微矿粉在青岛地铁高耐久混凝土中研究

李培彦 郭永智

（济南鲁新新型建材股份有限公司2501 09）摘 要：研究了青岛地铁高耐久性混凝土组成，通过复掺P800微矿粉、抗裂防水剂、粉煤灰、S95矿渣粉等手段，提高混凝土耐久性。试验表明，复掺P800与S95可以大幅度提高混凝土抗氯离子渗透性，并提高混凝土强度等级，复掺Fa可以改善混凝土早期收缩与开裂。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：青岛地铁混凝土；高耐久性P800微矿粉

前言

青岛地铁是连接青岛主要市区的城市轨道交通系统，3号线2009年6月开工建设试验段，2010年6月全线施工，预计2014年底正式通车。长度24.9km，投资约158亿元，混凝土（围护结构与二衬）约123万m3，加上火车北站和河西试验站，二衬混凝土总共约为150万m3—160万m3、喷射混凝土约50万m3—60万m3。

大量工程实践证明，大掺量矿物掺和料有效控制了大体积混凝土造成的温差裂缝，提高了混凝土的耐硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透能力，是混凝土提高耐久性的主要手段。青岛跨海大桥工程中，C35混凝土矿物掺和料达到65%，C40混凝土的矿物掺和料达到57%。 笔者结合青岛地铁衬砌混凝土配合比试验研究课题，通过掺加粉煤灰、普通矿粉、微矿粉（P800型）、抗裂防水剂以及高效减水剂等手段，来提高混凝土的耐久性，制备高耐久衬砌混凝土。部分观念被青岛地铁工程采纳。

1掺和料对混凝土力学性能的影响

1.1试验原料与配比 本试验主要原材料及基准配合比（与以后各小节相同）如下，不同胶凝材料混凝土基准配方见表1。

水泥：山水PI 52.5硅酸盐水泥；

矿粉（简称S95，下同）：青岛产S95级矿粉；

粉煤灰（简称Fa，下同）：青岛四方电厂生产I级灰；

抗裂防水剂（简称CSA，下同）：国内某建材厂生产；

微米级超活性矿渣粉（简称P800，下同）：济南鲁新新型建材有限公司P800型微矿粉（比表面积>800m2/kg，平均粒径小于3.5um）；

粗骨料：崂山花岗岩碎石，Smm。25mm连续级配；

细骨料：天然中粗河砂，细度模数2.4，含泥量1.6%；

外加剂：山东建科院产聚羧酸高效减水剂。

1.2力学试验与结果分析

针对4种胶凝材料总量，配加50%掺和料，掺和料的种类分别为Fa、Fa+P800、S95、S95+P800，测试其3d、7d、28d、56d强度，结果见表2。

分析数据表，不同胶凝材料总用量下，强度随着矿物掺和料掺量的变化规律相近，故取胶凝材料总量为430kg/m2（强度可满足二衬混凝土最高指标要求，即C55混凝土要求）为代表，作趋势图如图1所示。

试验结果如下：

(1) Fa+P800、S95、S95+P800三系列混凝土后期强度（主要7d以后）增长幅度明显高于基准混凝土，其中S95系列28d—56d增幅最大；Fa+P800系列7d—28d增幅最大；S95+P800系列3d—7d增幅最大。

(2)胶凝材料为430kg/m3、掺和料50%时，混凝土强度S95+P800系列比S95系列3d提高了16%，达到基准（纯水泥混凝土）的79%；7d比S95系列提高了10%，达到基准的91%；28d时比S95系列提高10%，达到基准的96%; 56d时比S95系列提高17%，达到基准的101%。

(3)混凝土强度，Fa+P800系列比Fa系列3d提高了48%; 7d时比Fa系列提高19%；28d比Fa系列提高26%；56d时比Fa系列提高12%。

(4)同胶凝材料总量，矿粉混凝土强度是粉煤灰混凝土强度的1.15倍~1.35倍；随着胶凝材料增加，单掺Fa达50%时，前期和后期强度降低明显。单掺S95矿粉50%时，前期强度降低，7d后增幅明显，56d时强度与基准混凝土持平。

2掺和料对混凝土氯离子渗透性影响

2.1氯离子扩散试验与结果分析

针对Fa、Fa+P800、S95、S95+P800配比，应用DCM法测试氯离子渗透性，试验数据作趋势图如图2所示。

试验结果分析如下：

(1)掺加P800矿粉能有效降低混凝土的氯离子扩散系数，提高混凝土的抗氯离子渗透能力。P800矿粉复配S95或Fa时，与单掺S95或Fa相比，混凝土氯离子扩散系数降低25%—550/0。

(2)掺加Fa、S95、P800及复掺均能降低混凝土氯离子扩散系数。

(3) P800与S95矿粉复配可最大程度降低混凝土氯离子扩散系数，胶凝材料总量为350kg/m3时，S95+P800系列是单掺S95系列的45%，是单掺Fa系列的18%。胶凝材料总量为470kg/m3时，S95+P800系列是单掺S95系列的55%，是单掺Fa系列的15 010。

(4)随着胶凝材料总量的增加，混凝土的抗氯离子渗透系数降低，抗氯离子渗透能力提高。

2.2机理分析

水泥水化产物Ca(OH)2晶体的颗粒粗大、稳定性较差、很容易遭受氯盐的侵蚀，是影响耐久性的重要因素。超细掺和料的掺人，一方面可以减少混凝土中Ca(OH)2晶体的生成数量，另一方面可以影响晶体形貌，同时矿粉火山灰效应增加了C-S-H凝胶数量，使混凝土更加密实，降低孔隙率，所以掺加超细掺和料对混凝土的抗氯离子渗透性能提高明显。

3掺和料对混凝土开裂性影响

有研究表明，大掺量磨细矿渣混凝土自收缩和脆性较大。本试验通过掺加抗裂防水剂等手段改善其早期自收缩和抑制混凝土开裂。混凝土开裂试验采取平板开裂试验法，对比Fa、Fa+P800、Fa+C SA、S95、S95+P800、S95+CSA的开裂情况（部分试验图片如图3、图4所示），根据试验数据作趋势图如图5所示。

从图中可以看出：S95+CSA系列早期开裂面积以及裂缝最大宽度均为最大，Fa系列开裂面积最小。裂缝总面积趋势为：S95+CSA> S95> S95+P800> Fa+C SA> Fa+P800>Fa。每种类别裂缝条数相差不多。

胶凝材料350kg/m3时，混凝土开裂面积CSA+S95系列是S95系列的1.3倍，CSA+Fa系列是Fa系列的2.4倍；最大裂缝宽度CSA+S95系列是S95系列的1.5倍，CSA+Fa系列是Fa系列的2.2倍。胶凝材料470kg/m3时，CSA+S95系列开裂面积1180mm2／m3是S95系列的1.7倍，裂缝宽度达0.72mm；CSA+Fa系列混凝土开裂面积是Fa系列的1.1倍。即所选抗裂防水剂在本试验方法下，不适宜与Fa及S95矿粉复配，在所选几种胶凝材料总量下均增加了开裂面积，其中与S95矿渣粉复配增幅最大。

胶凝材料用量350kg/m3时，混凝土开裂面积P800+S95系列是S95系列的0.6倍；P800+Fa系列是Fa系列的1.2倍。胶凝材料470kg/m3时，P800+S95系列是S95系列的0.7倍；P800+Fa系列是Fa系列的0.9倍。即在本试验方法下，P800矿粉与Fa复掺对混凝土开裂影响不大，在不同胶凝材料总量下，开裂面积是单掺Fa的0.9倍~1.1倍。P800矿粉与S95矿粉复掺可明显降低混凝土开裂性能，在不同胶凝材料总量下，开裂面积是单掺S95的0.6倍~0.7倍。

水泥混凝土浇注成型后，由于水与水泥基材料的亲润性，水分蒸发时表层材料毛细管中形成凹液面，其凹液面上表面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力，此时材料处于塑性阶段，材料自身的塑性抗拉强度较低，若材料表层毛细管失水收缩产生的拉应力盯毛细管与材料塑性抗拉强度f塑满足：α毛细管>f塑，则材料表层将会出现开裂。

Fa、P800等掺和料等量取代水泥后的拌合物体系中未水化的粒子增多，可产生有利的中心质效应圈，水胶比越低，粒子间的间距越小，这种效应圈得以加强。界面过渡层是效应圈的一部分，有利的中心质效应不仅使界面过渡层得到加强，改善拌合物中的薄弱缓解，相应地抑制裂缝的发展，而且使拌合物体系整体性和粘聚性得到加强，能够适应较大的塑性收缩产生的快速体积变化，降低混凝土开裂。

另外，Fa作为掺和料，在早期很少参与水化反应，混凝土中掺人大量Fa相当于早期用水量不变的情况下，降低水泥用量，从而早期单位体积混凝土水化产物量少，水泥硬化体结构相对疏松，早期收缩开裂降低。结论

(1) P800掺和料与S95或Fa复配使用可大幅度提高混凝土抗氯离子渗透性能；

(2)通过掺加Fa等手段，可提高P800矿渣混凝土早期抗收缩开裂性能；

(3)通过掺加P800和Fa、S95矿渣等手段，在大幅度提高混凝土耐久性的同时，能保证混凝土强度无损失．甚至略有提高。

绿色高耐久混凝土是混凝土产业与环境协调性发展的必然趋势；Fa、S95、P800矿物掺和料的大量掺人可提高混凝土耐久性、消纳固体废弃物、降低混凝土成本，是生产绿色高耐久混凝土的最优途径。