[摘要] 通過研究膨脹劑對50～100MPa高性能混凝土的強度、脹縮、抗裂等性能的影響, 來探討膨脹劑對高性能混凝土的補償收縮作用, 并介紹高強高性能混凝土在工程中的應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞] 膨脹劑高性能混凝土補償收縮抗裂
[中圖分類號] TU528.55 [文獻(xiàn)標(biāo)示碼] A [文章編號] 2007- 02- 0008- 05
1 前言
高性能混凝土可能比普通混凝土更容易開裂。高性能混凝土與普通混凝土相比較, 高性能混凝土的化學(xué)收縮和干燥收縮小些, 塑性收縮大些, 而溫度收縮和自收縮更大些。其中自生收縮是高性能混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的突出問題。國內(nèi)外研究表明,膨脹劑對高性能混凝土自生收縮有補償作用。
吳中偉院士早在1994年發(fā)表的“補償收縮混凝土的新動向”一文中就指出: 無論從密實性、體積穩(wěn)定性以及減免裂縫中的哪一項功能來看, 摻人適量膨脹劑對HPC肯定是有利的?；炷羶?nèi)部微裂縫及可見裂縫, 對安全使用期是有害的。因此, 隨著高性能混凝土的廣泛應(yīng)用, 補償收縮混凝土將在高性能混凝土領(lǐng)域中發(fā)揮了好的作用。吳中偉院士在1998年針對混凝土膨脹劑方面發(fā)表的“重視質(zhì)量、積極創(chuàng)新”中再次強調(diào): 將膨脹劑摻入HPC是必然的趨勢。日本建設(shè)省制定NewRC高性能混凝土制造指南中, 把鈣礬石膨脹劑列入特種摻和料中。指出: 作為研究對象的混合材, 采用硅灰、粉煤灰、高爐礦渣微粉、鈣礬石系等特種混合材。鈣礬石系混合材, 通常和高效減水劑一起使用, 使硬化體中的孔隙率減小, 并轉(zhuǎn)化為小的細(xì)孔, 通過使組織致密來實現(xiàn)混凝土高強化的可能性是明顯的。
膨脹劑加入混凝土中, 在水泥凝結(jié)硬化過程中能產(chǎn)生體積增大的水化產(chǎn)物, 從而表現(xiàn)出膨脹性能。在限制條件下, 混凝土中能建立一定的預(yù)應(yīng)力, 改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài), 提高混凝土的抗裂能力; 另一方面, 水化生成的鈣礬石晶體能填充、堵塞混凝土的毛細(xì)孔, 改變混凝土中孔結(jié)構(gòu)和孔級配, 使有害孔減少, 無害孔增多, 總孔隙率還有所降低, 使混凝土的密實度提高, 從而提高了混凝土的耐久性。所以,補償收縮混凝土也應(yīng)屬于高性能混凝土范疇。
膨脹劑和粉煤灰等礦物摻和料復(fù)合, 再加上緩凝型外加劑, 可以降低混凝土水化熱引起的溫度梯度,可以協(xié)調(diào)溫度應(yīng)力與混凝土的初期結(jié)構(gòu)強度, 從而減少和防止溫度裂縫的出現(xiàn), 提高混凝土的體積穩(wěn)定性, 因此, 在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。同時, 粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料的高附加值利用也將對保護(hù)環(huán)境和建材業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
2 試驗材料與方法
2.1 試驗材料
水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥; 粉煤灰(FA)為Ⅱ級灰, 需水量比為97%, 主要化學(xué)成分和物理性能見表1; 磨細(xì)礦渣微粉(BSF), 其主要化學(xué)成分和物理性能見表1; 膠砂試驗用標(biāo)準(zhǔn)砂, 混凝土試驗用河砂, 細(xì)度模數(shù)為2.88, 表觀密度為2670kg/m3; 堆積密度為1400kg/m3; 石子為5～25mm碎石, 壓碎指標(biāo)值為12.0%,表觀密度為2710kg/m3, 堆積密度為1380kg/m3。膨脹劑為一種低堿膨脹劑(PNC), 符合JC476-2001, 其主要特點是膨脹效能高, 摻8%的混凝土限制膨脹率在0.04%左右, 配制補償收縮混凝土可在混凝土中建立0.2～0.7MPa的自應(yīng)力值; 堿含量低,僅為0.2%左右, 遠(yuǎn)低于JC476 - 2001 中的限制0.75%; 不影響混凝土的坍落度及其損失; 對混凝土凝結(jié)時間稍有推遲; 強度性能好, 可等量替換水泥不降低混凝土強度, 后期強度穩(wěn)定增長; 耐久性好等。另外采用一種緩凝泵送劑(FNC)。
2.2 試驗方法
主要依據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗: 混凝土膨脹劑
JC476 - 2001; 混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范
GB50119- 2003; 普通混凝土拌和物性能試驗方法
GB/T50080- 2002; 普通混凝土力學(xué)性能試驗方法
GB/T50081- 2002; 普通混凝土長期性能試驗方法
GBJ82- 85; 水泥水化熱試驗方法GB2022。
抗裂性試驗是采用中間有剛性約束的膠砂圓環(huán)抗裂試驗, 圓環(huán)試模的內(nèi)模是直徑為155mm的鋼芯, 外模內(nèi)徑205mm, 中間澆筑砂漿, 其厚度為25mm, 高30mm。
膨脹劑、粉煤灰及礦渣微粉在所有試驗中都采用內(nèi)摻法, 按等量替代水泥率來計算。砂漿配合比選擇應(yīng)盡可能接近高強混凝土,因此, 砂子為制備混凝土用的中砂, 配比為: 膠凝材料(B)∶砂(S)∶水(W)=1∶1.2∶0.31。在(20±3)℃, 相對濕度為(60±5)%的實驗室內(nèi)成型, 1d后拆模, 強度試件放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù), 抗裂試件不濕養(yǎng)而直接放入干縮室觀察開裂情況。
3 結(jié)果與討論
3.1 力學(xué)性能
3.1.1 砂漿強度
表2是參照了JC476- 2001的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果顯示: 摻8%PNC膠砂的強度和空白的差不多; 而同時摻加8%PNC和20%FA的膠砂強度降低。
表3顯示: 在低水膠比的情況下, 摻8%PNC的砂漿具有較高的強度, 尤其是抗折強度; 在不摻緩凝型外加劑的情況下, 同時摻加8%PNC和35%BSF的砂漿具
注: 砂子為河砂, 制備混凝土用砂, 摻1.6%FNC。
有較高的早期強度和后期強度; 只要解決好強度發(fā)展規(guī)律, 養(yǎng)護(hù)好, 就能很容易配制出高強高性能混凝土。
3.1.2 混凝土強度
由表4可見, 粉煤灰等量替換水泥率在10%～30%, 隨著粉煤灰用量的增多, 混凝土的早期強度及28d強度逐漸降低, 后期強度增長較大, 180d強度就非常接近了, 編號9為C50自密實混凝土, 180d強度達(dá)到81.8MPa。在BSF等量取代35%水泥的基礎(chǔ)上, 再用PNC取代8%水泥, PNC和BSF復(fù)合摻加具有更高的強度, 較BSF單獨摻加大約要提高一個強度等級, 可見用比表面積為450m2/kg的BSF和PNC復(fù)合使用, 就可以配制出高流態(tài)的C70高性能混凝土。對于配制100MPa的高性能混凝土, 適當(dāng)摻加PNC也有利于混凝土強度的發(fā)展, 后期強度持續(xù)增長, 180d強度較28d的提高10%左右。
PNC膨脹劑摻入混凝土中, 早期能提高液相的堿度, 使生成的鈣礬石晶體較細(xì)小, 同時有凝膠狀的水化產(chǎn)物生成, 這些水化產(chǎn)物能填充、堵塞混凝土的毛細(xì)孔, 改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔級配, 使有害孔減少, 無害孔增多, 總孔隙率還有所下降, 使混凝土的密實度提高。利用迭加效應(yīng)將膨脹劑和粉煤灰等礦物摻和料復(fù)合, 再加入緩凝型外加劑,PNC可進(jìn)一步激發(fā)礦物摻合料的火山灰反應(yīng), 調(diào)整混凝土的初期結(jié)構(gòu)強度, 使混凝土的強度發(fā)展具有非常合理的規(guī)律, 綜合改善混凝土的性能。
3.2 膨脹性能
3.2.1 膠砂脹縮性能
表2是參照J(rèn)C476- 2001的試驗結(jié)果。同時摻加8%PNC和20%FA的膨脹性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求, 但較單摻8%PNC的膨脹率要低。
3.2.2 混凝土脹縮性能
表5是按GB50119中規(guī)定的方法試驗的結(jié)果,在摻相同PNC膨脹劑的情況下, 摻加10%- 30%FA的混凝土膨脹率都大于0.015%, 滿足補償收縮混凝土的要求。還可以看出, 隨著FA的摻量的增加,混凝土的限制膨脹率逐漸降低, 但在干空氣中收
縮也逐漸減小, 即收縮落差也逐漸減小。
3.2.3 混凝土干縮
表6是按普通混凝土長期性能試驗方法GBJ82測試的混凝土干縮?？梢? 編號9的混凝土強度低些,表現(xiàn)干縮也小, 180d只有0.0383%。100MPa的高性能混凝土, 摻加PNC的混凝土3d干縮稍有降低, 后期和不摻的差不多, 180d的干縮都沒有超過0.05%。
3.3 水化熱
按照水泥水化熱試驗方法試驗, 結(jié)果見圖1。和空白的相比, 只摻加8%PNC, 水化熱峰出現(xiàn)的時間推遲1.5h, 水化熱1d降低11%, 3d降低8%, 總水化熱降低9%; 摻加8%PNC和20%FA, 水化熱峰出現(xiàn)的時間推遲3.5h, 水化熱1d降低26%, 3d降低18%, 總水化熱降低15%; 同時摻加8%PNC、20%FA和1.2%FNC, 水化熱峰出現(xiàn)的時間推遲26h, 水化熱1d降低73%, 3d降低23%, 總水化熱降低23%。
同時摻加膨脹劑和粉煤灰, 可充分利用“迭加效應(yīng)”, 可大幅度降低水化熱; 當(dāng)再添加緩凝減水劑時, 水化熱降低的幅度更大, 這樣就較易控制混凝土內(nèi)部溫升, 控制混凝土內(nèi)外溫差, 此時膨脹劑的膨脹作用可補償混凝土的后期冷縮和干縮, 降低溫度拉應(yīng)力, 達(dá)到防止混凝土開裂的目的。
3.4 抗裂性能
砂漿抗裂性試驗結(jié)果見表3。結(jié)果顯示高強度
的砂漿出現(xiàn)裂縫的時間較早, 空白的在5d就出現(xiàn)裂縫, 同時摻PNC和BSF的在第6d就出現(xiàn)裂縫, 摻PNC劑的也在第9d就出現(xiàn)裂縫。這可能是由于一方面早期強度發(fā)展太快, 另一方面早期沒有濕養(yǎng), 養(yǎng)護(hù)條件太差, 這充分表明高強混凝土的早期強度發(fā)展快, 更要注意早期養(yǎng)護(hù)。
抗壓強度與抗折強度之比反映了材料的脆性,由試驗結(jié)果可知7d齡期砂漿的抗壓強度與抗折強度之比, 空白的為6.79, 摻PNC的為6.35, 同時摻PNC和FA的為6.11, 同時摻PNC和BSF的為7.67, 大體上可反映裂縫發(fā)展趨勢, 但同時摻PNC和BSF, 雖然7d的較高, 但3d的較空白的要低(6.20/6.49=95.6%)。
在混凝土中加入膨脹劑, 會產(chǎn)生體積增大的水化產(chǎn)物而表現(xiàn)出膨脹性能, 推遲了混凝土收縮的產(chǎn)生過程, 使混凝土的抗拉強度在此期間內(nèi)獲得大幅度增長, 這樣可抵消收縮應(yīng)力, 防止或減少收縮裂縫的出現(xiàn)。
4 工程應(yīng)用
我院自1994年就開始研究利用摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和膨脹劑配制高性能補償收縮混凝土, 在大量重點工程中得到廣泛的應(yīng)用, 并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。表7列舉了PNC混凝土膨脹劑配制的60MPa以上的高性能混凝土在部分工程的實測性能。
(1)海辰苑是一高層商住樓, 地下室筏板基礎(chǔ),面積為5500m2, 厚2m, 屬于超長超厚大體積混凝土結(jié)構(gòu), 混凝土強度等級為C50, 抗?jié)B等級為P8, 局部P12, 全部采用商品混凝土泵送施工。需要解決的技術(shù)問題包括如何解決抗裂抗?jié)B; 如何降低水化熱; 如何解決超長超厚混凝土結(jié)構(gòu)的開裂等, 經(jīng)過大量的試驗研究選用表7中編號1的配合比, 工程質(zhì)量很好。
(2)某水泥制管公司預(yù)制強度為C65的高性能混凝土管, 表7中編號10、11就是配合比設(shè)計研究過
程中選擇的配比, 養(yǎng)護(hù)制度: (20±2)℃靜停2h, 升溫≤22℃/h, 恒溫(52±2)℃5h, 降溫2h預(yù)制的混凝土制品質(zhì)量很好, 強度都達(dá)到110%以上。
(3)銀河大廈地上38層, 12層以下為C60混凝土,頂板結(jié)構(gòu)的平面尺寸為91m×84m, 屬于超長混凝土結(jié)構(gòu), 需考慮混凝土的補償收縮, 施工時間為濟南市最熱的9月份, 技術(shù)難點: C60高強度混凝土的施工、超長結(jié)構(gòu)的抗裂、炎熱夏天施工的坍落度損失問題。
配合比見表7中編號12。實際施工現(xiàn)場取樣, 混凝土28d抗壓強度為68.3～72.3MPa, 混凝土14d限制膨脹率為0.0195%, 工程質(zhì)量優(yōu)良, 達(dá)到了預(yù)期的效果。
5 結(jié)語
PNC混凝土膨脹劑具有良好的技術(shù)性能, 用42.5級普通硅酸鹽水泥, 只摻加PNC劑而不摻其他礦物摻和料就能夠配制C60～C70高強高性能混凝土; 同時摻PNC+FA+BSF等礦物摻和料可配制50～100MPa的高性能混凝土。
配制高強高性能混凝土, 摻加混凝土膨脹劑可起到補償收縮的作用。圓環(huán)試驗表明, PNC混凝土膨脹劑能夠推遲混凝土裂縫出現(xiàn)的時間, 尤其是同時摻加混凝土膨脹劑和優(yōu)質(zhì)粉煤灰, 可使裂縫出現(xiàn)的時間大大延長, 明顯地降低了混凝土收縮開裂的趨勢。
利用迭加效應(yīng)將膨脹劑和粉煤灰等礦物摻和料復(fù)合, 再加入緩凝型外加劑, PNC可進(jìn)一步激發(fā)礦物摻和料的火山灰反應(yīng), 可以協(xié)調(diào)混凝土的初期結(jié)構(gòu)強度, 使混凝土的強度發(fā)展具有非常合理的規(guī)律, 同時可以避免或減少混凝土的裂縫, 綜合改善混凝土的性能。
[參考文獻(xiàn)]
[1]吳中偉.補償收縮的新動向[A].游寶坤主編.建筑結(jié)構(gòu)裂滲控制新技術(shù)[C].北京: 中國建材工業(yè)出版社, 1994.P1～4.
[2]吳中偉.重視質(zhì)量、積極創(chuàng)新[A].游寶坤主編.建筑結(jié)構(gòu)裂滲控制新技術(shù)[C].北京: 中國建材工業(yè)社, 1998.P1～3.
[3]游寶坤主編.混凝土膨脹劑及其應(yīng)用[C].北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2002.P45～53.
[4]寺村悟、坂井悅郎.為混凝土高強化而開發(fā)的混合材[A].高強混凝土與高效混凝土譯文集第一冊[C]. 清華大學(xué),1994.P61～67.
[5]魯統(tǒng)衛(wèi)、劉永生、王謙.粉煤灰和膨脹劑配制高性能混凝土的研究及應(yīng)用[J].混凝土, 2002.7.P39～42.
[6]游寶坤主編.混凝土膨脹劑及其應(yīng)用[C].中國建材工業(yè)出版社, 2002.P133～137.
[7]吳中偉、廉惠珍著.高性能混凝土[M].北京: 中國鐵道出版社, 1999.
