高強(qiáng)度混凝土的配置和應(yīng)用
2005-06-24 00:00
摘要：隨著高層建筑的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用越來越被人們所重視。本文詳細(xì)分析了高強(qiáng)度混凝土原材料選擇的相關(guān)問題和原理，給出了一些高強(qiáng)度混凝土的常見配合比，給出了一些高強(qiáng)度混凝土配置和使用過程中的問題和建議。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度混凝土；配合比設(shè)計(jì)；集料；外加劑；減水劑；硅灰
1. 引言
近年來，隨著高層建筑的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用也越來越廣泛。高強(qiáng)度混凝土是指強(qiáng)度等級(jí)為C60以上的混凝土，多用于高層建筑底層柱，一般體積較大（ 斷面最小尺寸超過1m）。高強(qiáng)度混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，在妥善的質(zhì)量控制下制成的，除了對(duì)水泥、集料和水的質(zhì)量進(jìn)行有效的控制外，配置高強(qiáng)度混凝土還必須采用低水膠比和摻加足量的礦物細(xì)摻料與高效外加劑，以保證混凝土的耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、實(shí)用性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性。
提高混凝土的性能是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。隨著混凝土結(jié)構(gòu)物的大型化、高層化及使用機(jī)械的大型化，對(duì)混凝土的性能也提出了更高的要求。
2． 高強(qiáng)度混凝土的原材料
高強(qiáng)度混凝土所用的原材料包括水泥、砂石集料、外加活性材料及高效減水劑等等。
2.1 水泥
配制高強(qiáng)度混凝土在選擇水泥時(shí)應(yīng)注意它與可能選用的高效減水劑之間的相容性，一般所選用的水泥應(yīng)該是42.5級(jí)以上的且質(zhì)量穩(wěn)定的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，最好采用純硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥的強(qiáng)度因礦物組分而異，而且其礦物成分的水化反應(yīng)也受各種因素的影響，即使水泥品種相同，早期養(yǎng)護(hù)溫度不同，強(qiáng)度的發(fā)展也不同。如在反應(yīng)初期提高溫度，可以加速水化反應(yīng)，但由于水泥粒子表面被析出的硅酸鈣水化物C-S-H包裹著，妨礙水泥粒子內(nèi)部的進(jìn)一步水化，后期強(qiáng)度受到影響。高細(xì)度水泥能獲得早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度很少增加，且水化熱嚴(yán)重。所以單純?cè)黾蛹?xì)度并不合適。
混凝土的強(qiáng)度主要取決于集料和水泥漿強(qiáng)度，以及集料與水泥漿體之間的界面過渡區(qū)的強(qiáng)度。為了獲得高強(qiáng)度，應(yīng)盡量降低其孔隙率。在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，降低孔隙率通常采用的辦法有：降低水灰比，提高水泥漿的稠度，或使水泥水化完全，降低內(nèi)部孔隙率，這就需要選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿顾嗔Ｗ臃稚?，充分水化，此外還需要在適當(dāng)?shù)臏囟扰c濕度下養(yǎng)護(hù)。
配制高強(qiáng)度混凝土的水泥用量較多，但過大的水泥用量不但增加成本，而且會(huì)產(chǎn)生多種不利后果。如過量的水化熱、收縮增大、增加混凝土的脆性等。因此最合理的方法是外加活性礦料替代部分水泥。許多資料表明在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，水泥用量最好控制在550kg/m3以內(nèi)， 這時(shí)可通過摻加硅灰、粉媒粉等礦物料來提高混凝土強(qiáng)度。
2.2 集料
對(duì)于粗集料，在水灰比相同時(shí)，表觀密度大的粗集料混凝土強(qiáng)度高， 吸水率低的粗集料混凝土強(qiáng)度高。強(qiáng)度高的石料一定有其優(yōu)越性，但它并不是最關(guān)鍵的因素。粗集料是和包裹它的水泥砂漿共同受力的，如何減小混凝土孔隙率使它達(dá)到更加密實(shí)的狀態(tài)才是決定混凝土強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素。這里的孔隙包括集料之間的，集料與水泥漿之間的和水泥漿內(nèi)部的。
對(duì)于中低強(qiáng)度混凝土，適當(dāng)加大粗集料粒徑可在同一坍落度情況下減少水的用量，因而對(duì)混凝土的強(qiáng)度有利。但對(duì)于高強(qiáng)度混凝土來說，加大集料粒徑并不能增加混凝土的強(qiáng)度， 反而可能影響混凝土的強(qiáng)度。大粒徑的集料內(nèi)部存在著更多的薄弱環(huán)節(jié)， 其薄弱環(huán)節(jié)是按層理分布的，這樣就形成一個(gè)較大較長(zhǎng)的薄弱面，如果混凝土的某一部分有多個(gè)有相近方向的薄弱面的話就形成了一個(gè)影響混凝土強(qiáng)度的薄弱區(qū)。然而集料粒徑較小，在破碎的過程中這樣的薄弱環(huán)處往往分開， 這就使小粒徑集料的薄弱環(huán)節(jié)減少，由于集料粒徑小，形成的薄弱面較小，在混凝土中的分布較為均勻， 很難在混凝土中形成影響強(qiáng)度的薄弱區(qū)。另外，粒徑較小的集料有較大的表面積，故能增加其與水泥漿的粘結(jié)面積，從而界面受力比較均勻。由于高強(qiáng)度混凝土水灰比較小， 采用連續(xù)級(jí)配能使混凝土獲得更好的工作性能。當(dāng)其他條件相同時(shí)，卵石配制的高強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度明顯小于碎石，因此不宜采用卵石配制很高強(qiáng)度的混凝土， 但采用卵石時(shí)，混凝土拌和料的和易性比較好。
在高強(qiáng)度混凝土中，細(xì)集料應(yīng)選用潔凈的砂子， 最好是圓形顆粒的天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7～3.1。根據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)，在高強(qiáng)度混凝土中粗細(xì)集料的比值可取2.0，即砂率為0.33。因?yàn)榇旨系谋砻娣e相對(duì)砂來講比較小，需要包裹在它周圍的水泥漿量要少， 這樣在相同水灰比相同水泥用量的情況下，可以增大新拌混凝土的坍落度。更小的砂率還有可能提高混凝土強(qiáng)度，但那將損害混凝土的工作度。
2.3 外加劑
利用礦物外加劑與高效減水劑內(nèi)超迭效應(yīng)來制備高強(qiáng)度混凝土是它與傳統(tǒng)高強(qiáng)度混凝土的基本區(qū)別，在礦物外加劑取代部分水泥的前提下，水泥與高效減水劑的相容性得到改善，高效減水劑含堿所造成的副作用可能轉(zhuǎn)化為有利的堿激發(fā)作用，帶來正效應(yīng)，當(dāng)然也引發(fā)施工配料過程復(fù)雜化的問題，這可以通過專用的復(fù)合外加劑或混合水泥來解決。如果外加劑選擇合適的話，還可以降低混凝土內(nèi)孔隙率，提高混凝土密實(shí)度，增加混凝土強(qiáng)度。常見的外加劑有硅灰、粉媒灰和磨細(xì)礦渣等。
硅灰是電爐生產(chǎn)工業(yè)或硅鐵合金的副產(chǎn)品。硅灰的回收利用不僅解決了空氣污染問題，而且還給配制高強(qiáng)度混凝土帶來了有效的途徑。用硅灰能夠配制出很高強(qiáng)度且早強(qiáng)的混凝土，但必須與減水劑一起使用。硅灰的通常用量為水泥的5～10％。但對(duì)于C80以下的高強(qiáng)度混凝土酌情降低。由于硅灰細(xì)度很高，所以按一定比例等量替代水泥后， 為了保證同樣的工作度就需增加用水量或減水劑用量。但當(dāng)拌和料的水灰比很低（0.3）時(shí)，情況正好相反，這是有了硅灰以后能使水泥均勻分布， 在同樣坍落度的情況下，可以減少減水劑的投放量，而且水灰比越低減少得越多。試驗(yàn)表明，摻加了硅灰的混凝土的工作性能得到了明顯的改善，粘聚性和保水性都比較好。
粉煤灰是配制高強(qiáng)度混凝土常用的另外一種外加劑，當(dāng)粉煤灰與高效減水劑復(fù)合使用時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生超迭效應(yīng)，獲得這種效應(yīng)的前提是水膠比低，當(dāng)高效減水劑摻量大，混凝土水膠比低的條件下， 粉煤灰對(duì)新拌混凝土和硬化混凝土的各種性能都產(chǎn)生有利的作用， 為使粉煤灰對(duì)早期強(qiáng)度不受影響，可加少量的硅灰或沸石粉，磨細(xì)礦渣、頁巖灰等，另外，粉煤灰混凝土硬化期間溫度越高，則強(qiáng)度發(fā)展越快，這也為大量的研究與應(yīng)用所證實(shí)。
磨細(xì)礦渣的作用是能水化并生成凝膠，能改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，并使之密化，對(duì)強(qiáng)度和耐久必起著有利的作用，超細(xì)礦渣不僅有很高活性，而且能明顯改善全部膠凝材料的顆粒配級(jí)，使之更為密實(shí)。
2.4 高效減水劑
高效減水劑是配制高強(qiáng)度混凝土所必不可少的一種外加劑。配制高強(qiáng)度混凝土應(yīng)選用非引氣性高效減水劑，使坍落度損失速度減慢，這是高強(qiáng)混凝土制備中的一個(gè)特殊性質(zhì)。
3. 配合比設(shè)計(jì)
高強(qiáng)度混凝土配合比計(jì)算，一般可按普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行， 先算出當(dāng)不加外加劑時(shí)每m3混凝土中各種材料用量， 然后用外加劑替換部分水泥。配制時(shí)水膠比，水：（水泥＋外加劑）應(yīng)控制在0.28～0.38 范圍內(nèi)，對(duì)水泥用量：當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60時(shí)，宜取用400～500kg/m3， 當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)為C70～C80時(shí)， 宜取用450～550 kg/m3。水泥與外加劑總用量不宜超過600 kg/m3。砂率一般為0.28～0.32，泵送時(shí)砂率一般在0.32～0.40范圍內(nèi)，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)較低時(shí)砂率可適當(dāng)放大。配制時(shí)對(duì)坍落度大小的要求，是根據(jù)混凝土的運(yùn)輸和澆筑時(shí)所需的時(shí)間而定的，具體可通過高效減水劑的摻量進(jìn)行調(diào)整。高效減水劑的摻量一般為膠結(jié)料的0.5～1.8％。
4. 結(jié)論和建議
4.1 配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，水泥要求選用42.5或更高標(biāo)號(hào)的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥為宜；砂為中粗砂為宜；石子應(yīng)級(jí)配均勻，含泥量小等等。硅灰的摻入會(huì)對(duì)混凝土的工作性能起到明顯的改善作用，粘聚性和保水性都比較好。
4.2 控制水灰比和減少用水量是配制高強(qiáng)度混凝土的關(guān)鍵之一，施工時(shí)如果水灰比和用水量不加嚴(yán)格控制，水灰比增大混凝土強(qiáng)度會(huì)明顯下降。
4.3 高強(qiáng)度混凝土早強(qiáng)性能顯著，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，使用時(shí)應(yīng)加以注意。
4.4 高強(qiáng)度混凝土的坍落度隨時(shí)間的損失而增大，泵送時(shí)應(yīng)摻合適量的泵送劑。對(duì)泵送劑的泵送效果的研制，是做好高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用的重要一環(huán)。
4.5 高強(qiáng)度混凝土的質(zhì)量受各種環(huán)境因素和人為因素的影響比較大，施工時(shí)稍有差錯(cuò)就會(huì)帶來比較嚴(yán)重的后果，尤其是過高的溫度、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸以及水化熱等問題更要引起重視。
隨著科技進(jìn)步和建筑市場(chǎng)的繁榮，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用與發(fā)展必將越來越多地被人們所關(guān)注?？梢灶A(yù)見隨著高強(qiáng)度混凝土被人們的廣泛認(rèn)同和普遍應(yīng)用，它必將成為21世紀(jì)非常重要的建筑材料。 編輯：
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