摘要:介紹了混凝土的受力破壞過程以及影響混凝土強(qiáng)度的因素,從理論上分析了提高混凝土強(qiáng)度的技術(shù)途徑和方法,通過試驗(yàn)對比,驗(yàn)證了理論分析的可行性和正確性.
關(guān)鍵詞:混凝土;高強(qiáng)度;技術(shù)途徑
中圖分類號(hào): TU528. 31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1003 - 7179 (2007) 01 - 0084 - 03
隨著現(xiàn)代化高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,對混凝土強(qiáng)度的要求越來越高. 采用高強(qiáng)混凝土可以大幅度減小構(gòu)件的截面尺寸,減輕結(jié)構(gòu)物的自重,也使施工人員的勞動(dòng)量,施工能耗及原材料的消耗等大大降低,建筑物的有效使用面積相應(yīng)增加,抗震能力得到提高[ 1 ] . 因此,使用高強(qiáng)混凝土具有顯而易見的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益.
高強(qiáng)混凝土的配制技術(shù)復(fù)雜,生產(chǎn)難度較大,影響配制和使用高強(qiáng)混凝土的因素較多,如對原材料的選擇,外加劑及摻和料的品質(zhì),配合比設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)設(shè)備和工藝控制等的要求很高. 要獲得高強(qiáng)混凝土,就必須采取一切可能提高混凝土強(qiáng)度的有利措施.
1 受力破壞過程
混凝土是一種極其復(fù)雜的非勻質(zhì)材料,由粗骨料、未水化的水泥內(nèi)核、水化物晶體及凝膠、孔隙、水等部分組成. 影響混凝土強(qiáng)度的因素也是非常復(fù)雜的[ 2 ] ,要配制出高強(qiáng)度的混凝土,必須研究影響混凝土強(qiáng)度的主要因素及影響規(guī)律.
1. 1 內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生機(jī)理
1. 1. 1 界面微裂縫的形成 混凝土在硬化過程中,由于水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮和干燥收縮引起砂漿體積的變化,在粗骨料與砂漿界面上產(chǎn)生分布不均的拉應(yīng)力,并且粗骨料的粒徑越大,拉應(yīng)力也越大. 拉應(yīng)力足以破壞粗骨料與砂漿的界面,形成許多分布不均勻的界面微裂縫. 混凝土成型過程中產(chǎn)生泌水,也會(huì)形成界面微裂縫. 界面微裂縫會(huì)降低混凝土強(qiáng)度.
1. 1. 2 界面過渡區(qū)的形成 在新成型的混凝土中沿粗骨料周圍會(huì)形成水膜,造成貼近粗骨料周圍區(qū)域的水灰比高于遠(yuǎn)離粗骨料的水泥漿基體, 此區(qū)域即為界面過渡區(qū). 界面過渡區(qū)與水泥漿基體相同,由于水灰比較大,在過渡區(qū)的結(jié)晶產(chǎn)物會(huì)形成比較大的結(jié)晶,因此,形成的骨架結(jié)構(gòu)比水泥漿基體的孔隙多,從而影響水泥漿與粗骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度,降低混凝土強(qiáng)度.
1. 2 受力破壞過程
混凝土受外力作用時(shí),內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,該拉應(yīng)力在微裂縫的尖端形成應(yīng)力集中,隨著拉應(yīng)力的逐漸增大,導(dǎo)致微裂縫進(jìn)一步延伸,擴(kuò)展,最終導(dǎo)致混凝土破壞. 在大量的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),對于中低強(qiáng)度的混凝土,破壞主要出現(xiàn)在水泥漿基體與粗骨料的界面上,以及出現(xiàn)在水泥漿基體中;對于高強(qiáng)度混凝土,破壞也會(huì)出現(xiàn)在粗骨料中[ 3 ] . 所以,混凝土的強(qiáng)度主要決定于基體強(qiáng)度,基體與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度以及粗骨料的強(qiáng)度.
2 高強(qiáng)混凝土生產(chǎn)的技術(shù)途徑
2. 1 提高基體的強(qiáng)度
2. 1. 1 采用高強(qiáng)度水泥 水泥是混凝土的活性組分,起粘結(jié)作用. 水泥強(qiáng)度的大小直接影響混凝土的強(qiáng)度. 在配合比相同的條件下,所用水泥的強(qiáng)度越高,配制成的混凝土強(qiáng)度也越高. 因此,配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r應(yīng)選用強(qiáng)度盡可能高的水泥,以保證使用較少的水泥獲得較高的混凝土強(qiáng)度,同時(shí)混凝土的水灰比也不至于太低而過分影響混凝土拌和物的和易性.
2. 1. 2 采用低水灰比 在水泥水化形成的水泥石中的孔隙率取決于水灰比,而孔隙率的高低與混凝土強(qiáng)度有密切的關(guān)系. 水灰比越小,在硬化混凝土中形成的水泡或多余水分蒸發(fā)后形成的孔隙數(shù)量就越少,基體的強(qiáng)度就會(huì)越高,與骨料的粘結(jié)力也越大,混凝土的強(qiáng)度就越高. 因此,在條件許可的情況下應(yīng)盡可能采用較小的水灰比.
2. 1. 3 改善水泥的水化過程 由于高強(qiáng)混凝土的水灰比很低,水泥的水化反應(yīng)速度要比普通混凝土快得多,形成的水化產(chǎn)物沒有足夠的時(shí)間向外擴(kuò)散而集中于水泥顆料周圍,形成不透水的凝膠體膜層,阻礙了水分向未水化水泥顆粒內(nèi)部滲入,從而影響水泥的進(jìn)一步水化,同時(shí)也造成水泥石結(jié)構(gòu)不均勻,影響基體強(qiáng)度和基體與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度. 所以,適當(dāng)延緩高強(qiáng)混凝土初期的水泥水化速度,對后期強(qiáng)度的發(fā)展是有利的. 試驗(yàn)表明:摻加適量的緩凝劑能調(diào)節(jié)水泥的水化過程,使水化產(chǎn)物中的晶體分布均勻,發(fā)育完善,晶體與凝膠的比例得到改善,水泥石結(jié)構(gòu)密實(shí),從而明顯提高混凝土強(qiáng)度[ 4 ] .
2. 1. 4 摻加高效能表面活性劑 高效能表面活性劑能顯著降低水的表面張力,對水泥顆粒有高度的分散作用,使得水泥顆料表面的親水性增加,與水接觸的表面積增大;同時(shí)也使水分能較容易地滲入水泥顆粒表面的裂隙內(nèi),從而使水泥顆粒的水化更充分,強(qiáng)度也會(huì)提高.
2. 2 提高基體與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度
2. 2. 1 改善界面過渡區(qū) 由于界面過渡區(qū)的存在,嚴(yán)重影響了基體與骨料之間的粘結(jié)力,會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度. 要改善界面過渡區(qū)的性能,應(yīng)從兩方面著手:一是合理調(diào)整混凝土配合比,提高混凝土拌和物的保水性和穩(wěn)定性,避免或減少泌水現(xiàn)象;二是消除或減少Ca (OH) 2 在界面過渡區(qū)的富集. 試驗(yàn)表明:在混凝土中摻加粉煤灰與礦渣復(fù)合高效能表面活性劑超細(xì)粉后,由于具有較大的比面,從而提高了火山灰活性效應(yīng),增加了體系中微粒間的化學(xué)交互,誘導(dǎo)激發(fā)作用,促使超細(xì)粉的活性成分與Ca (OH) 2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的難溶水化硅酸鈣凝膠沉積在界面過渡區(qū)的孔隙內(nèi),使界面過渡區(qū)的密實(shí)度增加,混凝土強(qiáng)度提高[ 5 ] . 另外,復(fù)合超細(xì)粉還具有填充和分散作用,增加了密實(shí)填充效應(yīng)[ 6 ] ,由此,可以明顯提高基體與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度,也能提高混凝土強(qiáng)度.
2. 2. 2 提高基體與粗骨料之間的粘結(jié)面積 基體與骨料之間的粘結(jié)面積主要取決于粗骨料的最大粒徑DM和表面特征. 粗骨料的最大粒徑越大,比面越小;在最大粒徑相同的條件下,表面越粗糙,比面越大. 對高強(qiáng)混凝土,粗骨料尺寸愈大,粘結(jié)面積愈小,造成混凝土的不連續(xù)性的不良影響也就愈大[ 7 ] ,尤其對水泥用量多的高強(qiáng)混凝土,影響更為明顯. 因此,配制高強(qiáng)混凝土的粗骨料宜選用最大粒徑盡可能小的表面粗糙的多棱角碎石,有利于提高界面粘結(jié)強(qiáng)度.
2. 3 采用適宜的粗骨料
由于混凝土內(nèi)各個(gè)顆粒接觸點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所施加的壓應(yīng)力,所以,要求骨料的強(qiáng)度高于混凝土強(qiáng)度. 但粗骨料也不宜過強(qiáng)、過硬,應(yīng)選擇物理力學(xué)性質(zhì)盡可能與水泥石性質(zhì)相近的骨料,包括強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、收縮率等指標(biāo)相近. 這樣有利于骨料與水泥石在各種條件下共同作用,減少由于性質(zhì)差異過大引起的內(nèi)應(yīng)力以及由此而產(chǎn)生的界面缺陷.
3 1種C 100高強(qiáng)混凝土的配制
3. 1 原材料
(1) 水泥 52．5 MPa級(jí)硅酸鹽水泥,實(shí)測28d強(qiáng)度為59．1MPa.
(2) 細(xì)骨料 河砂,級(jí)配良好,表觀密度2．62g/ cm3 ,堆積密度1 490 kg/m3 ,細(xì)度模數(shù)2．85,含泥量0．9%.
(3) 粗骨料 花崗巖碎石,最大粒徑DM分別為10．0 mm和31．5 mm,均為連續(xù)級(jí)配,表觀密度2．63 g/ cm3 ,含泥量分別為0．36%和0．31%.
(4) 復(fù)合超細(xì)粉 粉煤灰60% +礦渣40% ,比面7250 cm2 /g
(5) 外加劑 緩凝劑為葡萄糖酸鈉;高效減水劑,減水率為25%～30%.
3. 2 試驗(yàn)方法
采用基準(zhǔn)混凝土(試樣1 ) 與對比組混凝土(試樣2, 3, 4, 5, 6)的水泥用量相同,坍落度基本相同的試驗(yàn)方案,分別研究減水劑,緩凝劑,復(fù)合超細(xì)粉和骨料粒徑等因素對混凝土強(qiáng)度的影響. 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表1.
3. 3 試驗(yàn)結(jié)果分析
分析表1試驗(yàn)結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:
(1) 試樣3摻加了高效減水劑,骨料粒徑較小為10 mm, 28 d強(qiáng)度達(dá)到了C 100的要求,說明高效減水劑和較小的骨料粒徑是制備高強(qiáng)混凝土的必備條件.
(2) 試樣2與試樣3對比,粗骨料的最大粒徑DM 增加,水泥漿與骨料的粘結(jié)面積減小,因此, 28d強(qiáng)度降低19%.
(3) 試樣1未摻加高效減水劑,盡管用水量較多,但混凝土拌和物的坍落度僅為60 mm,類似于普通塑性混凝土. 由于W /C較低,混凝土拌和物粘度很大,無法與普通塑性混凝土一樣易于密實(shí)成型,實(shí)際上無法完成現(xiàn)場施工.
(4) 試樣4與試樣3對比,由于摻加了緩凝劑葡萄糖酸鈉,調(diào)整了水泥的水化過程,使水泥的水化產(chǎn)物分布比較均勻,從而改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),因此,混凝土28 d強(qiáng)度提高了約7%.
(5) 試樣5與試樣3對比,摻加10%的復(fù)合超細(xì)粉(等量取代水泥) ,混凝土拌和物的和易性有所改善, 28 d強(qiáng)度提高10%.
(6) 試樣6與試樣3對比,在同時(shí)摻加緩凝劑和復(fù)合超細(xì)粉時(shí),混凝土拌和物的和易性有較大改善,混凝土強(qiáng)度提高11．4%.上述試驗(yàn)研究表明:摻加減水劑、緩凝劑、復(fù)合超細(xì)粉和采用較小的骨料粒徑是獲得高強(qiáng)混凝土的有效技術(shù)途徑.
[參 考 文 獻(xiàn)]
[1] 遲培云,李余波,楊 旭,等. 現(xiàn)代混凝土技術(shù)[M ]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 1999: 48.
[2] 重慶建筑工程學(xué)院,南京工學(xué)院. 混凝土學(xué)[M ]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1981: 50 - 126.
[3] 符 芳. 建筑材料[M ]. 南京:東南大學(xué)出版社, 2001:102 - 129.
[4] 蒲心誠. 超高強(qiáng)高性能混凝土[M ]. 重慶:重慶大學(xué)出版社, 2004: 11 - 78.
[5] 青島理工大學(xué). 土木工程科學(xué)技術(shù)研究與工程應(yīng)用[M ]. 北京:中國建材工業(yè)出版社, 2004: 273 - 276.
[6] 洪錦祥. 人工砂中石粉對混凝土性能影響及其作用機(jī)理研究[ J ]. 公路交通科技, 2005, 22 (11) : 84 - 88.
[7] 張志權(quán). 高強(qiáng)混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫形成原因及控制方法[ J ]. 混凝土, 2005, 192 (10) : 56 - 58.
