高性能混凝土(HPC)配制技術(shù)

孫占平

高性能混凝土是指用常規(guī)的硅酸鹽水泥、砂石等原材料,使用常規(guī)制作工藝,主要依靠高效減水劑和活性摻合料配制的水泥混凝土,應(yīng)具有以下三方面的性能指標(biāo):1)高工作度。高性能混凝土拌合物具有大流動性,可泵性,不離析,而且保塑時間可根據(jù)工程需要來調(diào)整,便于澆筑密實。高性能混凝土應(yīng)達(dá)到(20±2)cm的坍落度。2)高強度。高性能混凝土應(yīng)具有良好的物理性能,即有較高的強度和體積穩(wěn)定性,混凝土的28 d抗壓強度應(yīng)達(dá)到35 MPa以上,彈性模量應(yīng)達(dá)到30 GPa以上。在混凝土凝結(jié)硬化過程中水化熱低,內(nèi)部缺陷少,硬化后體積穩(wěn)定,收縮變形小。3)高耐久性。高性能混凝土應(yīng)具有上百年的使用壽命,具結(jié)構(gòu)密實、抗?jié)B、抗凍、抗碳化等,耐久性高。為建造大型建筑物提供了可靠的技術(shù)保證。

1 配制高性能混凝土的主要技術(shù)途徑

為實現(xiàn)混凝土的高性能,即高流態(tài)、高強度和高耐久性,混凝土的配合比應(yīng)符合以下幾條原則:

1)低的水灰比,即低的水、膠凝料比。高性能混凝土的配合比配制技術(shù)的核心訣竅是將水灰比降至0.2～0.3,用水量為125 L/m3～135 L/m3,而坍落度可達(dá)180 mm～200 mm的新拌混凝土。高性能混凝土的配制原則是將水灰比與基材密實度兩個要素結(jié)合起來,高性能混凝土的最佳水灰比即為0.22左右,低于此限制不能得到高密度的基體。

2)水泥。高性能混凝土使用的水泥必須是:a.標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量要低,從而使混凝土在低水膠比時也能獲得大流動;b.水泥的水化熱要低,以避免因混凝土內(nèi)外溫差大而造成混凝土產(chǎn)生裂紋;c.水泥的強度要高,以保證用較少的水泥獲得高強混凝土,中熱硅酸鹽水泥、調(diào)粒水泥、球狀水泥等可用來配制高性能混凝土。

3)使用高效減水劑。為了獲取高強度、高性能混凝土,膠凝材料用量大,水灰比低,混凝土拌合物粘性大。要獲得高工作性,就必須采用高效減水劑,日本稱之為高性能AE減水劑,其特點是既有高的減水率(20%～30%),又有控制坍落度損失的性能。目前,我國生產(chǎn)的普通高效減水劑都不同時具有高性能AE減水劑的性能。因此,通常將普通高效減水劑與緩凝劑復(fù)合起來使用,高效減水劑的通常摻量為膠結(jié)料重量的0.8%～1.5%,最多不宜超過2%。

4)選擇高質(zhì)量的骨料。高性能混凝土對骨料的顆粒級配和最大粒徑有更嚴(yán)格的要求。

細(xì)骨料應(yīng)選用石英含量高,顆粒渾圓潔凈、具有平滑篩分曲線的中粗砂,細(xì)度模數(shù)在2.6～3.2之間。

粗骨料應(yīng)是高強、低吸水率、表面結(jié)構(gòu)粗糙的碎石。粗骨料的最大粒徑不宜超過15 mm～20 mm,如混凝土強度等級不是很高可以放寬到25 mm。其針片狀含量不宜大于5%;其壓碎值宜在10%～15%之間。

5)摻入活性礦物材料。常用的礦物質(zhì)摻合料主要有:a.硅粉;b.磨細(xì)礦渣;c.優(yōu)質(zhì)粉煤灰;d.超細(xì)沸石粉等。它們的主要活性成分都是二氧化硅。

其主要反應(yīng)過程為:

xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·nH2O

活性礦物材料的最佳摻量決定于它本身的活性、所要求的混凝土性能以及它的價格等。一般地,配制高性能混凝土?xí)r,粉煤灰的摻量為膠結(jié)材料總量的15%～35%,低鈣粉煤灰的用量要低些,?；郀t礦渣的摻量為30%～70%,硅粉為5%～10%。

2 施工工藝要求

1)攪拌。攪拌的目的是使混凝土的各組成材料互相分散而達(dá)到均勻混合,由于高性能混凝土的粘性大,為了獲得高工作性能的混凝土拌合物,宜選用攪拌效率高、均質(zhì)性好的雙錐式攪拌機,并采用如圖1所示的攪拌程序。2)澆筑。高性能混凝土的坍落度一般都在20 cm以上,并非就是免振自密實混凝土,不經(jīng)振搗的高性能混凝土,強度和抗?jié)B等級均有所降低。所以,短時間的振搗是必要和有效的。3)養(yǎng)護(hù)。由于高性能混凝土的用水量較少,水化反應(yīng)迅速,可能使毛細(xì)管中斷,如養(yǎng)護(hù)水不能及時進(jìn)入混凝土內(nèi)部,將不會進(jìn)一步水化,所以,高性能混凝土在早期即應(yīng)養(yǎng)護(hù)。4)計量精度。原材料的計量精度不應(yīng)超過如下規(guī)定:水泥、礦物摻合料:±2%;粗、細(xì)骨料:±3%;水、外加料:±1%。

3 高性能混凝土配合比的設(shè)計原則

我國一般采用改進(jìn)的鮑羅米公式來表示混凝土強度與水膠比之間的關(guān)系:fc28=K1·R0(C/W-K2)。其中,fc28為混凝土28 d抗壓強度;R0為水泥的實際強度;K1,K2分別為經(jīng)驗系數(shù),與骨料、水泥品種等因素有關(guān);C/W為灰水比。

現(xiàn)介紹一種高性能混凝土配合比的設(shè)計原則,并經(jīng)過大量試驗證明是簡便而有效的。

簡述其設(shè)計步驟如下:1)配制強度的確定。由于影響高性能混凝土確定的因素多,變異系數(shù)大,因此,配制強度應(yīng)視材料的具體情況適當(dāng)增大。2)W/(C+M)(M為礦物質(zhì)摻合料)的確定。對于用碎石配制高性能混凝土的 W/(C+M),可參考同濟(jì)大學(xué)提出的關(guān)系式:fc28=0.304fce(C/W+0.62)。其中,fce為水泥的實際強度。高性能混凝土的水膠比變化范圍較小,一般為0.27～0.50。3)礦物質(zhì)摻合料摻量的確定。礦物質(zhì)摻合料的摻量要視活性二氧化硅的含量大小,一般內(nèi)摻CX(10%～15%)?；钚远趸韬扛?如硅粉)取下限,活性二氧化硅含量低(如優(yōu)化粉煤灰)取上限。4)用水量的確定。用水量的多少要根據(jù)混凝土拌合物坍落度的大小和高性能減水劑的效果確定,一般用水量小于175 kg/m3。5)砂率的確定。由于高性能混凝土的水灰比小,膠凝材料用量大,粘度大,混凝土拌合物的工作性容易保證,所以砂率可以適當(dāng)降低,一般在36%～42%之間選用(見表1)。6)粗骨料的用量。粗骨料的用量可用假定表觀密度法確定。高性能混凝土的密度大,其表觀密度約為2 450 kg/m3～2 500 kg/m3。例如,某工程要求C60混凝土,原材料為525號硅酸鹽水泥,粒徑為5 mm～15 mm碎石,河產(chǎn)中砂,細(xì)度模數(shù)為2.84,混凝土要求施工坍落度為18 cm～22 cm,采用緩凝型高效減水劑AE-1,優(yōu)質(zhì)粉煤灰F0,求試驗室配合比。解:用假定表觀密度法(假定密度為2 450 kg/m3):a.配制強度 fc28=70 MPa。b.確定(W/C)+F。fc28=0.304fce[(C+F/W)+0.62],fce=59.3 MPa,W/(C+F)=0.31。c.用水量 W0=170 kg。d.C+F=170/0.31=548 kg,F=548×15%=82 kg,C=466 kg。e.AE-1=548×1.5%=8.22 kg。f.砂率 Sp=33%,C0+S0+548+170=2 450,S0/(S0+C0)=0.33,S0=572 kg,C0=1 160 kg。

表1 高性能混凝土砂率選用表

4 高性能混凝土設(shè)計在工程中的指導(dǎo)作用

工程實踐證明,混凝土中適量的摻加硅灰、粉煤灰等,能配制高強高性能混凝土,可大幅度提高混凝土的致密性及耐久性,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,值得廣泛應(yīng)用推廣。高性能混凝土(HPC)的性能因工程條件、環(huán)境條件、施工工藝等要求而異,品質(zhì)穩(wěn)定的原材料是生產(chǎn)HPC至關(guān)重要的前提條件;HPC要具備所要求的性能,必須根據(jù)條件的變化,及時變化生產(chǎn)中的參數(shù)。應(yīng)用大摻量粉煤灰混凝土和大摻量礦渣混凝土是發(fā)展HPC最可行的途徑,不僅能提高混凝土的品質(zhì),還能有效地降低生產(chǎn)成本。

通過工程實踐的設(shè)計應(yīng)用,說明該設(shè)計原則能滿足高性能混凝土的性能要求,具有較好的實踐指導(dǎo)意義。

[1] 張 凱,張海民.高強混凝土的配制[J].山西建筑,2008,34(22):159-160.