双掺混凝土拌和物材料性能和行为特性的评估

得州休斯敦{zd0}的机场，乔治布什国际机场已进行了重大的扩建，以适应日益增长的运量。该扩建工程的一个组成部分就是设计一条3000M长，46M宽，460毫米厚的飞机跑道。该跑道已于2002年6月13日投入使用，值得一提的是该跑道采用了双掺混凝土。这条新跑道的混凝土是由25%F级粉煤灰，25%矿渣和50%波特兰I型水泥组合而成。本文指在报道这种混凝土的材料性能和行为特性，同时探讨一下该跑道所提高的耐久性。

双掺混凝土的开发研究

早在二十多年前，这种采用两种辅助胶凝材料和波特兰水泥混合的双掺混凝土，就已开始出现在建筑工程现场。在这种双掺混凝土中，辅助胶凝材料大量取代波特兰水泥，这种掺合理念是双掺体系的一个重大飞跃（进步）。Uchikawa和Ukamura两位日本科研人员，首次提供了大量单掺和双掺体系混凝土性能的对比资料。1992年Baalbaki， Sarkar， Aitcin和Isabelle又公开展示了双掺混凝土中辅助胶凝材料的{zj0}组合机理，Isaia还说明了粉煤灰的组合作用。

Jones和Magee调查研究了双掺混凝土的行为特性，其目的是研制开发出一种简便的用于对这种混凝土拌和物进行配合比设计的方法。

在此期间，各国材料科技人员对双掺混凝土的耐久性，抗弯性能都进行了广泛的研究和报道，美国ASTM C1202测试显示，即使在外露环境下10年后，其电通量仍低于1000库伦，这就表明该混凝土的渗透性极小，具有很强的抗渗性能。

混凝土拌和物的配合比设计

表1详细列出了两种拌和物的配合比设计数据，对其中之一只作了很小的

表1 用于布什国际机场新跑道的混凝土拌合物配合比

*木质素型减水剂 ；  + 中效型减水剂

变动，使之用于建设一条新的飞机跑道。这两种拌和物的配合比差异是水/胶比和减水剂用量。表2列出了所用的水泥、粉煤灰和矿渣的物理性能和化学成分分析。

编号为260的拌和物，由于改变了减水剂的用量，使之在凝结和早期强度发展方面，具有明显的优越性和适应性。它的坍落度为50MM，可用于滑模作业。

采用激光颗粒测量仪测定水泥和两种辅助胶凝材料的颗粒尺寸分布，三种材料中最细的是矿渣，其颗粒的平均直径为85.8μm，水泥的平均直径为89.4μm，粉煤灰和矿渣颗粒尺寸分布曲线的斜率都比水泥的大。

根据X射线衍射分析测定，粉煤灰和矿渣中都含有若干种矿物，在粉煤灰中含有莫来石、石英石、硅灰，磁铁矿石，赤铁矿石和硬石膏。而在矿渣中，只是在X射线衍射测试峰值时，才测到镁黄长石，也可能含有镁硅钙石，方解石和硅灰石，两种辅助胶凝材料中都含有玻璃相的化学组分。

表2 胶凝材料的物理和化学分析（质量百分比）

注:  1 psi = 6.895 kPa.

集料

细集料大约由90%石英颗粒，5%长石和5%其他矿物。大约50%的石英颗粒属于受约束的变形体，这就是说在微形阶段旋转过程中, 其颗粒会呈现波动状衰减，这就意味着它们会起钙—硅反应。实际上采用ASTM C1260规范测试细集料，就显示在14天时，由于其反应，会产生大于0.2%的膨胀现象。

粗集料是玄武岩和花岗石的混合体，呈斑状，主要含有石英石和长石。根据ASTMC1260规范测试，粗集料一般不产生化学反应。

摊铺特性

已采用若干种方法对矿物进行特征描述，并且对令期为8个月的混凝土进行性能评估。对跑道的重要部位，钻取4个直径为100MM的芯体试件，分别代表两种配合比设计的混凝土拌和物。

抗压强度

表3中列出的抗压强度是在干净处钻取的芯体测试数据。根据这些强度值，该混凝土显然是属AC1 116R-00规范评定的高强混凝土。

表3 龄期8个月后15R-33L跑道上混凝土的抗压强度

双掺胶凝体系的抗碱硅反应性能

根据ASTM C1260规范，分别使用细集料和粗集料对混凝土的抗碱硅反应性能进行测试。我们对测试方法稍作改进，把令期延长至28天，其原因是可以获得更实际的膨胀值。用两种组合来控制砂浆拌和物，一种是净波特兰水泥和细集料，另一种是净波特兰水泥和粗集料。表4是水泥净浆拌和物的配合比，根据测试结果可确认：细集料会产生活性反应（14天令期的膨胀＞0.2%），而粗集料在28天令期时，几乎测不出明显的膨胀。而水泥净浆中含25%粉煤灰和25%矿渣，不管与细集料还是与粗集料混合，即使在28天令期时，都可以把膨胀率控制在0.1%以下，这就可以确认：双掺胶凝材料配合比设计合理，能很有效地控制碱硅反应。

表4 用于ASTM C1260 抗钙硅反应试验的砂浆混合物配合比 (克)

抗渗性

根据ASTM C1202/AASHTO T277规范，对4个钻总体进行了抗渗测试。

测试结果显示通过的电荷很低，电通量范围在650-890库仑之内，表明该混凝土具有很强的抗渗性能。

孔隙率

两种配合比设计的混凝土的孔隙尺寸很小，直径约为0.02μm，甚至小于0.02μm，试样记录的总孔隙率也很低，分别为6.7%—8.7%，而普通混凝土的孔隙率为15%—20%。

微结构

根据ASTM C856采用扫描电镜和按能量扩散式X射线分析，对混凝土微结构进行了检测，以下是对这些测试方法所作的简单说明。

在钻芯体上部75mm处，将芯体垂直切割，然后在不同的深度，横向切割芯体，测出不同深度中混凝土的微结构形态。

在备制试样时，把兰色颜料真空浸渍入混凝土，使其填充到孔隙微裂缝和其他空间中。这样在显微镜观察岩石时，能很清楚地识别出孔隙。此外，兰色有且于评估净浆孔隙率。

混凝土的水灰比也可以合理准确地通过兰色净浆量进行评估。

四个钻芯试件的岩相检测结果表显示，四个钻芯试件几乎没有差异，各深度中的混凝土都进行了岩相检测。普通砂浆微结构相当致密。采用光学显微镜可以看到未水化的水泥颗粒，矿渣和粉煤灰颗粒，其中还存在微裂缝，但频率不高。砂浆中均匀分布着中小尺寸的球状气泡，还存在少量不规则形状的空隙（代表剩余的空气），还可以观察到不同阶段进行化学反应的粉煤灰及其生成物。但矿渣观察不到这种现象，因为矿渣颗粒更细。我们还注意到少量的氢氧化钙结晶，特别在砂浆-集料界面的边缘区域。

在扫描电镜观察到的密实砂浆微结构，确认了以前光学显微镜的测试。矿渣颗粒的反应状态，在扫描由镜观察下是很容易区分出来的。我们都知道，波特兰水泥会激发矿渣所必需的水化反应。最近Brameshuber 和Schroer已证实了波特兰水泥激发剂的作用，即与高含量的矿渣形成一种复合水泥。图7显示了一种未反应和部分反应的粉煤灰的实例。粉煤灰是颗粒接着颗粒进行水化反应的，即使在后期，还常常能发现不同水化阶段的粉煤灰颗粒，即可以看到xx未进行反应，到xx水化的粉煤灰。在集料周边还存在宽度小于5μm的氢氧化钙微结晶体。砂浆中，水化硅酸钙的能量扩散式×射线分析显示，其中含相对比较高的Al峰值，这可归因于辅助胶凝材料玻璃相的溶解，以及C-S-H网状结构中Al的重新分布。此外，有些Al与硫酸盐离子相结合，生成片状硫酸钙结晶体。对代表两种配合比设计的试样的×射线衍射分析显示，仍存在粉煤灰离子相复合物和普通的粗集料和细集料（石英石长石）的矿物复合物。有趣的是：在粉煤灰中还存在硬石膏，还可以看到方解石。虽然有些分解不是来自粉煤灰和集料，但部分可能来自碳化。此外，还可以看到矿渣的组分，镁硅钙石/镁黄长石。方镁石的存在，意味着来自矿渣的镁离子早已进入溶解状态，这时已形成大量的C-S-H，在其特征峰18.04 2θ时可以看到氢氧化钙。在两种混凝土配合比设计的试样中，该峰值的振幅并没出现很大的差异。

寿命周期分析

采用Life-365软件对这种混凝土的服务寿命进行了预测。这是一种典型的用于预测开始出现腐蚀的软件。我们作了大量的假设，用于计算总寿命周期成本，以及新跑道的服务寿命。这种“基准”混凝土，已被用来与一系列其他典型配合比设计（诸如，不含粉煤灰的低水/灰比混凝土，掺加 1OL/M3防腐剂）的混凝土，以及在外露跑道表面涂密封保护层和隔离层的混凝土进行对比。经预测，这种寿命为75年的“基准”混凝土，其总体寿命周期成本是40美元/M2。根据摊铺层的氯化物含量，其寿命可达120年。根据预期，其服务寿命几乎是涂密封剂/隔离剂的混凝土的2倍。

双掺措施的积极意义

这种混凝土在使用8个月后，已作出了一份详细的材料特性和性能的评估报告。钻芯体试件的抗压强度范围为：46MPa-68Mpa。尽管强度有这样的波动范围，但还是可以认为这种混凝土的强度是高的。通过混凝土的电通量很低，不到1000库仑，再加上其相当细微的孔隙尺寸，表明它有很强的抗渗性。组成其微结构的是：很致密的砂浆，3-4%的引气，以及几乎都水化的胶凝材料。矿物相分析也未见有任何有害的矿物。

该混凝土具有约120年的预测服务寿命，因此，可以定为高强/高性能混凝土范畴。虽然，这种双掺混凝土还有待普及，但是，可以预期，一旦其长期效益得到认可，特别在那些需要良好耐久性的结构中，诸如机场跑道，那么在不久的将来，其应用将会有更大的进展。

来源：上海华预网