摘 要:介紹了高性能混凝土的優(yōu)越性能,從低水灰比、坍落度、流動(dòng)性等方面闡述了高性能混凝土施工中遇到的一些問題,并提出相應(yīng)的措施分析了高性能混凝土對(duì)材料的要求,以推廣高性能混凝土的廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:高性能混凝土,耐久性,坍落度
中圖分類號(hào): TU528. 31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
混凝土科學(xué)屬于工程材料研究范疇,是以取得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的應(yīng)用科學(xué),混凝土以其原材料豐富,適應(yīng)性強(qiáng),耐久性好,能源消耗與成本較低,同時(shí)又能消化大量的工業(yè)廢渣等特點(diǎn),成為一種用途最廣,用量最多的建筑材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),世界水泥年產(chǎn)量超過15 億t ,折合成混凝土應(yīng)不少于45 億m3 ,其中我國(guó)的混凝土用量約15 億m3 ,伴隨著高層建筑,海底隧道,大跨度橋梁等的飛速發(fā)展,一般的普通混凝土已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程要求,發(fā)展具有高強(qiáng)度、高耐久性、高工作性、高性能混凝土就勢(shì)在必行。所謂高強(qiáng)度混凝土是指標(biāo)號(hào)不低于C60 (混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度f c = 27. 5 MPa) 的混凝土,且用優(yōu)質(zhì)骨料和強(qiáng)度不低于42. 5 級(jí)的水泥與較低水灰比在強(qiáng)烈振搗密實(shí)作用下制取的混凝土。高強(qiáng)混凝土具有高強(qiáng)度、高耐久性、高工作性、高流動(dòng)性等多方面的優(yōu)越性能。
1) 由于高強(qiáng)混凝土的耐久性(包括混凝土穩(wěn)定性、抗?jié)B透性、抗凍性、抗化學(xué)侵蝕性、抗炭化性) 優(yōu)于普通混凝土,在各種嚴(yán)酷環(huán)境下使用的大體積混凝土結(jié)構(gòu)如跨海大橋、海底隧道、高層建筑等,用高性能混凝土來代替普通混凝土,不僅可以提高工程使用壽命,而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
2) 高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度大且變形較小,從而使構(gòu)件的剛度得以提高,大大改善了建筑物的變形性能。
3) 雖然高強(qiáng)混凝土在成本上比普通混凝土要高一些,但由于減小了截面尺寸,減輕了結(jié)構(gòu)自重,降低了鋼筋用量,減輕了地基負(fù)荷,這對(duì)自重占荷載主要部分的建筑具有特別重要的意義。在一般情況下,混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30 提高到C60 ,對(duì)受壓構(gòu)件可節(jié)省混凝土30 %～40 %,受彎構(gòu)件可節(jié)省混凝土10 %～20 %,如此大幅度地節(jié)約建筑材料,從而降低工程施工成本,以年產(chǎn)15 億m3 混凝土中有20 %采用高性能混凝土,商品混凝土350 元/ m3 均價(jià)計(jì)算,從中可節(jié)約資金為210 億元,獲得巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)由于梁柱截面減小,不但改變了建筑上肥梁胖柱的不美觀問題,而且可增加使用面積和有效空間,因而可獲得較大的間接經(jīng)濟(jì)效益。在建設(shè)階段通過節(jié)約混凝土用量,可以節(jié)約土地、煤、水、礦石、砂等能源和資源的消耗量,從而減少有害氣體和廢渣的排放,使用階段可減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能,帶來可觀的社會(huì)效益。
以混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性為首要技術(shù)指標(biāo)的高性能混凝土由于其具有的優(yōu)越性,目前在不少的重要工程中被采用,并在高層建筑、大跨度橋梁、海上平臺(tái)等工程中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性,
在工程安全使用期、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面產(chǎn)生了明顯的效益,受到越來越多的重視。
在高性能混凝土的發(fā)展過程中,有許多材料與工程方面的難題需要解決,同時(shí)施工中還要解決一系列的技術(shù)問題。
1) 低水灰比,大坍落度。高性能混凝土一般要求低水灰比,水灰比一般都不大于0. 4 (水灰比很低約為0. 4 時(shí),水灰比變化很小就能使混凝土強(qiáng)度不成比例地提高) ,但由于混凝土在低水灰比的情況下,坍落度很小,甚至沒有坍落度,其成型和搗實(shí)都很困難,無法在現(xiàn)澆混凝土施工中應(yīng)用。因此高性能混凝土拌合物的工作性比強(qiáng)度還要重要,是保證混凝土現(xiàn)澆質(zhì)量的關(guān)鍵,如果用坍落度來表示,則其坍落度大于180 mm ,要求免振時(shí),坍落度大于250 mm ,同時(shí)該拌合物應(yīng)具有體積穩(wěn)定、不離析、不泌水等特性。
2) 坍落度損失問題。高性能混凝土的坍落度在摻加超塑化劑后的流動(dòng)度可大大提高,可以由初始坍落度5 cm 增加到20 cm ,但這種大坍落度只能保持十幾分鐘,此后坍落度逐漸減少,至1 h 左右便可能減少到初始坍落度,這種超塑化劑只能在工地添加拌制成流動(dòng)混凝土,否則會(huì)因坍落度減少給工程施工帶來困難并影響工程質(zhì)量。而現(xiàn)代城市混凝土施工一般采用商品混凝土,混凝土從攪拌站運(yùn)送至工地需要較長(zhǎng)的時(shí)間,混凝土在運(yùn)輸?shù)倪^程中坍落度隨時(shí)間的增加而減少,從而增加了高強(qiáng)混凝土施工難度。
3) 混凝土足夠的流動(dòng)性問題。高性能混凝土的特點(diǎn)是流動(dòng)性大、水灰比小,為保證混凝土具有足夠的流動(dòng)性,就要求有較大的膠凝材料總用量,但隨著漿集比的增大,混凝土的彈性模量會(huì)有所下降,混凝土的收縮也會(huì)有所增加。從耐久性的角度來看,必須有足夠的漿體濃度和數(shù)量,得到良好的工作,才能保證混凝土的耐久性。當(dāng)膠凝材料用料太小時(shí),不可能保證良好的工作性,使混凝土離析、分層,硬化后混凝土的薄弱界面數(shù)量將急劇增多,最終大大削弱混凝土抵抗腐蝕性介質(zhì)侵蝕的能力。因此,沒有足夠的膠凝材料總用量,就不可能使混凝土耐久。很好地解決混凝土的流動(dòng)性問題,就能保證混凝土的流動(dòng)性問題,就能保證混凝土的可泵性與耐久性。
高性能混凝土具備足夠的耐久性、工作性和強(qiáng)度,并且能在經(jīng)濟(jì)合理的條件下制得,其優(yōu)越的適用性大大地?cái)U(kuò)大了混凝土在土木工程中的應(yīng)用,并帶來更多的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。高性能混凝土與普通混凝土使用基本相同的原材料(如水泥、砂、石) ,同時(shí)必須使用外加劑和礦物細(xì)摻料。但由于高性能的要求和配置特點(diǎn),原材料對(duì)普通混凝土影響不明顯的因素,對(duì)高性能混凝土就可能影響顯著,高性能混凝土對(duì)材料的要求如下:
1) 水泥:高性能混凝土所用的水灰比很低,要滿足施工工作性的要求,水泥用量就要大,但為了盡量降低混凝土的內(nèi)部升溫和減小收縮,又應(yīng)當(dāng)盡量降低水泥的用量,同時(shí),為使混凝土有足夠的彈性模量和體積的穩(wěn)定性,對(duì)膠凝材料總用量也要加以限制,因此用于高性能混凝土的水泥的流動(dòng)性能比強(qiáng)度更重要。高性能混凝土所用水泥最好是強(qiáng)度高且同時(shí)具有良好的流動(dòng)性能,并與目前使用的高效減水劑有良好的相容性。我國(guó)一般采用42. 5號(hào)硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥。高強(qiáng)混凝土的水泥用量不應(yīng)大于550 kg/ m3 。
2) 粗骨料采用金屬礦石粗骨料,可獲得強(qiáng)度更高,耐久性和延性更好的高性能混凝土。對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C60 的混凝土,其粗骨料的最大粒徑不應(yīng)大于31. 5 mm;對(duì)高于C60 的,其粗骨料的最大粒徑不應(yīng)大于25 mm。
3) 礦物細(xì)摻料(包括硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣、天然佛石巖、磨細(xì)石灰石粉、石英砂粉等) :在配置混凝土?xí)r加入較大量礦物細(xì)摻料,可降低溫升,改善工作性,增進(jìn)后期強(qiáng)度,并可改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高抗腐蝕能力,增強(qiáng)混凝土的耐久性。礦物細(xì)摻料摻在水泥中的摻量,火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥中火山灰質(zhì)材料占20 %～50 % ,礦渣硅酸鹽水泥中礦渣占20 %～70 % ,粉煤灰硅酸鹽水泥中粉煤灰占20 %～40 %。水泥和礦物摻合料的總量不應(yīng)大于600 kg/ m3 。
4) 外加劑:主要指無需取代水泥而外摻小于5 %的化合物。外加劑的主要性能是改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能。用于高性能混凝土的外加劑有減水劑、緩凝劑、引氣劑等。其中高效減水劑使得混凝土的水灰比能降得很底卻仍可有很好的工作性。外加劑的摻量都很少,使用外加劑時(shí)應(yīng)當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間,以得到均勻的混凝土拌合物。
目前在我國(guó)制備高性能混凝土采取的主要措施如下:1) 合理利用高效減水劑,采用優(yōu)質(zhì)骨料、優(yōu)質(zhì)水泥,利用優(yōu)質(zhì)摻合料,如優(yōu)質(zhì)硅灰、磨細(xì)粉煤灰和礦渣。采用高效減水劑以降低水灰比是獲得高強(qiáng)及高流動(dòng)性混凝土的主要技術(shù)措施;2) 采用52. 5 ,62. 5 ,72. 5 號(hào)的硫鋁酸鹽水泥,鐵鋁酸鹽水泥及相應(yīng)的外加劑制備高性能混凝土;3) 以礦渣、堿組分及骨料制備高性能混凝土;4) 采用復(fù)合高效減水劑,用52. 5 號(hào)水泥320 kg/ m3 ,水灰比0. 43 ;用42. 5號(hào)水泥480 kg/ m3 ,水灰比0. 32 。
一般地在實(shí)驗(yàn)室配置符合要求的高性能混凝土相對(duì)比較容易,但是混凝土在整個(gè)施工過程中都要穩(wěn)定在質(zhì)量水平功能上就比較困難,一些在普通情況下混凝土不太敏感的因素,在低水灰比的情況下,可能會(huì)變得相當(dāng)敏感,而高性能混凝土設(shè)計(jì)時(shí)所留的強(qiáng)度可供調(diào)節(jié)的余量較小,這就要求在整個(gè)施工過程中必須注意各種條件、因素的變化,并且要根據(jù)這些變化隨時(shí)調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。建議施工時(shí)采用高效減水劑后摻法,高效減水劑是與水泥反應(yīng)的,最后加入石子可使水泥和高效減水劑充分混合均勻,有利于發(fā)揮高效減水劑的利用率。
參考文獻(xiàn):
[1]陳遠(yuǎn)春. 建筑工程施工工藝與新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)[M] 北京:電子工業(yè)出版社,2000.
[2]李慧民,賈宏俊. 建筑工程技術(shù)與計(jì)量[M] . 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2001.
[3] GB 5001022002 ,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[ S] .
