C45DF70高性能高耐久性混凝土关键制备技术及性能研究

文摘 2025-01-10 07:04 河南

引言

钢筋混凝土结构具有强度高、韧性良好的优势，在工程项目中应用广泛，但其耐久性能受环境因素的影响显著，特别是长期暴露于不利环境下，如腐蚀作用会加速钢筋的锈蚀，导致建筑结构出现较大的安全事故。钢筋混凝土耐久性能的下降，主要集中在施工完成后的养护阶段和之后的龄期发展阶段。在此期间，环境中的有害离子以及混凝土内部可能形成的裂缝，都会促使混凝土内部的孔隙率上升，为离子渗透提供通道，最终加速钢筋混凝土的锈蚀过程旳。因此，对钢筋混凝土结构进行有效的防腐措施和定期维护，对于确保其长期安全服役至关重要。华卫兵等旳通过改变矿物掺合料的种类及掺量，研究了矿粉、粉煤灰对高性能混凝土长期耐久性能的影响，结果表明，矿物掺合料的加入，可改善混凝土的力学性能和耐久性能。

为了改善钢筋混凝土的耐久性能，提升混凝土的强度，本文基于工程项目的实际要求，通过配合比设计关键技术，研究胶凝材料搭配比例对C45DF70混凝土工作性能、力学性能以及耐久性能的影响，获得最佳配合比，并制备混凝土构件，模拟试件的拆模情况，验证配合比的合理性。

1材料与方法

1.1试验材料

水泥：P・042.5水泥，北京金隅北水环保科技有限公司生产，比表面积345m²/kg，标准稠度用水量27.3%，初凝时间153min，终凝时间248min，28d胶砂抗压强度54.9MPa。

粉煤灰：F类II级粉煤灰，大唐同舟科技有限公司张家口分公司生产，细度14.6%，需水量比93%，烧失量1.09%。

矿粉：S95级矿粉，三河市兴达开元建材有限责任公司生产，28d活性指数98%，比表面积448m²/kg。

细骨料：天然砂，迁西县朴烁实业有限责任公司生产;机制砂，丰宁鑫源矿业有限责任公司生产；细骨料的基本性能指标见表1。

粗骨料：山碎石，丰宁鑫源矿业有限责任公司生产，5～25mm连续级配，针片状含量4%，压碎值7.8%。

外加剂：HZ-2标准型聚竣酸高性能减水剂、HZ-AE引气剂，均为河北合众建材有限公司生产；RI-IC2钢筋阻锈剂，北京中德新亚建筑技术有限公司生产；减水剂和引气剂的基本性能指标见表2，阻锈剂的基本性能指标见表3。

1.2配合比

试验胶凝材料的用量分别为474、494、514kg/m³，调整水泥、粉煤灰、矿粉的用量，研究不同胶凝材料用量对C45DF70混凝土的粘度、坍落度及扩展度、抗压强度、耐久性能的变化规律，通过高性能减水剂控制C45DF70混凝土的工作性能，在保证不出现泌水、泌浆的前提下具有较好的流动性，从而选出混凝土综合性能最优的配合比。混凝土的配合比见表4。

1.3试验方法

混凝土的力学性能：按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

混凝土的长期性能和耐久性能：按照GB/T50082-2024《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试。

2结果与分析

2.1混凝土的工作性能

混凝土的工作性能测试结果见表5，其1h和2h坍落度及扩展度变化规律如图1所示。

由表5可知，(1)当胶凝材料用量为474kg/m³，混凝土的整体包裹性差，石头裸露较多，混凝土的流动性差；当胶凝材料用量为494、514kg/m³，时，混凝土的整体包裹性好，石头裸露较少，混凝土的流动性好，其中，当胶凝材料用量为514kg/m³，混凝土的整体粘度较大，对于泵送施工难度较大。因此，胶凝材料的用量确定为494kg/m³。⑵在胶凝材料用量为494kg/m³的条件下，随着水泥用量的增加，混凝土的粘度逐渐增加。当水泥用量为366kg/m³时，混凝土的粘度最大，并且此用量下混凝土的含气量偏高，这主要是混凝土粘度大，气泡的排出难度增加叫当水泥用量为326kg/m³，混凝土发渣，较为分散，因此确定水泥的用量为346kg/m³。（3）此外，当粉煤灰用量从59kg/m³增加至79kg/m³时，混凝土的流动度并无显著变化，这主要是因为粉煤灰的滚珠效应对混凝土流动度的改善效果有限，混凝土的扩展度已达上限值。

2.2混凝土的力学性能

混凝土的抗压强度测试结果见表6。

由表6可知，⑴当胶凝材料用量为474kg/m³时，混凝土不同龄期的抗压强度最低，增加矿粉用量，混凝土的28d抗压强度的增长并不显著；当胶凝材料用量为514kg/m³时，混凝土不同龄期的抗压强度提升有限。因此，胶凝材料的用量确定为494kg/m³。（2）在胶凝材

料用量为494kg/m³啲条件下，随着水泥用量的不断增加，混凝土的抗压强度均呈先增加后减少的趋势，当水泥用量为366kg/m³时，混凝土的抗压强度增加幅度较小，因此确定水泥的用量为346kg/m³。（3）当矿粉用量超过89kg/m³时，混凝土的28d抗压强度并未显著增加，因此确定矿粉用量为89kg/m³，这主要是由于矿粉的二次水化作用有限，不能无限提升混凝土的强度问。

2.3混凝土的耐久性能

2.3.1抗冻融性能

采用快冻法对C45DF70混凝土开展抗冻性能检测，关键指标为混凝土的平均质量损失率、相对动弹模量损失率。综合基础试验的研究结果，选取C45-003、C45-007、C45-009这3组不同胶凝材料用量的混凝土开展抗冻性检测试验。C45DF70混凝土的平均质量损失率和相对动弹模量损失率见表7。

由表7可知，（l）C45-003、C45-009组混凝土在冻融循环300次时，质量损失率出现最大值；C45-007组混凝土在冻融循环250次时，质量损失率出现最大值。这表明C45-003、C45-009组混凝土的内部结构改善较为明显，在冻融条件下混凝土只是出现微裂纹。（2）C45-003，C45-009组混凝土在冻融循环300次时，其相对动弹模量损失率为19.6%、18.9%，混凝土的抗冻等级达到DF70;而C45-007组混凝土在冻融循环250次时，其相对动弹模量损失率已超过30%。这表明C45-007组混凝土的包裹性较差，导致混凝土中的游离水较多，孔隙率增加，对混凝土的抗冻性产生负面影响。

2.3.2抗氯离子渗透性能

选取C45-003、C45-007、C45-009组混凝土开展抗氯离子渗透性能检测试验，C45DF70混凝土的28d电通量和氯离子迁移系数见表8。

混凝土的抗渗性能和其内部的孔隙率有关，孔隙率越大，混凝土的抗渗性能越差旷目。由表8可知，C45-003、C45-009组混凝土的平均电通量分别为159、141C，均小于C45-007组混凝土；C45-003、C45-009组混凝土的氯离子迁移系数分别为3.2×10^-12、3.1×10^-12m²/g；均小于C45-007组混凝土。这主要是因为在低胶凝材料体系中，富余浆体少，混凝土的包裹填充作用不充分，离子通过难度降低，表现为混凝土的抗渗性能较差。

2.3.3抗碳化性能

选取C45-003，C45-007，C45-009组混凝土开由表9可知，C45-003，C45-009组混凝土的抗碳化性能良好，其120d碳化深度均为0.5mm，且均优于C45-007组混凝土。这表明C45-003、C45-009组混凝土的级配良好，内部孔隙率显著降低，表层密实度提升快，可避免与空气中的二氧化碳进一步发生反应；而C45-007组混凝土则由于初始状态分散，浆体无法充分包裹，导致体系中的石粉上浮，干扰了正常的水化速度，混凝土的初始强度增长较慢，也为二氧化碳参与碳化反应创造了条件。

2.3.4抗水渗透性能

选取空白组（不掺阻锈剂）和C45-003，C45-007，C45-009组混凝土，开展抗水渗透性能检测试验，C45DF70混凝土的渗水高度见表10。

由表10可知，空白组（不掺阻锈剂）的最大渗水高度为139mm，远高于掺加了阻锈剂的混凝土（C45-003、C45-007，C45-009组），其抗渗等级为P12;掺加了阻锈剂的混凝土的抗渗等级也均为P12，这主要是因为阻锈剂在混凝土中形成了一道保护膜，阻碍有害离子进入混凝土内部，延缓钢筋腐蚀速度；同时，体系中胶凝材料水化充分，矿物掺合料二次水化形成的产物也充分填充孔隙，混凝土整体结构更加致密，其抗水渗透性能提升。

2.3.5混凝土构件外观

综合上述试验的研究结果，选取C45-003组配合比制备混凝土构件，观察其外观质量，如图2所示。

由图2可知，（1）新拌混凝土的和易性能良好，内部均匀，微小的气泡使混凝土整体松软，并且表面没有不稳定的气泡溢出。（2）混凝土拆模后，外观气泡数量少，颜色均匀一致，表面均匀致密，没有粉化现象，表明混凝土的光洁度良好。

3工程应用

将C45-003组配合比制备的混凝土应用于北清路(京新高速-京承高速)快速化改造工程，实际工程中的混凝土外观质量如图3所示。

经检测，混凝土的28d标养抗压强度为55.2MPa;混凝土冻融试验300次后，其质量损失率为2.3%，相对动弹模量为80.6%，符合DF70等级设计要求；混凝土的氯离子迁移系数D_RCM＜5×10^-12m²/s，合格。历时近3年的长周期施工(过程中根据材料变化、气温变化等变化因素通过试验及时调整生产配合比)，C45DF70混凝土的质量满足设计单位及施工单位要求，效果良好。

结论

本文通过调整胶凝材料用量，开展了C45DF70高性能高耐久性混凝土的性能研究，确定了混凝土的最佳配合比，并成功应用于工程项目，得出以下结论：

(1)当水泥用量346kg/m³，粉煤灰用量59kg/m³，矿粉用量89kg/m³，即胶凝材料用量494kg/m³时，混凝土的包裹性能和流动性能较好，粘度适中，其28d抗压强度为54.5MPa。

(2)掺加阻锈剂后混凝土的耐久性能良好，在冻融循环300次时，C45-003组混凝土的相对动弹模量损失率为19.6%，28d氯离子迁移系数为3.2×10^-12m²/s，120d碳化深度为0.5mm，最大渗水高度为39mm，抗渗等级为P12。

(3)选用最佳混凝土配合比制备混凝土构件，新拌混凝土的和易性能良好，拆模表观良好，在实际工程应用中取得良好效果。（来源：《混凝土世界》2024.10）

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