝土试配在保证和易性相同时（坍落度在200±10mm），确定低熟料胶凝材料组的用水量。

1.2.3 混凝土氯离子扩散试验

试件尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试块，成型后在其表面覆盖薄膜，在室温20±5℃的环境中静置二昼夜，然后拆模，放到标准养护室中养护至28d。将养护好的试块切割成100mm×100mm×50mm的试块，分别采用NEL法进行试验。

1.2.4 混凝土抗裂试验

按照表3所示的试验配比制作混凝土抗裂环，实验配制混凝土抗裂性实验试件放在标准养护室养护3天后自然养护，观察并记录抗裂环开裂的时间以及裂缝的宽度。

3 结果及分析

3.1 混凝土和易性分析

实验中，混凝土用水量根据混凝土的和易性状况进行确定，即通过用水量将混凝土的坍落度控制在200±10mm范围内，同时保证混凝土的粘聚性和保水性，混凝土实际用水量及和易性情况如表4所示。

混凝土用水量出现降低的情况可以从两个方面进行分析：一是低熟料胶凝材料体系的需水行为；二是低熟料胶凝材料体系的Fuller曲线复合情况。

表1 水泥的物理力学性能

表2 C30混凝土试验配合比

表3 混凝土抗裂试验配比

试验测得低熟料胶凝材料的各组成成分进行了蓄水行为的试验，其中北京金隅比表面积300±5m2/kg的熟料+3.5%SO3组成的胶材，其标准稠度用水量仅为125m l，远小于金隅水泥标准稠度用水量，在加上大量掺和料的使用，降低了胶凝体系的整体需水，使得混凝土水胶比降低。另一方面，我们对300±5m2/kg配制的两种低熟料胶凝材料的级配计算，图1、图2是两种低熟料胶凝材料的Fuller曲线图。

从图中我们可以看出，A2组的Fuller曲线复合程度要高于A1组，这样良好的级配可以很大程度上降低混凝土的用水量，降低混凝土的水胶比，保证低熟料胶凝材料配制的混凝土的早期强度能满足要求。

3.2 混凝土抗氯离子渗透性能研究

按照NEL对混凝土进行氯离子扩散系数的测定，试验结果见表5。

根据试验结果，得出所配置的混凝土渗透等级评价为中等。但是A组的抗氯离子渗透能力要大于B组和C组。A组抗氯离子渗透性能较高的原因，一方面是胶凝体系整体需水行为好，降低了混凝土的水胶比，使得混凝土内部多余的水分减少；另一方面是超细粉的使用填充了水泥粒子之间及界面过渡区的空隙中，使砂浆机水泥石结构更加致密，阻断了可能形成的渗透通路，使得混凝土的抗渗透性能大幅度提高。粉煤灰、矿渣的掺入不断与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成C-S-H凝胶，使得相互连通的孔道减少，对混凝土起到填充作用，超细石灰石粉的使用，改善了砂浆的孔结构，阻止了水和氯离子等有害介质的侵入，提高了混凝土的抗渗性能。实验中，A1和A2的氯离子扩散系数差别不大，且考虑到成本及掺和料后期对性能的提高作用，选用A2组作为低熟料胶凝材料的组成具有更大的使用价值。

表4 混凝土用水量及和易性情况

图1 A 1低熟料胶凝材料Fu ller曲线

图2 A 2低熟料胶凝材料Fu ller曲线

表5 混凝土氯离子扩散系数

表6 混凝土抗裂环裂缝情况

3.3 混凝土圆环抗裂分析

我们根据混凝土的强度和抗氯离子渗透试验研究，发现40%的熟料组成的低熟料胶凝材料可以更好的抵御氯离子的侵蚀，故混凝土抗裂试验只进行A2、B2、C2组试验，为保证试验精度，每组做2个抗裂环，以方便对其混凝土性能进行研究。抗裂环标养3天后，拆模，放置自然环境中，将放置在自然环境中养护的第一天规定为裂缝观察期第一天，记录裂缝出现的时间以及裂缝条数和宽度。

本实验对A2、B2、C2组进行了14天的裂缝观察试验，观察结果如表6示。

从实验结果来看，C2组裂缝出现的最早，裂缝宽度最大，混凝土开裂敏感性大，而采用300±5m2/kg、350±5m2/kg低比表面积组成的低熟料胶凝材料，开裂敏感性有了显著的降低，尤其以A2最优。这是因为，采用大掺量掺和料、低比表面积熟料组成的低熟料胶凝材料水化放热有很大程度的降低。在早期，磨得较粗的水泥，未水化水泥颗粒较多，可以稳定凝胶，起了阻裂剂的作用。而采用水泥厂提供的P·O42.5水泥配制的混凝土，虽然在各个组分上和低熟料胶凝材料一致，但是水泥比表面积达到了390m2/kg，前期水化速度快，在干燥的环境中很容易引起开裂。

结论

（1）采用比表面积300±5m2/kg，40%熟料掺量，通过优化三氧化硫含量为3.5%组成的低熟料胶凝材料可以在满足C30混凝土流变性能的前提下，降低同比例水泥混凝土的水胶比，保证了混凝土的早期强度。

（2）低熟料胶凝材料配制的C30混凝土由于其低水胶比，使混凝土更加密实，熟料比表面积300±5m2/kg组的混凝土的抗氯离子渗透性能较低。

（3）采用A2组制成的低熟料胶凝材料，降低了混凝土开裂风险，相比于普通水泥混凝土，低熟料胶凝材料（A2）配制的抗裂环延迟10d左右开裂。

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