C80 高强混凝土配合比探讨与制备研究

赵明亮，徐文

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008）

0 引言

文章统计了相关文献中C80 高强混凝土的配合比，结果表明：C80 混凝土胶材总量基本稳定在550~600 kg/m3，其中有9%文献报道的胶材量超过600 kg/m3， 尚未发现采用低热水泥制备C80 混凝土的研究。

水泥是建材行业中碳排放量最大的子行业，目前C80 混凝土配制思路显然不利于控制水泥行业的碳排放、实现“双碳”目标[1]。 另一方面，使用高掺量高标号水泥制备C80 混凝土，早期水化快、自收缩明显，在大体积混凝土结构中，这种现象尤为突出，不利于结构抗裂和体积稳定性，因温度上升产生的应力、混凝土收缩以及收缩抑制而导致结构体发生开裂、与模板、钢管、钢壳脱空的风险较大，须引起足够重视[2]。

综合考虑了高强混凝土低碳化制备和水化热、收缩控制等方面，采用低热水泥和文献中很少使用的低水泥用量、大掺量粉煤灰方案制备C80 高强混凝土，并测试了混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性能和放热性能。

1 原材料和试验方法

1.1 混凝土原材料

水泥： 江南小野田P·II 52.5 硅酸盐水泥和白鹤滩PLH 42.5 低热水泥，水泥熟料矿物组成见表1。

表1 水泥熟料主要矿物组成单位：%

粉煤灰：镇江谏壁电厂F 类I 级粉煤灰。

矿粉：南钢嘉华S95 矿粉。

硅灰：武汉纽瑞琪非加密SF90 硅灰。

骨料： 采用细度模数2.7 的天然砂和5~10 mm、10~20 mm 的玄武岩碎石。

减水剂：采用聚羧酸型高性能减水剂，固体含量20%。

水：拌合用水为洁净自来水。

1.2 试验方法

混凝土工作性能按JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》测试扩展度、T500、倒筒时间、含气量、容重。 根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土7 d、28 d、56 d龄期抗压强度。 收缩性能测试采用R=100 mm、H=400 mm 的PVC 管模具，成型结束后将测头埋入混凝土表面，用塑料薄膜覆盖，室温保持在（20±2）℃，相对湿度保持在（60±5）%，在混凝土凝结硬化后用石蜡封住表面，放置于立式测试支架上，采用千分表测试试件收缩变化值。 参照DL/T 5150—2017 《水工混凝土试验规程》测试混凝土绝热温升。

1.3 配合比设计

配合比见表2，1# 组是采用P·II 52.5 硅酸盐水泥制备C80 混凝土的配合比， 此组作为对比。2#~13#组为采用低热水泥制备C80 混凝土的配合比，配合比分为不含矿粉和含矿粉两种，在不含矿粉配合比中， 水泥用量设置300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3、380 kg/m3梯度，含矿粉配合比中，水泥用量设置300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3梯度，W/B 设置0.214、0.23 梯度。

表2 混凝土试验配合比单位：kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 工作性能

通过调整减水剂掺量，控制所有混凝土扩展度基本处于（650±25） mm 范围，含气量在（3±1）%范围，表观密度在（2 500±50） kg/m3范围。 试验结果见表3， 表3 中1# 组是采用硅酸盐水泥制备的C80 混凝土，T500、倒筒时间分别为9.5 s、7.5 s，混凝土流动性良好。 采用低热水泥制备的C80 混凝土工作性能指标T500、倒筒时间见图1、2。

图1 水胶比0.214 下低热水泥C80 混凝土工作性能

表3 混凝土工作性能和抗压强度

由于低热水泥标准稠度需水量较低，所以在减水剂掺量没有显著变化的情况下，可采用更低水胶比制备出施工性能良好的C80 混凝土。 由图1 可知，当水胶比为0.214 时，混凝土T500 12~16 s，倒筒时间12~14 s，混凝土流速相对于1#组降低较明显，且随着水泥掺量增加，混凝土流速逐渐降低，这主要是由于水泥颗粒初期因润湿、溶解需结合大量自由水，导致混凝土流速下降。此外，当使用矿粉等质量取代一部分粉煤灰后， 混凝土流速会进一步降低，主要是由于矿粉颗粒呈棱角状，取代粉煤灰后会降低球状颗粒的滚珠轴承作用， 从而降低了流速。 由图2 可知，当水胶比增加至0.23 时，混凝土流速得到改善，在同等水泥掺量下，T500、倒筒时间大约降低3 s，水泥掺量、矿粉取代粉煤灰对流速影响规律和图1 中相同。 试验结果表明W/B=0.23 时混凝土流速可以达到较佳水平。

图2 水胶比0.23 下低热水泥C80 混凝土工作性能

2.2 抗压强度

由表3 可知，采用硅酸盐水泥制备的C80 混凝土早期强度较高，7 d 强度达到了74.4 MPa，28 d 强度为94.8 MPa，增长率为27%，56 d 强度为104.0 MPa，增长率为9.7%。 采用低热水泥制备的C80 混凝土强度变化规律见图3。

图3 低热水泥制备C80 混凝土的抗压强度

图3（a）为W/B=0.214 下混凝土强度规律，尽管水胶比更低，但是由于配合比中无矿粉，混凝土早期强度仍然偏低，7 d 强度大约60~65 MPa。 当配合比中掺入矿粉以等量取代部分粉煤灰时，各个龄期强度均有增加，尤其明显提高了早期7 d 强度。不含矿粉时， 水泥量为300 kg/m3、325 kg/m3、350 kg/m3所对应的28 d 强度增长率分别为42.4%、39.7%、37.1%，56 d 强度增长率分别为3.5%、4.7%、6.5%，含矿粉时28 d、56 d 强度增长率分别为35.0%、32.5%、20.0%和1.0%、3.9%、9.3%， 说明采用低热水泥、大掺量粉煤灰后，尽管早期强度偏低，但是后期强度增长率会高于含矿粉的配合比，强度差距在逐渐缩小。图3（b）中W/B=0.23 下强度变化规律基本与图3（a）规律相同，由于水胶比增加，强度整体稍有偏低，但也有不同之处，不含矿粉时，水泥量325 kg/m3、350 kg/m3所对应的56 d 强度增长率分别为12.5%、20.5%，含矿粉时，水泥量325 kg/m3、350 kg/m3所对应的56 d 强度增长率分别为14.1%、14.7%， 说明适当提高水胶比后，56 d 强度增长率会更高，强度增长空间更大。

对比采用硅酸盐水泥和低热水泥、大掺量粉煤灰制备的C80 混凝土试验结果可知， 尽管后者早期强度偏低，但是28 d 强度增长率明显高于前者，56 d 强度增长率因水胶比不同而存在一定差异，后期强度逐渐接近并达到硅酸盐水泥混凝土抗压强度水平。

2.3 自收缩

测试对比了硅酸盐水泥混凝土配合比（1#）和低热水泥混凝土配合比 （8#、9#、10#、11#、12#）在22 ℃条件下混凝土自生体积变形特点，结果见图4。

图4 C80 混凝土自生体积变形

由图4 可知， 采用硅酸盐水泥制备的C80 混凝土会产生非常明显的自收缩，早期收缩增加速率也很快， 大约75%自收缩量集中产生于早期10 d内，28 d 后自收缩会持续增加， 但增加速率缓慢，60 d 龄期自收缩累计为200 με。

当采用低热水泥、大掺量粉煤灰方案后，混凝土总体收缩量和早、后期收缩增加速率均降低，不掺入矿粉时， 如图4 中325 kg/m3-PLH 42.5-no slag、350 kg/m3-PLH 42.5-no slag 组， 自收缩量大约降低了60%，后期收缩增加速率和收缩量也更低；当掺入矿粉部分取代粉煤灰后，如图4 中325 kg/m3-PLH 42.5-slag、350 kg/m3-PLH 42.5-slag 组， 和不掺矿粉配合比相比， 混凝土自收缩均不同程度增加， 说明掺入矿粉不利于混凝土自收缩的降低；对比图4 中325 kg/m3-PLH 42.5-no slag、350 kg/m3-PLH 42.5-no slag、380 kg/m3-PLH 42.5-no slag 组可知，随着水泥含量增加，混凝土自收缩逐渐增加，说明水泥掺量对自收缩影响非常明显，降低水泥掺量可以有效抑制混凝土自收缩。

2.4 绝热温升

根据工作性能、 抗压强度和自收缩试验结果，并结合对大体积混凝土结构安全的综合考虑，现选择了低热水泥、 大掺量粉煤灰混凝土配合比（10#）和硅酸盐水泥混凝土配合比（1#），分别测试了C80混凝土在绝室条件下的温升特点， 结果如图5 所示。

图5 C80 混凝土绝热温升

由图5 可知，采用两种配合比制备的混凝土出机温度基本相同（22.5 ℃），在绝热条件下，采用硅酸盐水泥和低热水泥、大掺量粉煤灰制备的混凝土最终稳定温度分别为75 ℃和70 ℃，绝热温升值分别为52.5 ℃、47.5 ℃，此外，采用低热水泥、大掺量粉煤灰方案制备的混凝土早期水化温升速率也更低，说明混凝土水化温升得到了很好的控制，有利于大体积混凝土体积稳定性和结构安全。

3 结语

采用低掺量的低热水泥、大掺量粉煤灰的方案可以制备出施工性能良好的C80 混凝土， 混凝土早期强度较低，但后期强度发展速率加快，并逐渐赶上硅酸盐水泥混凝土的抗压强度水平。相较于硅酸盐水泥混凝土，混凝土自收缩值降低60%，绝热温升降低5 ℃，混凝土抗裂性能显著提升。

降低水泥掺量、 采用低热水泥措施有利于水泥行业碳减排，混凝土抗裂性能改善提高了结构服役寿命，从全寿命周期上极大地支撑了建筑的低碳可持续发展。