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高性能混凝土及其典型配比

时间:2017-6-16 8:44:00 来源:本网

  人民长江高性能混凝土及其典型配比刘洵(深圳市水务局,广东深圳518000)只是具有较高的强度,而且还应具有良好的耐久性,较高的抗热裂性能以及较高的尺寸稳定性等。配制高性能混凝土最有效的几种组分是超塑化剂、粉煤灰或矿渣、硅粉。简要论述了这些材料的主要性能和使用方法,为配制高性能混凝土提供一些实用性的引导。

  1概述长期以来,衡量混凝土性能一直以抗压强度作为主要依据,但许多混凝土结构,尤其是处于严酷环境中的结构,由于其耐久性较差己经或正在遭受严重的损坏。因此,混凝土结构的耐久性目前己日益受到关注。

  除了强度和耐久性以外,混凝土的其它性能也正在受到较多关注,一方面,工程上要求混凝土具有较高的强度;另一方面,又要求它的水化热、收缩和徐变应尽可能低。同时还应有较高的流动度,较高的早期强度、较高的弹性模量和较高的抗拉强度等等。

  为了表征不仅具有较高的强度而且具有较好的全面性能的混凝土,一个新的术语“高性能混凝土”(HighPerformanceConcrete)于20世纪80年代末问世且现在己被广为接受。高性能混凝土可以定义为具有下述性能的混凝土。

  高耐久性(低的介质渗透性)收缩、徐变应变)高抗裂性(低水化热和热裂危险)显然,仅仅提高水泥用量不可能配制出高性能混凝土。为避免混凝土产生高的水化热和收缩、徐变应变,不仅水泥量而且水泥浆的体积必须限制不超过某一界限。随着这些限制的引入,要满足高性能混凝土的严格要求,仅仅使用水泥、集料和水将是非常困难的。通常需要使用化学和矿物外加剂。在各种类型的外加剂中,最有效和常用的是超塑化剂(高效减水剂)、粉煤灰(或矿渣)和硅粉。目前用这些材料配制的高性能混凝土己被成功地应用于高层建筑,大跨度桥梁、海洋工程结构,易遭受废弃物侵蚀的储料罐等。本文主要介绍配制高性能混凝土的重要组分、性能及其典型配合比。

  2超塑化剂(高效减水剂)超塑化剂主要有两个类型,即萘磺酸盐甲醛缩合物和三聚氰胺磺化缩合物(密胺树脂)与普通减水剂的作用机理相似,掺入超塑化剂主要是为了降低新鲜水泥浆体中水泥颗粒间的内摩阻力,从而提高水泥浆体的流动性。然而,和普通减水剂相比,它的塑化效果要好得多,且可使用较高掺量而不引起过多引气或缓凝等副作用。因此,超塑化剂能更显著地降低混凝土的水灰比,从而提高混凝土的物理、力学性能与耐久性能。

  对于配制C60级以上的混凝土而言,通常必须使用超塑化剂以使混凝土的水灰比降低至0.3左右甚至更低。上述两种超塑化剂均可使用,一般,当剂量相同时,萘系超塑化剂的减水效果略好,但另一方面,密胺树脂系超塑化混凝土的坍落度损失相对略小。目前,许多超塑化剂都或多或少复合有其它类型的外加剂(如调凝剂,缓凝或早强)以取得满足具体工程对混凝土性能的要求。

  超塑化剂的掺量取决于超塑化剂的类型、水泥的类型和用量,所期望的减水率与坍落度以及是否与其它外加剂联合掺用。

  通常,超塑化剂的掺量(以固量计)约为水泥重量的1%即能配制出自流性混凝土。如果流动性要求不变,则可降低水灰比以提高混凝土的强度和耐久性,超塑化剂的用量与水灰比降低百分率间的关系如所示。减水效果还与超塑化剂的加入方式有关,如果超塑化剂能滞后水泥、集料和拌和水2~3min加入,大量的超塑化剂分子吸附在水泥初始水化相之间从而取得相对高的流动度,或者说在流动度保持不变的前提下取得相对高的减水率。

  尽管超塑化剂具有上述的用途与功效,但在应用过程中有些问题尚需关注。当超塑化剂剂量过大时,则可能引起混凝土泌水、离析、过量引气或缓凝以及降低早期强度等,尤其是使用和引气剂或缓凝剂复合的超塑化剂时,使用者必须考虑到工程的具体要求,通过试验确定最优的剂量并评估超剂量时可能产生的影响。

  另一个问题是超塑化混凝土通常会表现出较快的坍落度损失,尤其当施工现场温度较高,湿度较低时。为补偿这一缺陷,通常可考虑采用下述措施:略微增大超塑化剂的剂量;尽可能在施工现场混凝土入仓前加入超塑化剂,或在搅拌运输过程中分阶段加入;超塑化剂掺量与水灰比的关系选用C3A含量相对低的水泥品种;尽可能避免或降低混凝土入仓前后的水份蒸发。

  最后还应注意到,当使用超塑化剂降低了水泥用量或水量时,由于水泥浆体减少而可能导致新鲜混凝土由于粗集料相对增多而和易性差。为避免这一点,通常可在配合比设计时略微增大砂率以补偿水泥体积的减少。

  3粉煤灰粉煤灰是燃煤发电厂产生的并通过某种方式回收的工业废料,它含有能与水泥水化产生的氢氧化钙起反应进一步形成水化硅酸钙的活性二氧化硅,这种反应称之为火山灰活性反应。

  因此,在混凝土中外掺粉煤灰通常将提高混凝土的强度,如果保持强度等级不变则水泥用量可适当降低。实际上,粉煤灰常用于部分取代水泥,这将不仅导致混凝土的成本降低,而且显著降低其早期水化热。对于大体积混凝土和水泥用量较高的高强度混凝土,掺用粉煤灰对于降低早期水化热,避免由此引起的混凝土早期热裂非常重要。

  掺用粉煤灰可明显降低混凝土的渗透性从而改善混凝土的耐久性,普通混凝土的渗透性部分原因是由于混凝土中的可溶性的氢氧化钙被溶解并可能从硬化混凝土中滤出,从而留下易被液体或气体介质侵入的孔隙。由于粉煤灰的火山灰活性反应,混凝土中的氢氧化钙被部分消耗于二次水化反应从而使氢氧化钙滤出现象大大减轻。此外,粉煤灰的火山灰活性反应产物有助于填充水泥浆体中水化水泥颗粒间的孔隙。因此,掺粉煤灰混凝土的渗透性明显低于同强度等级的普通混凝土。

  掺用粉煤灰还能明显改善新鲜混凝土的性能。首先,由于粉煤灰的颗粒形态效应(球形玻璃体),它通常能提高混凝土的流动性。因此,对于给定的流动度,则能减少拌和用水或减水剂的用量。其次,优质粉煤灰的细度较小,可明显改善新鲜混凝土的粘聚性、降低泌水和离析。这些流变性质的改善对于泵送混凝土施工尤为有利。

  然而,粉煤灰的火山灰活性反应,通常在水泥水化后期才显示出来,故掺粉煤灰混凝土的强度发展较慢,相对于同强度等级的普通混凝土而言,粉煤灰混凝土具有相对低的早期强度和相对高的后期强度。同理,它的凝结时间一般也较长,这种缓凝效果既有优点也有缺点,优点是降低早期水化热并减少坍落度损失,缺点是相对高的模板应力和相对长的可拆模时间。

  粉煤灰的品质取决于燃煤的类型,煤的燃烧条件和灰的收集方式,不是所有的灰源都适合于混凝土工程。表1列出了有土而言,应尽可能选择品质最优的粉煤灰,在使用新灰源之前,通常必须开展试验研宄以论证该种粉煤灰是否适用并综合评估掺粉煤灰混凝土的性能。

  表i用于混凝土工程的粉煤灰的主要品质指标标准名称粉煤灰Si2+Al23+Fe2类型最小值最大烧3失量(%)细度最小比表面积(rm2/g)最大筛余量中国I512(45注:N为天然火山灰;为低钙粉煤灰;C为高钙粉煤灰;I为用于劫构混凝土的粉煤灰;(A)为烟煤粉煤灰;(B)为无烟煤粉煤灰;(C)为褐煤粉煤灰。

  粉煤灰的掺量范围较宽,对于低到中等强度的大体积混凝土,即使掺入占总胶凝材料量50%的粉煤灰也己取得了相当满意的效果。然而,对于通常的结构混凝土而言,许多规范都限制粉煤灰的最大掺量为30%,这主要是为避免缓凝过量和早期强度过低,就配制高性能混凝土而言,推荐的掺量一般为15%如果使用粉煤灰等量取代水泥,则混凝土28d以前的强度一般将会降低,这一问题可通过下述方法加以解决。①超量取代。即粉煤灰的掺量比所取代的水泥量稍大,超量系数(粉煤灰的掺量与被取代的水泥重量之比)取决于粉煤灰的活性,通常介于1.2~2.0之间。②加入少量的硅粉,由于硅粉具有较高的火山灰活性,能显著提高混凝土的早期强度,一般,如果粉煤灰的掺量不超过30%,通过复掺约5%的硅粉即可补偿早期强度的降低。③使用高效减水剂较大幅度地降低粉煤灰混凝土的水灰比。④化学激发粉煤灰活性,当粉煤灰掺量较大时,通过高效减水与化学激发(适宜适量的激发剂)复合措施,可显著提高掺粉煤灰混凝土的早期强度。

  4硅粉硅粉是冶炼硅金属和硅铁合金产生的副产品。硅粉的主要成份是颗粒极细(0.1~0.2Pm)无定型二氧化硅,与粉煤灰类似,硅粉能与水泥水化产生的氢氧化钙起反应生成水化硅酸钙。

  由于硅粉的二氧化硅含量非常高(通常可用于混凝土的硅粉的二氧化硅含量高达85%以上)且颗粒极细,因此具有极高的火山灰活性。此外,当它均匀地分布于水化产物中时,其极细的颗粒还具有良好的微填充效应。上述两个特性导致了混凝土的强度和耐久性的显著提高。尽管硅粉对强度发展贡献显著,但对早期水化热的影响甚微,因而特别适于配制水泥用量相对高的高性能混凝土。

  到目前为止,仅有为数不多的国家颁布了硅粉(可作为火山灰质材料在混凝土中使用的)品质蔌f/规范列于表关国家对用于1混凝土中的粉煤灰品质(规范。就配制高性能混凝表2硅粉的主要品质指标国家火山灰活性指数最小值细度最小比表面积最大筛余量(45Mm)(%)中国美国加拿大挪威硅粉通常有3种形式:①原状硅粉;②压密硅粉;③浆体硅粉。

  由于硅粉的超高细度,硅粉用于混凝土中时具有非常高的需水量,研宄发现,在混凝土中掺入1kg的硅粉后,为保持其流动度不变一般需要增加1kg用水量。因此,如果不与超塑化剂联合使用,硅粉对混凝土性能的贡献将被水灰比扩大的副作用所大致抵销。换言之,硅粉只有当与超塑化剂联合使用时其潜能才能得以充分发挥。

  当掺量较低时,硅粉对混凝土强度的贡献至少相当于2 ~3倍等量的水泥。不过,其效应将随着掺量的增加而逐渐降低,当掺量超过总胶凝材料的20%时,其增强效应将变得非常小。因此,硅粉的掺量通常很少高于20%.事实上,当硅粉掺量过高时,新鲜混凝土将变得非常粘稠而增加施工浇筑的难度。另一方面,硅粉的价格也远高于水泥,在满足设计对混凝土强度或其它性能要求的前提下,以少掺为宜,通常的掺量一般介于5%掺用硅粉时另一值得注意的要点是,硅粉混凝土的表面较易产生塑性干缩裂纹。这是由于掺入硅粉后,新鲜混凝土将很少产生或基本不会产生泌水现象,而塑性收缩裂纹正是当混凝土表面水分蒸发速率大于泌水速率时才易发生。因此,对于硅粉混凝土而言,及时地养护非常重要,当混凝土浇筑完毕后,应尽早喷雾养护或用塑膜、湿草(麻)袋覆盖表面,尤其是当施工现场湿度较小,风速较大时。

  5高性能混凝土的典型配比综上讨论,高性能混凝土配合比设计的基本思路可概括如下:①为避免过高的早期水化热,水泥用量应尽可能低,一般应限制不超过500kg/m3,并尽可能控制在450kg/m3以下;②由于混凝土的收缩与徐变应变是与胶凝材料浆体的体积成比例的,考虑到体积稳定性,混凝土的胶凝材料浆体体积应不超过35%;③为了满足强度与耐久性要求,必须考虑掺用适量的粉煤灰与硅粉,由于硅粉价格相对昂贵,因此宜尽可能多地掺用粉煤灰而尽可能少地掺用硅粉;④由于高性能混凝土通常要求在满足流动度要求的前提下采用尽可能低的水胶比,因此必须考虑使用适宜的超塑化剂,剂量需通过试验确定。

  综合有关资料及笔者的研宄经验,高性能混凝土的典型配比一般应介于表3所示的范围,表3数据可作为研宄配制高性能混凝土的依据,具体的配比参数可结合具体工程的特定要求和当地材料条件加以选择,并进行试验评估。

  表3高性能混凝土的典型配比胶凝材料浆体7水泥用量粉煤灰硅粉超塑化剂(按固量计)水胶比特征抗压强度体积注:按总胶凝材料重量计。

  6结语简单地通过提高水泥用量的方式来提高混凝土强度将导致许多有害的副作用,为避免过高的早期水化热,应尽可能限制水泥用量不超过450kg/m3为保持体积稳定性,胶凝材料浆体体积应不超过35%.在上述前提下,通常必须考虑使用减水剂与掺合料,最有效的方法是联合掺用超塑化剂、粉煤灰和硅粉。由此配制出的混凝土将不仅仅具有较高强度,而且其耐久性和综合性能也将得以全面改善。

  (编辑:赵树湘)(上接第35页)深进行计算,以确定地基是否需进行处理。开挖边坡采用1:槽身段。该段横跨索河河槽,长145.6m,地面高程104.0-107.5m地质结构由第①-⑦层组成。基础底面高程104.88m,要求基底应力150 -190kPa基础置于第①层及第③层湿陷土层之下,从剖面图上分析,河槽段地面高程最低104 0-105.2m基础砌置深度太浅,承载力标准值分别为145kPa和160kPa均不能满足设计应力要求,建议加深基础深度,并对地基适当加固处理。

  (5)退水闸。该段地质结构由第③。④。⑤。⑥层组成。地面高程117.8 108.8m,设计基底高程111基底应力150-180kPa基础置于第③层湿陷土层之下,承载力标准值160kPa地基埋深约6.0m设计时宜根据基础埋深。宽度及承载力标准进行计算,以确定地基是否进行处理。两岸渠堤填方高度1-4m开挖边坡宜采用1:0.75. 3结语征、工程地质条件及各持力层土体的物理力学性质,达到了预期目的和要求,其物理力学性建议值可作为设计和施工使用。

  工程场区位于黄河冲积平原,河谷宽浅,交通便利,有利于建筑物的布置和施工。

  工程区基本地震烈度为VUS.区内地下水(包括河水)对混凝土无侵蚀性。

  区内出露的第③层黄土状轻粉质壤土上部4.0m,具有等湿陷性,渠坡多位于该湿陷土层,设计时应予以考虑。开挖深度6 -7m左右,建议边坡采用1渡槽进、出口闸室退水闸基础置于第③层黄土状轻粉质壤土上,其承载力标准值不能满足基底应力要求,若经基础宽度和深度修正后,仍不能满足设计要求,需对地基进行加固处理。渡槽槽身段基础位于第①层轻粉质壤土和第③层黄土状轻粉质壤土上,基础埋深较浅,其承载力标准值亦不能满足设计基底应力要求,建议增加基础设置深度,并对地基进行加固处理。

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