复掺粉煤灰与石灰石粉海工自密实高性能混凝土试验研究

王成启，张悦然

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

我国东海大桥、杭州湾大桥以及洋山深水港等海港码头和跨海大桥均采用海工高性能混凝土，以提高混凝土的耐久性[1-4]。在某些情况下，海洋工程的建设对高性能混凝土提出了更高的要求，例如，某些海洋工程的大体积钢筋混凝土结构荷载大，配筋密集，振捣困难，容易产生蜂窝、麻面、气泡、空洞等缺陷，从而对混凝土的强度和耐久性产生影响。采用高性能自密实混凝土可使混凝土流动性明显增大，同时，也具有足够的塑性黏度，依靠自重自流平、自密实，充满模板和包裹钢筋。因此，研究海工自密实高性能混凝土以满足海洋环境高性能混凝土施工需要，具有显著的技术和经济意义。

粉煤灰是配制高性能混凝土最常用的掺合料，掺入粉煤灰可改善混凝土的工作性和耐久性，并可降低混凝土的绝热温升，是配制高性能混凝土的主要途径之一[5-8]，也是配制自密实混凝土的常用矿物掺合料[9-11]。石灰石粉具有减水、填充和颗粒形貌效应，可有效改善混凝土的工作性，石灰石粉具有一定活性[12-13]，也是改善海工自密实混凝土工作性的有效途径之一。本文通过自密实混凝土原材料的优选，开展复掺粉煤灰和石灰石粉海工自密实高性能混凝土的试验研究。

1 试验用原材料

1.1 水泥

采用台泥句荣52.5Ⅱ型硅酸盐水泥。对水泥的强度等级、安定性、细度、凝结时间等指标进行了试验，其性能指标见表1，其安定性合格，性能达到了GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[14]中52.5Ⅱ型硅酸盐水泥的质量标准。

表1 水泥的物理力学性能指标测试结果

1.2 粉煤灰

采用镇江谏壁发电厂生产的苏源牌Ⅰ级粉煤灰，其性能指标测试结果如表2所示，达到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[15]的质量要求。

表2 粉煤灰的技术指标测试结果

1.3 石灰石粉

采用浙江省湖州石粉厂生产的400目石灰石粉，其化学组成如表3所示。采用勃氏法，400目石灰石粉的比表面积为495 m2/kg，密度为2.71 g/cm3。

表3 石灰石粉的化学组成 %

1.4 骨料

1.4.1 细骨料

采用河砂，性能指标检测结果如表4、表5所示。由表4和表5可知，该河砂为细度模数2.76的Ⅱ区中砂，级配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[16]的质量基本要求。河砂中粒径小于0.16 mm的石粉含量为1.4%。符合国内外对自密实混凝土细骨料的基本要求。

表4 砂的技术指标检测结果

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，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20 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。

表5 砂级配测试结果

试验采用5～20 mm连续级配的碎石，由5～10 mm和10～20 mm两级配配制而成，并将两级配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如表6、表7所示。从表6可以看出，粗骨料最大粒径小于20 mm，针片状颗粒含量小于8%，空隙率小于40%，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7的筛分试验结果可以看出，由两级配比例3∶7配制的连续级配的碎石级配良好，满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》级配要求。因此，采用两级配比例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

表7 粗骨料筛分试验结果

1.5 减水剂

采用巴斯夫有限公司RP25聚羧酸高效减水剂，其性能指标的检测结果如表8所示，其减水率均达到GB 8076—2008《混凝土外加剂》[17]的质量要求。

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

分别配制单掺石灰石粉和复掺粉煤灰和石灰石粉自密实混凝土，粉煤灰与石灰石粉掺量为10%、20%和30%，测试混凝土的拌合物的工作性、强度和耐久性，混凝土的配合比如表9所示。

表9 复掺粉煤灰和石灰石粉自密实混凝土的配合比kg·m-3

2.2 试验方法

2.2.1 工作性试验

工作性能主要包括坍落度、坍落扩展度、T500、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CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和CECS 203：2006《自密实混凝土应用技术规程》等标准的有关规定进行。

2.2.2 耐久性试验

耐久性试验主要包括电通量、扩散系数和碳化试验等。电通量试验按ASTM C 1202《混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法》进行；扩散系数试验分别按NT BUILD 443《硬化混凝土：快速氯离子侵蚀试验方法》[18]和GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（RCM法）[19]的有关规定进行。

2.2.3 力学性能试验

抗压强度试验按JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》[20]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

测试了粉煤灰混凝土的流动性和填充性参数，坍落扩展度、T500流动时间、V型漏斗通过时间等试验结果如表10。从表10可以看出，单掺20%的400目石灰石粉自密实混凝土均具有较大的坍落度和坍落扩展度，T500流动时间和V型漏斗通过时间有所降低，当石灰石粉掺量为20%时，复掺粉煤灰和石灰石粉的自密实混凝土具有较高的坍落扩展度，T500流动时间和V型漏斗通过时间最小，混凝土拌合物的流动性和填充性最好；复掺粉煤灰和石灰石粉自密实混凝土的坍落扩展度比单掺石灰石粉自密实混凝土有所增加，T500流动时间和V型漏斗通过时间也有所增加。

表10 复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土流动性和填充性测试结果

3.1.2 间隙通过性试验

表征自密实混凝土拌合物间隙通过性采用L型仪测试高度比（H2/H1），U型仪测试填充高度。测试结果如表11所示。可以看出，单掺20%石灰石粉自密实混凝土L型仪高度比和U型仪填充高度均较大，间隙通过性能改善。从表11还可以看出，在粉煤灰和石灰石粉总掺量为40%的情况下，当石灰石粉掺量为20%时，复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土L型仪高度比和U型仪填充高度较大，具有较高的间隙通过能力；复掺粉煤灰和石灰石粉自密实混凝土的间隙通过性比单掺石灰石粉自密实混凝土有所提高。3.1.3 抗离析稳定性试验

表11 复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土间隙通过性测试结果

进行混凝土拌合物稳定性跳桌试验，判断自密实混凝土的抗离析稳定性，其测试结果如表12所示。可以看出，随着石灰石粉掺量的增加，自密实混凝土粗骨料振动离析率均具有不断降低趋势，掺入20%的石灰石粉自密实混凝土具有较低振动离析率；从表12还可以看出，复掺粉煤灰与石灰石粉海工自密实高性能混凝土粗骨料振动离析率在5.0%～7.5%之间，且随着石灰石粉掺量增加有下降的趋势，具有较高抗离析稳定性。

表12 复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土抗离析性

3.2 抗压强度

测试了单掺石灰石粉自密实混凝土的抗压强度、含气量和表观密度，测试结果如表13。表13表明，不同细度和掺量石灰石粉混凝土的含气量在1.2%～1.6%之间，变化不大；混凝土的表观密度在2 406～2 437 kg/m3之间，石灰石粉对混凝土含气量和表观密度影响不大；随着石灰石粉掺量的增加，7 d、28 d、56 d和90 d的抗压强度均有所下降，掺入10%～30%石灰石粉自密实混凝土的28 d抗压强度均高于60 MPa，在64.3～76.1 MPa之间。

表13 复掺粉煤灰和石灰石粉自密实混凝土的含气量、表观密度和抗压强度

从表13还可以看出，复掺粉煤灰与石灰石粉海工自密实高性能混凝土的含气量在0.7%～1.0%之间，表观密度在2 380～2 400 kg/m3之间，含气量与表观密度变化不大；复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土的28 d抗压强度均大于50 MPa，在52.1～54.1 MPa之间，90 d的抗压强度还会继续增加，在60.5～63.1 MPa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

开展了粉煤灰自密实混凝土的耐久性试验，包括电通量、RCM法扩散系数和NTBUILD443扩散系数，28 d、56 d和90 d的电通量和扩散系数的测试结果分别如表14所示。可以看出，随着龄期的增加，混凝土的电通量逐渐降低；随着石灰石粉掺量的增加，自密实混凝土的电量没有明显的降低，56 d和90 d的电通量均大于1 000 C，表明单掺石灰石粉混凝土的抗氯盐侵蚀性能不高；混凝土扩散系数的变化规律与电通量基本相同，自密实混凝土的56 d扩散系数均大于3.0×10-12m2/s，90 d扩散系数均大于2.5×10-12m2/s。因此，单掺石灰石粉混凝土的抗氯盐侵蚀性能不高，需采用复合矿物掺合料配制海工自密实高性能混凝土。

表14 复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土的电通量和扩散系数测试结果

从表14还可以看出，掺入20%石灰石粉自密实高性能混凝土电通量较低，56 d和90 d的电通量均小于1 000 C；扩散系数与电通量基本相同，掺入20%的石灰石粉海工自密实高性能混凝土扩散系数较低，90 d的扩散系数均小于1.5×10-12m2/s。因此，复掺粉煤灰与石灰石粉自密实混凝土的掺合料总掺量宜控制在40%左右，粉煤灰掺量宜为10%～30%，石灰石粉掺量宜为10%～30%。

4 结语

通过优选原材料和配合比的优化设计，研究了复掺粉煤灰与石灰石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，并优选出复掺粉煤灰和石灰石粉的组成。在粉煤灰和石灰石粉掺量为40%的条件下，掺入10%～30%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，28 d抗压强度大于50 MPa，56 d的电通量小于1 000 C，90 d扩散系数小于1.5×10-12m2/s，满足海洋环境下抗氯盐侵蚀的耐久性要求。

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