超高性能混凝土造壳改善大吸水率骨料混凝土性能研究

赵 杨，张 云，夏京亮，周永祥，李 康

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中国建筑科学研究院，北京 100013)

当前，国家正在积极推进“一带一路”倡议，蒙-内铁路是“一带一路”倡议的重要项目，其连接了东非最大港口蒙巴萨和肯尼亚首都内罗毕，全长480 km。对于铁路工程而言，混凝土工程质量起到了基础性的作用。骨料占混凝土体积分数较高，对混凝土质量影响较大[1-3]。蒙内铁路沿线某些地区的骨料存在吸水率较大的问题，《铁路混凝土》TB/T3275—2011中规定：混凝土用粗骨料的吸水率应小于2%，但蒙内铁路沿线某些地区骨料的吸水率在3%左右，不满足标准要求，这给工程建设带来了难题。

“造壳”工艺是指使骨料表面形成一薄层浆壳而获得增强效果的技术[4,5]。超高性能混凝土因其超高强度与超高耐久性等突出的性能优点而逐渐受到关注和研究，目前超高性能混凝土分为两种，即抗压强度高于100 MPa的含粗骨料的超高性能混凝土和不含粗骨料的活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)[6,7]。该文研究了通过掺加UHPC的浆体在大吸水率骨料表面造壳改善大吸水率骨料混凝土性能，从而促进了大吸水率骨料的应用。

1 试 验

1.1 原材料

1)粗骨料：级配粒径范围为5～20 mm(见图1)，化学成分见表1，物理指标见表2。

2)细骨料：河砂，II区中砂，细度模数2.8。

3)水泥：普通硅酸盐42.5水泥，物理力学性能见表3。

表1 蒙内铁路沿线部分地区骨料化学成分 w/%

表2 蒙内铁路沿线部分地区骨料物理指标

表3 普通硅酸盐42.5水泥物理力学性能

标准稠度用水量/%凝结时间/min初凝终凝抗折强度/MPa3 d28 d抗压强度/MPa3 d28 d251502804.957.0526.448.7

4)粉煤灰：I级粉煤灰，需水量比93%，细度7.2%，密度2.2 g/cm3。

5)超过性能混凝土：建研昆仑有限公司生产的超高性能混凝土干混料。

6)外加剂：聚羧酸系减水剂，减水率 29.5%，含固量为20.3%。

1.2 方法

1.2.1 “造壳”工艺

“造壳”工艺流程见图2。

具体步骤：将“造壳”所用UHPC放入搅拌机搅拌，然后加入确定的用水量，搅拌60 s，然后将骨料放入，搅拌60 s后，再将原配合比中其他原材料正常加入，搅拌120 s，得到试验混凝土。“造壳”浆液的组成为：UHPC+水，“造壳”处理后，再进行混凝土的拌制。

1.2.2 试验配合比

试验配合比如表4所示。

表4 试验混凝土配合比 kg/m3

1.2.3 试验方法

混凝土工作性能按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行；抗压强度按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；长期性能和耐久性能按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

2 结果与分析

2.1 混凝土工作性能

按照UHPC干混料的试验方案对蒙内铁路沿线某地区大吸水率骨料进行“造壳”后配制的混凝土工作性能如表5所示，图3为拌合物工作状态图。

表5 混凝土的工作性能

名称坍落度/扩展度/mm初始1 h后基准对比组190/450150/320C35-UHPC235/580210/530

由表5和图3的试验结果可知，使用UHPC干混料对大吸水率骨料进行“造壳”处理后，配制混凝土的初始坍落度得到显著提高，且静置1 h以后依旧保持良好的工作性，对大吸水率骨料混凝土初始坍落度由未处理组190 mm，增大到235 mm，增大了23.7%，初始扩展度由未处理组450 mm，增大到580 mm，增大了28.9%，而混凝土拌合物经过1 h之后，未处理组的大吸水率骨料混凝土坍落度下降到150 mm，1 h坍落度损失了40 mm，扩展度损失了130 mm，经过超高性能混凝土造壳处理后，坍落度下降到210 mm，1 h仅损失了25 mm，扩展度损失了50 mm；另外在相同外加剂用量情况下，C35-UHPC组出现了轻微的泌水现象，表明此时外加剂掺量略多，可见采用UHPC方法对大吸水率骨料进行“造壳”处理不仅能够改善新拌混凝土的工作性，还能节约一定外加剂的用量。

2.2 混凝土抗压强度

测试7 d、28 d、56 d、90 d龄期的抗压强度，试验数据见表6。

由表6试验结果可知，经过超高性能混凝土造壳处理的大吸水率骨料混凝土各龄期抗压强度均比未处理的大吸水率骨料混凝土有明显的提高，7 d龄期超高性能混凝土造壳处理组抗压强度为48.2 MPa，未处理对比组为29.4 MPa，提高了63.9%；28 d龄期超高性能混凝土造壳处理组抗压强度为62.5 MPa，未处理对比组为43.2 MPa，提高了44.7%；56 d龄期超高性能混凝土造壳处理组抗压强度为73.1 MPa，未处理对比组为49.6 MPa，提高了47.4%；90 d龄期超高性能混凝土造壳处理组抗压强度为76.7 MPa，未处理对比组为52.4 MPa，提高了46.4%。并且经过超高性能混凝土造壳处理后的大吸水率骨料混凝土抗压强度远超出了C35强度等级要求，28 d抗压强度高达62.5 MPa，另外并未出现强度倒缩、不增长的情况。可见，UHPC干混料在改善新拌混凝土工作状态的同时，极大地提高了混凝土的抗压强度。

表6 混凝土不同龄期立方体抗压强度

2.3 混凝土耐久性能研究

对比试验56 d抗氯离子渗透性能(RCM)、56 d电通量及长期收缩试验，试验结果分别见表7和图4。

表7 56 d电通量和RCM氯离子扩散系数

组别56 d电通量/CRCM扩散系数/(10-12m2·s-1)基准对比组1 39711.32C35-UHPC8104.27

由表7和图4的试验结果可知，超高性能混凝土造壳处理大吸水率骨料混凝土相对于未处理的基准对比组，密实性和抗氯离子渗透性能均有明显提高，56 d龄期，超高性能混凝土造壳处理组电通量为810 C，基准对比组为1 397 C，下降了42.0%；超高性能混凝土造壳处理组RCM扩散系数为4.27×10-12m2/s，基准对比组为11.32×10-12m2/s，下降了62.3%，并且经过超高性能混凝土造壳处理后，大吸水率骨料混凝土满足铁路标准要求的电通量指标(≤1 200 C)。超高性能混凝土造壳处理大吸水率骨料混凝土相对于未处理的基准对比组，各龄期收缩率均有所减小，在1 d龄期，超高性能混凝土造壳处理组收缩率为19×10-6，基准对比组收缩率为23×10-6，减小了17.4%，到了150 d龄期，超高性能混凝土造壳处理组收缩率为384×10-6，基准对比组收缩率为508×10-6，减小了24.4%。

3 结 论

a.使用超高性能混凝土对大吸水率骨料进行“造壳”处理后，配制混凝土的初始坍落度得到显著提高，且静置1 h以后依旧保持良好的工作性；经过超高性能混凝土造壳处理的大吸水率骨料混凝土各龄期抗压强度均比未处理的大吸水率骨料混凝土有明显的提高，且远大于C35强度等级的要求；

b.超高性能混凝土造壳处理大吸水率骨料混凝土相对于未处理的基准对比组，密实性和抗氯离子渗透性能均有明显提高，收缩减小。