高流动性超早强混凝土的应用研究

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摘要：结合室内试验与实体工程研究高流动性超早强混凝土的早期强度、体积稳定性及耐久性。室内试验表明：高流动超早强混凝土具有更好的施工和易性，其10h抗折强度高于4MPa，抗压强度高达30MPa；同时还具有更好的体积稳定性，抗渗性及抗冻性等耐久性指标也显著优于普通混凝土。实体工程表明，该材料用于修补破损水泥混凝土路面能够快速开放交通，同时能够有效改善路面服务水平。

关键词：混凝土；早期强度；体积稳定性；耐久性

自从1824年英国人研制出硅酸盐水泥以来，水泥工业的发展取得了举世瞩目的成就。但硅酸盐系列水泥普遍存在生产过程高能耗、高污染、强度发展较慢、难以满足特殊地区施工条件、体积稳定性差及耐久性差等缺点，因此研发出高性能的水泥具有巨大的市场前景。高流动性超早强混凝土由于具有良好的流动性、工作性以及较高的早期强度，与普通混凝土相比具有显著的优势。因此，本通过室内试验对高流动性超早强混凝土与普通混凝土的早期强度、体积稳定性及耐久性能进行量化对比分析，并对高流动性超早强混凝土在实体工程的应用效果进行了跟踪评价。

1 原材料的选择

1.1水泥

选择快硬、早强型的水泥来配制高流动性、超早强混凝土是试验成功最为关键的因素之一。目前国内外比较常用的早强型水泥主要包括：快硬型硅酸盐水泥、高铝酸盐水泥、磷酸盐水泥以及快硬硫铝酸盐水泥等。但是由于硫铝酸盐水泥具有非常高的早期强度，在负温度条件下仍具有较好的施工性能，而且混凝土还具有优良的抗冻、抗渗以及耐腐蚀性能。在拌制混凝土过程中，硫铝酸盐水泥自身能够有效地抑制碱骨料反应，而且混凝土还具有凝结速度快、微膨胀及低收缩性的特点，因此选用硫铝酸盐水泥42.5（R）进行后续试验研究。

1.2 外加剂

减水剂为目前水泥混凝土工程中最常用的外加剂之一，甚至可以说减水剂材料为现代水泥混凝土事业的发展做出了不可替代的作用。目前，最为常用的是聚羧酸系以及具有单环芳烃型结构特征的高性能水泥混凝土减水剂材料[1]。这些材料的使用能够使得混凝土保持较好的流动性，同时还能够有效降低混凝土的用水量。但由于高流动性超早强混凝土不仅要求具有较好的流动性，同时还要求具有较短的凝结时间及较高的早期强度，因此仅使用一种外加剂已经很难满足这方面的要求，笔者选用一种聚羧酸系高效减水剂及WT外加剂配制混凝土，以改善其流动性及早期强度。

1.3 混凝土配合比

试验中所选用的粗集料为普通石灰岩，混凝土级配为5～15 mm连续级配，粗集料压碎值为8.1%，表观密度为2.71g/cm3。选用普通河砂作为细集料，细度模数为2.7，级配Ⅱ区，表观密度为2.61 g/cm3。水泥混凝土拌和用水则直接选用自来水。

在对原材料进行优化试验和分析的基础上，开展了不同配比混凝土的强度试验研究，进一步通过混凝土的和易性、强度等性能指标确定减水剂及早强剂的最佳用量。为了研究该混凝土与普通规律酸盐水泥混凝土的差异性，对两种混凝土进行室内试验，基本配合比见表1。

表1 混凝土基本配合比（kg/m3）

水泥 水 砂子 石子 WT外加剂 减水剂

早强混凝土 335 190 656 1090 42 45

普通混凝土 385 185 586 1244 / /

具体工程应用中可以根据实际情况调整集料尺寸以及各种材料的用量。

2 基本性能

高流动早强混凝土作为早强型固化材料，必须具备良好的流动性和工作性，同时还要求混凝土的力学性能尤其是早期强度、体积稳定性、耐久性能等方面具有显著的优越性，这样才能满足特殊环境下的施工要求。

2.1 早期强度

混凝土的拌和及物理力学试验依次根据《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》（GB-T 50080-2002）[2]、《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB-T50081-2002）[3]中的相关规定进行，试验温度为常温25℃，粗集料碎石的最大粒径为15 mm。通过对两种混凝土进行早期强度对比试验发现，两种新拌混凝土的坍落度均达到了200mm以上，这说明两者均具有良好的施工和易性，但高流动超早强混凝土稍优于普通混凝土。高流动性超早强混凝土的5h、10h、20h抗折强度依次为3.5MPa、4.2MPa、4.8MPa，抗压强度依次为20MPa、32MPa、40MPa；而普通混凝土的抗折强度为0.3MPa、0.7MPa、3.2MPa，抗压强度为4MPa、7MPa、23MPa。普通混凝土并不能够获得较高的超早期强度（10 h以内的强度）；无论是抗折强度还是抗压强度，高流动超早强混凝土都显著优于普通混凝土，前者的10h抗折强度是后者的6倍，抗压强度也是后者的5倍左右，而且还具有后期强度稳步增长的特点。这主要是由于外加剂的添加快了水泥的水化反应进程，即表现为早期强度的迅速增加的现象。

2.2 体积稳定性

按照《膨胀水泥膨胀率检验方法》JC/T313-2009[4]中的检测方法，将两种混凝土制作成25mm×25mm×280mm的标准试件。试件成型脱模后测试其初始长度、然后放入相对湿度90%以上及25℃的养护箱中养护至相应的龄期，然后测定不同龄期下试件的长度，计算出试件膨胀率。高流动性超早强混凝土的4h、8h、12h、16h、20h、24h的膨胀率依次为3%、5%、7%、8%、9%、11%；而普通混凝土依次为8%、13%、17%、19%、23%、25%。两种混凝土的初期膨胀率都随着龄期的增长而变大，但普通混凝土的膨胀率始终要大于高流动超早强混泥土，而且前者膨胀率基本是后者的2倍左右。两者的膨胀率都表现为早期迅速增长，后期几乎保持不变的趋势。

通过观察混凝土试件表面可以发现，高流动超早强混凝土表面几乎没有出现开裂现象，而普通混凝土表面出现了大量裂缝。这主要是由于外加剂的添加能够赋予水泥微膨胀、膨胀或者自应力等特殊性能，防止混凝土由于水化热产生过大的内部膨胀应力而导致混凝土过度膨胀甚至表面出现裂缝等病害。因此，外加剂的添加可使硫铝酸盐水泥基材料产生适度膨胀。从试验过程可知，水泥的水化热反应仅发生在混凝土强度形成初期。

2.3 耐久性能

水泥混凝土的耐久性能主要表现在抗渗性、抗冻性及抗侵蚀性等方面，而这些性能不仅受混凝土自身内部结构的影响，同时还受到外部自然条件以及人为因素的影响。根据其破坏机理的不同可以分为物理作用和化学作用，物理作用主要包括表面磨耗、冻融循环破坏、结晶压力破坏等；而化学主要包括盐腐蚀作用。本文主要通过抗冻性能、抗侵蚀及抗渗性三个方面对比分析这两种混凝土的耐久性能。

（1）抗侵蚀性能

本试验采用砂浆强度比法分析两种混凝土的抗侵蚀性能。首先将两种试件依次放入20℃的3%硫酸盐溶液和水中，浸泡28d、60d、90d后测定其抗折强度，通过抗蚀系数来评价混凝土的抗侵蚀性能，其中抗蚀系数定义为硫酸盐溶液试件抗折强度/水中试件抗折系数。高流动超早强混凝土的抗蚀系数依次为1.04、1.08、1.06；而普通混凝土依次为1.05、1.04、1.09。可见，两者均具有良好的抗侵蚀性能，且十分相近；这主要是由于硫铝酸盐水泥自身具有较好的抗硫酸盐溶液腐蚀的性能，同时也说明外加剂的添加对混泥土的抗侵蚀性能的影响极其微弱。

（2）抗渗性能

混凝土的抗渗性能是指其抵抗外界压力水渗透的能力，是耐久性能的重要指标之一。具有良好抗渗能力的混凝土，能够有效阻止外界水向混凝土内部流动。通常来说，混泥土内部结构越致密，对流动水的阻碍作用就越大，那么混凝土的抗渗性能就越好。本试验采用电通量法测试养生28d和56d后的两组混凝土试件，通过氯离子的渗透能力来比较两者的抗渗性能。高流动超早强混凝土28d和56d的电通量依次为332C、243C，而普通混凝土依次为712C、408C，两者的渗透性能评价均为极低，这说明硫铝酸盐水泥混凝土能够有效抵抗氯离子的渗透作用，而外加剂的添加不仅没有影响混凝土的抗渗性能，反而对混凝土的抗渗性能起到提升的效果，这主要是由于外加剂的添加起到微集料填充作用，有效地改善了混凝土的内部结构，从而大大降低了混凝土的电通量值，即起到提升混凝土抵抗氯离子渗透性能的作用。

（3）抗冻性

抗冻性能是水泥混凝土材料耐久性能的重要技术指标之一，特别是对于使用在高寒地区的大体积混凝土材料，若混凝土的抗冻性能较差，那么极易导致冻融循环作用下混凝土出现破坏，进而加剧结构内部的破坏，引发工程事故等。本文采用《混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB/T50082-2009[5]中的“快冻法”测试养生28d后的混凝土经过50、100、150、200次冻融循环作用后的相对动弹模量和质量损失率来评价其抗冻性能。高流动性超早强混凝土50、100、150、200次冻融循环后的相对模量依次为95.8%、85.4%、78.1%、69.7%；普通混凝土依次为90.6%、80.4%、72.1%、60.8%，两者的质量损失几乎都在0.5%之内。两者的相对动弹模量均随着冻融循环次数的增加而降低，这主要是由于混凝土表面及内部存在大量的毛细孔，水分进入混凝土内部后在冻融循环作用下产生较大的空隙水压力，导致孔隙不断发展，进入结构内部的水分也越多，结构内部的孔隙水压力也不断增大，破坏混凝土结构的完好性，降低其整体强度，试验中则表现为相对动弹模量的降低。通过两组试件的对比可知，高流动超早强混凝土显著优于普通混凝土，这主要是因为外加剂的减小了混凝土内部的孔隙，受冻融循环作用的影响较小，同时高流动超早强混凝土具有更高的强度、模量及更好的体积稳定性。

综合以上试验过程和试验数据分析可知，高流动超早强混凝土具有更好的施工和易性、早期强度、体积稳定性及耐久性能。

3 实体工程应用

高流动性超早强混凝土由于具有较高的流动性及较高的早期强度，能够用于水泥混凝土构筑的修补补强，尤其是用于高寒地区。随着交通量的不断增大及重车比例的增加，路面的整体结构承受能力受到了严峻挑战，因此该材料在修补裂缝类破损水泥混凝土路面方面具有广阔的市场前景。下面结合某水泥路面大中修工程，对该材料的实际应用效果进行跟踪观测，研究其长期性能。

在施工前期，首先应针对水泥混凝土路面破损类型及严重程度的不同，选择不同粒径的粗集料拌制混凝土，然后采用同时成型同条件养护的混凝土试件进行混凝土抗折和抗压试验以确定施工工艺参数，再将需要将待修补的旧水泥路面清理干净，浇筑混凝土后喷洒养护液。

现场施工经验表明，采用该种高流动超早强水泥混凝土快速修补破损的水泥混凝土路面，不仅施工工艺简单，而且新浇筑的混凝土具有较高的早期强度。5 h的混凝土抗折强度高达3.6MPa，抗压强度达到约21MPa；而混凝土10h的抗折强度高于4MPa，抗压强度将近达到30MPa。利用该材料和工艺修补后的混凝土路面，在施工完5h后即可开放交通，大大降低了因施工对交通正常运营的影响。该路段经过近一年的正常使用，对其进行跟踪观测发现，其修补面基本完好，有效地改善了路面的服务水平。

4 结语

根据室内试验和工程应用分析表明，与普通硫铝酸盐水泥混凝土相比，高流动性超早强混凝土具有更好的施工和易性，外加剂的添加能够加快水化反应的进程，同时能起到微填料的作用，提高结构内部的致密程度，因此，该材料还具有更高的早期强度及体积稳定性；两者具有相当的抗侵蚀，但高流动超早强混凝土具有更好的抗渗性能和抗冻性能，因此具有更优的耐久性能。同时，该材料用于修补破损水泥混凝土路面能够快速开放交通，同时能够有效改善路面服务水平。

参考文献

[1] 张德成.硫铝酸盐水泥基高性能混凝土的结构-性能及工程应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[2] GB/T 50080-2002， 普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].北京：人民交通出版社，2002

[3] GB/T 50081-2002， 普通混凝土力学性能试验方法标准[S]. 北京：人民交通出版社，2002

[4] JC/T 313-2009， 膨胀水泥膨胀率试验方法[S]. 北京：人民交通出版社，2009

[5] GB/T 50082-2009， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]. 北京：人民交通出版社，2009