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。所以單純增加細(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?,使水泥粒子分散,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,因而對混凝土的強(qiáng)度有利。但對于高強(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,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),對水泥用量:當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C60時(shí),宜取用400~500kg/m3, 當(dāng)強(qiáng)度等級為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)度等級較低時(shí)砂率可適當(dāng)放大。配制時(shí)對坍落度大小的要求,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)級配均勻,含泥量小等等。硅灰的摻入會對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。可以預(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。