高強(qiáng)流態(tài)混凝土的研究與工程應(yīng)用

　　摘要：本文介紹了針對(duì)河北省重點(diǎn)工程--燕都大酒店設(shè)計(jì)采用的高性能混凝士的技術(shù)和施工要求，用石家莊地區(qū)525' 普通硅酸鹽水泥、當(dāng)?shù)爻Ｓ玫纳笆?，配制C60、C65級(jí)高強(qiáng)流態(tài)混凝士的試驗(yàn)研究結(jié)果。在燕都大酒店工程的梁、樓板、墻板和柱子等結(jié)構(gòu)部位使用高強(qiáng)流態(tài)混凝土約3萬(wàn)m³。對(duì)高溫季節(jié)施工時(shí)高強(qiáng)流態(tài)混凝士的塌落度經(jīng)時(shí)損失控制，冬季施工時(shí)與高強(qiáng)混凝士相適應(yīng)的防凍劑選擇進(jìn)行了討論。提出高強(qiáng)流態(tài)混凝士配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各組分的體積比例，特別是水泥漿的體積比例，以獲得良好的和易性，力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。

　　一． 前言

　　混凝土材料一直向著輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久方向發(fā)展。本世紀(jì)八十年代，日本東京岡村甫教授等提出了高性能混凝士的概念，并研究出工作性好，施工時(shí)只需輕微振搗或免振的自密實(shí)混凝士，從而保證混凝土具有良好的物理力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性。此后，高性能混凝士受到了各國(guó)混凝土材料研工作者和建筑施工界的高度重視，被稱為是跨世紀(jì)的建筑材料。

　　對(duì)于高性能混凝土的理解，由于各國(guó)研究的方向不同，所謂的"高性能"含義也盡不相同，但其基本內(nèi)容包括良好工作性、高強(qiáng)度，高耐久性和耐腐獨(dú)性，好的體積穩(wěn)定性等。便如美國(guó)ACI規(guī)定高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度要大于55Mpa，且具有較高的耐化學(xué)腐獨(dú)性； 加拿大對(duì)大摻量粉煤灰高性能混凝土及其應(yīng)用研究較多；日本則更重視好的工作性和耐久性。目前，從我國(guó)高性能混凝土的研究與應(yīng)用來(lái)看，高性能主要體現(xiàn)在良好的工作性和高強(qiáng)度方面。例如具有代表性的工程深圳國(guó)貿(mào)大夏采用的C60流態(tài)泵送混凝土，"八.五"重點(diǎn)工程北京西安站也采用了C60泵送混凝土，用量達(dá)4000m³。上海、沈陽(yáng)等地也都有成功使用高強(qiáng)泵送混凝土的實(shí)例。C60級(jí)高強(qiáng)流態(tài)混凝土仍處在研究與試用階段，加之我國(guó)地域廣闊、各地原材料及施工管理水平相差很大，很多問(wèn)題需要從理論和實(shí)踐上進(jìn)行不斷研究。

　　二． 工程概況

　　燕都大酒店是河北省重點(diǎn)工程，該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跨度大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，基礎(chǔ)以上至+4760m以下梁、板、柱混凝土強(qiáng)度均為C60，各樓層后澆帶混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C65，整下工程C60混凝土用量超過(guò)3萬(wàn)m³。地下部分工程中C60鋼盤混凝土柱由于設(shè)計(jì)承重較大，設(shè)計(jì)鋼盤綁扎密集，且按照施工組織要求，采用定型柱模，柱子模板一次支成，中間不留施工洞口，因而要求C60級(jí)新拌混凝土具有很好的和易性和自密實(shí)性。施工時(shí)采用國(guó)產(chǎn)"中聯(lián)版"混凝土輸送泵進(jìn)行混凝土泵送施工，要求C60 級(jí)新拌混凝土具有很好流動(dòng)性和流動(dòng)性保持能力，在90min內(nèi)混凝土塌落度基本上不損失。為保證C60高強(qiáng)大流態(tài)混凝土施工的順利進(jìn)行，中建一局六公司與武漢大學(xué)北京研究生療聯(lián)合成立了高性能混凝土課題研究組結(jié)合石家莊地區(qū)原材料特點(diǎn)及施工管理水平，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)模擬研究，取得了良好的結(jié)果。為今后河北省推廣應(yīng)用高性能混凝土提供了經(jīng)驗(yàn)和示范作用。

　　三． 原材料

　　1． 水泥

　　選用質(zhì)量穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的525普通硅酸鹽水泥，綜合運(yùn)輸、質(zhì)量、生產(chǎn)和成本等因素，選用下述3種水泥作為試驗(yàn)用水泥和施工備選水泥。

　　C1：冀東525R普通硅酸鹽水泥

　　C2：邯鄲525R普通硅酸鹽水泥

　　C3：石家莊市水泥廠525普通硅酸鹽水泥

　　上述3種水泥的化學(xué)成分、膠砂強(qiáng)度列表1、2。

　　2． 砂

　　選用石家莊市本地正定產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6-2.9，含泥量0.8%，表現(xiàn)密度ds=2.62g/cm³，吸水率2%，松散容量Ys=1510kg/m³。

　　3． 石子

　　試驗(yàn)選用兩個(gè)石廠的石子，都是單粒徑級(jí)配碎石，粒徑為10-20mm，視比重dg=2.65g/cm³，松散容重Yg=1400kg/m³，石子粒形較好，針片狀含量低。石子的壓碎指標(biāo)7%。

　　4． 泵送劑

　　選用北京創(chuàng)之星技術(shù)發(fā)展集團(tuán)生產(chǎn)的TOP403 高強(qiáng)泵送劑和石家莊本地產(chǎn)HF-3 泵送劑。主要成分都是B-萘磺酸鹽甲醛縮合物，要求縮合度為9-11，塑化效果好，引氣量低，塌落度損失小，增強(qiáng)效果明顯。

　　5．摻和料

　　用純水泥，特別是邯鄲525R普通硅酸鹽水泥配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，新拌混凝土黏度大，和易性差，塌落度損失不易控制，水化放熱集中。為綜合改善新拌混凝土的和易性和硬化混凝土的體積穩(wěn)定性，試驗(yàn)采用了內(nèi)蒙赤峰電廠的I級(jí)粉煤灰，涿州通達(dá)建筑材料廠的磨細(xì)礦渣，比表面積為4500cm³/g，以及湖北產(chǎn)硅灰，其化學(xué)成分如表4所示。

　　四． 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　1． 水泥品種的選擇

　　水泥作為膠結(jié)材料，由于其化學(xué)和礦物成分不同，對(duì)于混凝土硬化前的可施工性和硬化后的物理力學(xué)性能及耐久性有重要影響。所以，水泥質(zhì)量的好壞是決定混凝土能否達(dá)到高強(qiáng)、高性能的差鍵。冀東525普通硅酸鹽水泥是北方地區(qū)在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r經(jīng)常采用的質(zhì)量較好的水泥，用它配制C60級(jí)大流態(tài)混凝土質(zhì)量較易控制和保證。但由于價(jià)格較貴和運(yùn)輸問(wèn)題，施工單位希望采用本地的邯鄲水泥廠的525普通硅酸鹽水泥，或石家莊水泥廠產(chǎn)普通525硅酸鹽水泥。

　　從配制高性能混凝土角度選用水泥，除要求水泥具有較高的膠砂強(qiáng)度以外，更重要的是要求水泥礦物組成中C3A和C4AF含量不能太高，堿含量要盡量低。上述幾種水泥配制混凝土試驗(yàn)結(jié)果如表4。結(jié)果表明，3種水泥強(qiáng)度指標(biāo)都能滿足要求，同樣條件下C3表現(xiàn)出更好的工作性。

　　2． 新拌混凝土和易性和塌落度損失

　　泵送混凝土的塌落度損失問(wèn)題是一直困擾工程施工的重要問(wèn)題目前，雖然有一些措施控制新拌混凝土的塌落度損失，但由于我國(guó)水泥品種復(fù)雜，加上不同廠家的水泥的化學(xué)和礦物組成有較大區(qū)別，還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一有效的方法解決各種塌落度損失問(wèn)題。采用高效減水劑與緩凝劑復(fù)合是實(shí)用可行的控制塌落度方法，選擇適當(dāng)緩凝劑的品種與摻量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。選擇緩凝劑的類型應(yīng)以水泥的礦物成分和石膏的性質(zhì)為依據(jù)。我們通過(guò)選擇合適縮合度的減水組分與特殊的緩凝組分，并采用了優(yōu)質(zhì)摻和料，有效地控制的塌落的損失。部分試驗(yàn)結(jié)果如表5。

　　燕都大酒店工程混凝土泵送全部采用國(guó)產(chǎn)中聯(lián)片泵，C60混凝土塌落度損失快堵泵現(xiàn)象，有時(shí)，混凝土出機(jī)后3小時(shí)入泵，仍能順利泵送。泵送過(guò)程中，混凝土混合物均勻穩(wěn)定、流動(dòng)性好，無(wú)離析分層現(xiàn)象，最大泵送壓力不超過(guò)20-21Mpa左右。從現(xiàn)場(chǎng)泵送效果來(lái)看，C60混凝土完全可以用國(guó)產(chǎn)輸送示進(jìn)行泵送。

　　3． 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　近幾年大流態(tài)高強(qiáng)混凝土的研究不斷深入，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，C50-C60級(jí)大流態(tài)高強(qiáng)混凝土的配合比已悄是神秘的技術(shù)。在有關(guān)高強(qiáng)混凝土的文獻(xiàn)中，多數(shù)是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)原則和各種原材料的用量范圍，還沒(méi)有一種統(tǒng)一的適用于各種材料的方法。一個(gè)設(shè)計(jì)合理使用效果也好的配合比在另一個(gè)地區(qū)或另一個(gè)工程中可能完全不適用。綜合我國(guó)經(jīng)常采用的高強(qiáng)、高性能混凝土設(shè)計(jì)方法和ACI提出的高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)高性能混凝土?xí)r，以下幾點(diǎn)引起注意和進(jìn)一步研究。

　?。?）以假定容重法設(shè)計(jì)高性能混凝土配合比時(shí)，應(yīng)反向計(jì)算各組材料的體積之和（包括含空氣體積）是否為1m³，如超出或不足應(yīng)加以修正。特別是在采用摻合料（粉煤灰、礦渣和硅灰）等取代水泥后，由于摻和量的比重與水泥不同，取代后膠結(jié)材的體積發(fā)生變化，此時(shí)，應(yīng)根據(jù)膠結(jié)材體積之變化調(diào)整砂子用量以保持總體積不變。

　?。?）為保證新拌混凝土具有良好的和易性、硬化混凝土的強(qiáng)度與耐久性，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配合比時(shí)應(yīng)計(jì)算混凝土中水泥漿體積分?jǐn)?shù)。水泥漿體積過(guò)大（>400L）， 新拌混凝土雖流動(dòng)性好，但易產(chǎn)生離析，硬化混凝土體積變形大；水泥漿體積過(guò)?。?lt;310L）造成新拌混凝土和易性變差。表5中混凝土配比用體積表示時(shí)見(jiàn)表6，水泥漿體積Vp=Vc+VFA+VSO+VSF+Fa，砂漿體積Vm=Vp+Vs 石子空隙體積Vk=G ×(1-Yg/dg)/Yg。砂漿撥開(kāi)系數(shù)K=Vm/Vk。水泥漿體積約為350L，石子撥開(kāi)系數(shù)在1.5-1.8之間，與美國(guó)P. K. Mehta教授提出的水泥漿與骨料體積比應(yīng)與35：65相一致。

　?。?）高性能混凝土設(shè)計(jì)是以絕干狀態(tài)原材料為基礎(chǔ)，實(shí)際加水量等于計(jì)算拌和水扣除砂、石全部含水量。由于不同砂石含水狀態(tài)和吸水率不同，相同配合比采用不同原材料時(shí)，新攔混凝土的和易性和硬化混凝土強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出明顯區(qū)別?？紤]到砂石內(nèi)部的水分對(duì)新拌混凝土的流動(dòng)性無(wú)任何貢獻(xiàn)，所以，扣除砂石含水時(shí)應(yīng)只扣除其飽和面干以外的含水。實(shí)際上，美國(guó)、日本等國(guó)家的混凝土配合比設(shè)計(jì)都是以飽和面干狀態(tài)為準(zhǔn)。兩種扣除拌和水的方法的結(jié)果使水灰比相差0.02-0.04之多，對(duì)低水灰比（≤0.35）混凝土而言，這對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響都是不可忽略的。

　　4． 高性能混凝土冬季施工用防凍劑

　　高強(qiáng)流態(tài)混凝土在冬季施工時(shí)應(yīng)如何考慮防止凍害，保證混凝土質(zhì)量是個(gè)新問(wèn)題。高強(qiáng)混凝土的特點(diǎn)是早強(qiáng)、高強(qiáng)，常混下C60級(jí)混凝土3天強(qiáng)度可達(dá)40-60Mpa，而且新拌混凝土的水灰比低，游離水分少，不象普通混凝土那樣容易受到凍害，因此，普通混凝土用防凍劑不宜用于高強(qiáng)混凝土。

　　常用混凝土防凍濟(jì)（防凍泵送劑）含有較多鹽，如亞硝酸鈉、硫酸鈉等，這些鹽在防止新拌混凝土受到凍害的同時(shí)，堿帶入混凝土中，容易引起堿集料反應(yīng)。另外，作為防凍組分的鹽對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度有不利影響，鹽越多后期強(qiáng)度下降約大，見(jiàn)表7。

　　在燕都大酒店C60混凝土冬季施工中，使用的防凍泵送劑中只有適量的防凍組分，保證了混凝土冬季施工質(zhì)量，又保證高強(qiáng)混凝土后期強(qiáng)度正常發(fā)展，也消除了發(fā)生堿集反應(yīng)的隱患。結(jié)果見(jiàn)表8。

　　五． 結(jié)論

　　1． 針對(duì)燕都大酒店高強(qiáng)高性能混凝土試驗(yàn)研究結(jié)果與工程實(shí)踐表明，石家莊地區(qū)的原材料完全可以配制出質(zhì)量穩(wěn)定的C60級(jí)高強(qiáng)流態(tài)混土。消除了設(shè)計(jì)、施工單位對(duì)C60大流動(dòng)性混凝土使用的疑慮，為今后本地區(qū)使用高強(qiáng)流態(tài)混凝土起到模范和促進(jìn)作用。

　　2． 燕都大酒店工程C60級(jí)高強(qiáng)、高性能混凝土成功地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的柱、梁、樓板、墻板、突破了以前高強(qiáng)混凝土用于梁、柱等小截面構(gòu)件的局限，表明C60級(jí)高強(qiáng)流態(tài)混凝土能夠在結(jié)構(gòu)上廣泛使用。

　　3．采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣或硅灰配制高性能混凝土，有利于新拌混凝土的和易性，容易控制混土，有利于新拌混凝土的和易性，容易控制混凝土的塌落度損失，改善硬化混凝土的體積穩(wěn)定性。冬季施工應(yīng)采用高強(qiáng)混凝土專用的凍泵送劑。

　　4．高強(qiáng)高性能混凝土的施工必須有一套嚴(yán)格完整的質(zhì)量保質(zhì)體系。首次使用C60級(jí)大流動(dòng)性混凝土的施工單位最好與有關(guān)科研單位合作以保質(zhì)施工質(zhì)量。