混凝土組成成份對(duì)混凝土性能的影響

摘　要: 通過(guò)分析水泥標(biāo)號(hào).水膠比.膠凝材料用量.骨料的強(qiáng)度及級(jí)配等配比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響,指出提高混凝土性能.降低混凝土生產(chǎn)成本. 保持混凝土可持續(xù)發(fā)展的有效技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞: 混凝土; 性能; 配合比; 膠凝材料; 骨料

中圖分類號(hào): U 444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

　　建國(guó)以來(lái),我國(guó)水泥和混凝土工業(yè)發(fā)展迅速,水泥產(chǎn)量從1949年的66萬(wàn)t,到2006年年產(chǎn)量達(dá)13. 7億t,占世界水泥生產(chǎn)總量50%左右。20世紀(jì)50年代我國(guó)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為15MPa, 20世紀(jì)70年代平均強(qiáng)度為20MPa, 20世紀(jì)80年代平均強(qiáng)度已達(dá)25～30MPa,近年來(lái)大量使用的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度已達(dá)30～40MPa, C50以上高強(qiáng)度混凝土已大量用于預(yù)制構(gòu)件,高層建筑和大跨度橋梁中,這是混凝土技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。長(zhǎng)期以來(lái),水泥、混凝土、混凝土構(gòu)件和工程結(jié)構(gòu)被劃分屬于不同學(xué)科,在不同領(lǐng)域的不同層次進(jìn)行研究,在工程上也分屬不同行業(yè),實(shí)際上,水泥、特別是混凝土,是一種復(fù)雜的、非均質(zhì)的多相體,水泥漿體、混凝土、以至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的行為都不能用其中各組分單個(gè)行為的簡(jiǎn)單疊加來(lái)表征。例于在混凝土中摻入硅灰時(shí),混凝土的強(qiáng)度隨硅灰的摻量而提高;但在水泥中,水泥強(qiáng)度并不隨硅灰的摻量而變化,這說(shuō)明混凝土的行為并不取決于水泥單獨(dú)的性質(zhì)和行為。在過(guò)去,在各個(gè)層次分離的情況下,本應(yīng)是整體的水泥—混凝土—工程結(jié)構(gòu),由于分屬不同領(lǐng)域,造成工程技術(shù)人員“隔行”,會(huì)出現(xiàn)矛盾而影響工程質(zhì)量和混凝土技術(shù)的進(jìn)步。例如,隨著建設(shè)的發(fā)展,工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要求提高混凝土強(qiáng)度,提高混凝土強(qiáng)度則要求水泥提高標(biāo)高;而不懂混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員并不知道混凝土的強(qiáng)度是怎樣提高的;而混凝土的生產(chǎn)者也不了解水泥標(biāo)高的提高是采取了什么措施,而這些措施反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)混凝土的其他性能和工程有什么影響;水泥的生產(chǎn)者并不了解混凝土技術(shù)的發(fā)展,不知道水泥的性質(zhì)如何與混凝土技術(shù)相適應(yīng);結(jié)果導(dǎo)致發(fā)生使用外加劑的混凝土流變性能的問(wèn)題,大體積混凝土的溫度應(yīng)力問(wèn)題,收縮開裂的問(wèn)題,混凝土的長(zhǎng)期性能問(wèn)題等。因此,混凝土工程技術(shù)人員不僅要了解水泥除強(qiáng)度以外的各種物理力學(xué)性能,而且要增加一些水泥組成和工藝的知識(shí),還應(yīng)了解施工的知識(shí)和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的知識(shí),反之,結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員必須深化水泥、混凝土的知識(shí),才能知道如何對(duì)水泥提出全面而正確的要求,并正確使用混凝土。業(yè)主,工程監(jiān)理人員也要懂得水泥、砂石、外加劑等原材料的何種組合和性質(zhì)對(duì)混凝土有何影響,以提高混凝土的性能,降低混凝土的成本,促進(jìn)混凝土技術(shù)的健康發(fā)展。

　　近年來(lái),建設(shè)工程的業(yè)主、施工、監(jiān)理和設(shè)計(jì)對(duì)混凝土工程質(zhì)量?jī)H要求和注重強(qiáng)度,而忽視了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,在實(shí)踐中只將強(qiáng)度作為混凝土質(zhì)量要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)備。有些施工單位反映“混凝土一上C40就開裂”。其原因很復(fù)雜,涉及多方面,僅技術(shù)而言,施工質(zhì)量控制(施工管理技術(shù)水平,施工人員素質(zhì)) ,混凝土的原材料和配合比是影響工程質(zhì)量的重要因素。

1　混凝土配合比設(shè)計(jì)

　　混凝土配合比是進(jìn)行生產(chǎn)的依據(jù),直接關(guān)系到混凝土的性能和生產(chǎn)成本,是混凝土質(zhì)量控制的核心部分。混凝土配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)值應(yīng)為: ① 具有較高的強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求; ② 具有較好的流動(dòng)性,易于施工; ③體積穩(wěn)定性好; ④高度的耐久性; ⑤較好的原材料組合,達(dá)到材料成本最低化。確定混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)緊緊圍繞這5個(gè)目標(biāo)值,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、混凝土的耐久性、及工程的結(jié)構(gòu)部位、運(yùn)輸距離、施工方式等來(lái)確定原材料的品種、規(guī)格及拌合物的坍落度等性能?；炷恋呐浜媳扔?jì)算,一般先利用相關(guān)的混凝土強(qiáng)與水灰比的關(guān)系式計(jì)算出水灰比,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn),有關(guān)資料選定每1 m3 混凝土的用水量,膠凝材料用量,然后根據(jù)混凝土的工作性能要求確定砂率,外加劑摻量,確定粗骨料的用量,最后通過(guò)試配確定生產(chǎn)的配合比。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,由于整個(gè)計(jì)算、試配過(guò)程基本以強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo),加上部分試驗(yàn)人員對(duì)混凝土的用水量,膠凝材料用量,砂率、粗骨料用量及外加劑等對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性的影響關(guān)系認(rèn)識(shí)不足,片面以加大膠凝材料(水泥)的用量以提高混凝土強(qiáng)度,最后試配不出最經(jīng)濟(jì)合理的配合比來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

　　下面就某項(xiàng)目2個(gè)施工單位預(yù)制50 m T梁的C50施工配合比進(jìn)行比較。兩單位均采用同品牌P. 042. 5級(jí)水泥,相同料廠生產(chǎn)的碎石與機(jī)制砂,相同摻量(1% )的同種高效減水劑,試配結(jié)果見表1。

經(jīng)比較乙單位試配出混凝土性能比甲單位好,每1 m3 混凝土的成本要比甲單位低,且預(yù)制T梁的混凝土外觀質(zhì)量比甲單位好。

2　膠凝材料的控制

2. 1　我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)修訂的影響

　　20多年來(lái),我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)3次修訂。第1次修訂的標(biāo)準(zhǔn)于1979年7月開始實(shí)施,第2次修訂1992年開始逐步實(shí)施,第3次修訂1999年開始實(shí)施。水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂,促進(jìn)我國(guó)水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高,通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修訂,增加了熟料中C3 S和C3A的含量,水泥細(xì)度從比表面積平均300 m2 /kg增加到平均330 m2 /kg, 提高了水泥強(qiáng)度,尤其是早期強(qiáng)度,導(dǎo)致水泥的水化速率過(guò)快、水化熱大、早期強(qiáng)度發(fā)展過(guò)快過(guò)高、混凝土的微觀結(jié)構(gòu)不良、收縮大、抗裂性下降、抗腐蝕性差,同時(shí)使水泥與相同高效減水劑的相容性變差。實(shí)踐表明,早期強(qiáng)度很高的混凝土,有些在14 d以后強(qiáng)度幾乎不再增長(zhǎng),長(zhǎng)期強(qiáng)度甚至還可能倒縮。水泥中C3A 的3 d水化熱量分別約為C3 S的3. 7倍和C2 S的17. 7倍, 7 d水化熱量分別約為C3 S的7倍和C2 S的37倍; C3A的收縮率大約是C3 S和C2 S的3倍。

2. 2　水泥強(qiáng)度等級(jí)的選擇

　　混凝土的強(qiáng)度主要由水泥漿的強(qiáng)度、水泥漿與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度、骨料顆粒強(qiáng)度決定。水泥漿將骨料牢固地粘結(jié)成整體,而水泥漿的強(qiáng)度取決于水泥的強(qiáng)度等級(jí),因此,合理選擇水泥的強(qiáng)度等級(jí)非常重要。研究表明,等級(jí)越高的水泥越易獲得更高的強(qiáng)度,但其強(qiáng)度增長(zhǎng)不與水泥抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)成正比,當(dāng)水泥的強(qiáng)度等級(jí)過(guò)高于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí),水泥用量小,拌合物松散,粘性差,反之過(guò)低時(shí),水泥用量過(guò)多,混凝土拌合物粘聚力大,成團(tuán),不便澆注,不經(jīng)濟(jì),且過(guò)大的水泥用量也可能引起混凝土在水化初期出現(xiàn)塑性裂縫以及收縮量的增加。

2. 3　水膠比的控制

　　為使混凝土有較高的強(qiáng)度,就要減少硬化水泥漿體中的毛細(xì)孔隙,改善水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),提高水泥石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,特別是骨料界面上的硬化漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在水膠化較高的普通混凝土中,拌料內(nèi)大量水份加大了水泥顆粒間的距離,硬化后留下大量毛細(xì)孔隙,拌料中過(guò)量的水份還有集結(jié)在粗骨料表面特別是底面的傾向,水泥石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因此也不可能很高,而硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣與氫氧化鈣,氫氧化鈣為強(qiáng)度較低的六角片狀結(jié)晶,更使粗骨料界面成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié),所以降低混凝土的水膠化和用水量是提高混凝土強(qiáng)度的重要環(huán)節(jié)。但混凝土獲得較好的流動(dòng)性需要較多的拌合水,由于水泥置于水中后會(huì)產(chǎn)生絮凝作用并禁閉部分自由水份,太多的拌合水不但增加了內(nèi)部孔隙率,形成各種介質(zhì)侵入的通道,而且由于導(dǎo)致的早期與后期的高收縮率很容易造成裂縫,這對(duì)混凝土的耐久性極為不利,而高效減水劑具有高度分散水泥顆粒.消隙絮凝的作用,解決了降低水膠化和用水量與提高和保證拌合料工作度之間的矛盾,提高了水泥石的密實(shí)性和混凝土的體積穩(wěn)定性,改善了混凝土的耐久性,能夠提高混凝土強(qiáng)度20%左右,同時(shí)能夠節(jié)約水泥用量,降低生產(chǎn)成本,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

　　改善膠凝材料粉體顆粒的級(jí)配也是減少混凝土中毛細(xì)孔隙的一種途徑,目前混凝土工程中應(yīng)用較多的細(xì)摻合料有: 硅粉、礦粉、粉煤灰等,細(xì)摻合料能很好地填充水泥在凝結(jié)和硬化過(guò)程中形成的空隙,改善水泥的微孔結(jié)構(gòu),改善水泥石與骨料之間的界面結(jié)構(gòu),使混凝土更加密實(shí)。細(xì)摻合料在氫氧化鈣的激發(fā)下具有一定的活性,能與水泥水化產(chǎn)物薄弱結(jié)晶氫氧化鈣起反應(yīng),生成水化硅酸鈣,并能使水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的結(jié)晶變得細(xì)小,從根本上改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性能,與骨料界面性能,使混凝土的強(qiáng)度和耐久性得到顯著的提高。

　　工程實(shí)踐證明,在相同材料和工藝條件下,混凝土強(qiáng)度取決于水膠比,即混凝土強(qiáng)度隨水膠比增大而降低,這就是水膠比定則,但是有些技術(shù)員和操作工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加水破壞混凝土耐久性、和易性認(rèn)識(shí)不足,以為用水稀釋拌合物,增大坍落度便于攪拌、泵送、澆筑,殊不知,合理水膠比每增加0. 05,混凝土強(qiáng)度就可能下降10MPa,另外,攪拌好的混凝土是水與水泥,水泥漿與石子,砂漿與石子之間彼此包裹和填充的混合結(jié)構(gòu),向其加水,會(huì)加劇混凝土的離析和泌水,影響硬化后混凝土強(qiáng)度和耐久性,同時(shí)會(huì)造成混凝土泵送、澆筑過(guò)程脹模、跑漿現(xiàn)象,從而產(chǎn)生蜂窩、麻面、露筋等質(zhì)量問(wèn)題。

3　骨料的質(zhì)量控制

　　粗細(xì)骨料作為混凝土的重要組成部分,占其質(zhì)量的3 /4左右,骨料構(gòu)成的骨架提高了混凝土的密實(shí)性,減少了荷載作用下的變形,同時(shí)水泥石硬化收縮產(chǎn)生的不均勻的收縮變形而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致裂縫,而骨料能夠制約水泥石的收縮,使混凝土具有較好的體積穩(wěn)定性。同時(shí)骨料比膠凝材料等其他組成材料便宜很多,這也是混凝土比較便宜的一個(gè)重要原因。為了使骨料的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)作用能夠充分發(fā)揮,骨料應(yīng)滿足: 致密、堅(jiān)硬、無(wú)有害物質(zhì)和具有較小的粒間空隙和表面積,即: 粒形好、等徑狀顆粒多、針片狀顆粒少、級(jí)配好。

3. 1　骨料強(qiáng)度

　　混凝土的強(qiáng)度一定程度上取決于水泥與骨料的的砂率都會(huì)影響拌合物的和易性,同時(shí)砂的細(xì)度模數(shù)也直接關(guān)系到砂率的選擇,為獲得相同的和易性,隨砂的細(xì)度模數(shù)降低,砂率也相應(yīng)降低,在保證和易性前提下,應(yīng)盡量選用小的砂率,以減少水泥的用量,降低成本。

4　混凝土的可持續(xù)發(fā)展與砂石材料危機(jī)

　　可持續(xù)發(fā)展是以保護(hù)資源和環(huán)境以及節(jié)省能源為前提的?；炷林械纳笆险伎偭康?0%以上,砂石的生產(chǎn)和質(zhì)量也影響到混凝土能否可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。

　　在混凝土的各種原材料中,長(zhǎng)期以來(lái)人們只重視水泥的質(zhì)量,而忽視砂石的質(zhì)量,由于砂石原料來(lái)源廣泛易得,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉而長(zhǎng)期不受重視,被認(rèn)為是一種取之不盡的材料而隨意浪費(fèi)。近年來(lái),由于國(guó)家加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投入,混凝土用量猛增,對(duì)砂石的需求大大增加,因而出現(xiàn)大量不具規(guī)模的作坊或私人采石場(chǎng),采用安全措施很差的落后的破碎機(jī)破碎石料,采用這種工藝,強(qiáng)度越高的巖石針片顆粒越多,粒徑越小針片狀顆粒越多,為保證針片狀顆?？偭坎怀瑯?biāo),幾乎都將10 mm以下顆粒篩除,因此,石子生產(chǎn)過(guò)程中資源浪費(fèi)嚴(yán)重,而且質(zhì)量越來(lái)越差。砂子的開采更加無(wú)序,濫采濫用的結(jié)果,使一些建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越買不到混凝土所需級(jí)配良好的粗砂,用現(xiàn)有的砂石必須增加膠凝材料和高效減水劑摻量來(lái)滿足拌合物流動(dòng)性要求,不僅不經(jīng)濟(jì),而且使混凝土彈性模量降低,收縮增大,從而影響耐久性。

　　節(jié)約資源一方面需要科學(xué)開采,只有使砂石的生產(chǎn)集約化,達(dá)到一定規(guī)模,才有力量改造落后的生產(chǎn)工藝,進(jìn)行科學(xué)的質(zhì)量控制和管理以及下腳的綜合利用。另一方面還需科學(xué)使用,這需要我們糾正一些觀念,倒如對(duì)粗骨料,若控制了風(fēng)化(軟弱)顆粒,含混(細(xì)粉)量和其他雜質(zhì)含量,對(duì)強(qiáng)度不必要求太高,若破碎后的粒形好,等徑狀顆粒多,針片顆粒少,對(duì)混凝土強(qiáng)度影響小、而粗骨料的粒形對(duì)混凝土的性能尤其是施工性影響較為重要,放寬對(duì)粗骨料強(qiáng)度的要求,可擴(kuò)大粗骨料的可用資源,減少加工過(guò)程中的浪費(fèi),同時(shí)可提高粗骨料的總體質(zhì)量,解決砂石料危機(jī),保證混凝土的可持續(xù)發(fā)展。

5　結(jié)語(yǔ)

　　1981年[英]悉尼·明德斯( Sianey Mrndes) ,[美]J·費(fèi)朗西斯·楊( J ·Erancis·Young) ,在合著《混凝土》一書首頁(yè)上寫道“混凝土已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ),在日常生活中幾乎各個(gè)方面都直接或間接地涉及到混凝土”。隨著混凝土的廣泛應(yīng)用,通過(guò)對(duì)混凝土原材料品種、用量及品質(zhì)對(duì)混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的影響分析,加深對(duì)混凝土宏觀技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性與其組成成份的內(nèi)在關(guān)系的認(rèn)識(shí),有利于工程技術(shù)人員在混凝土配合設(shè)計(jì)與混凝土生產(chǎn)時(shí)做到技術(shù)先進(jìn)、性能良好、經(jīng)濟(jì)合理。

參考文獻(xiàn):

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　　[ 2 ] 吳歷斌. 高強(qiáng)高性能混凝土中集料對(duì)力學(xué)性能的影響[ J ]. 混凝土, 2001.