基于普通工藝配制高強(qiáng)混凝土的影響因素研究

陳鐵虎 高欣欣

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006； 2.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南京 210042)

基于普通工藝配制高強(qiáng)混凝土的影響因素研究

陳鐵虎1高欣欣2

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006； 2.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南京 210042)

采用常規(guī)混凝土材料以及普通成型工藝，配制了80 MPa～120 MPa的高強(qiáng)混凝土，研究了水膠比、膠凝材料用量、高性能減水劑品種等因素對(duì)高強(qiáng)混凝土的影響，為類(lèi)似的研究奠定了基礎(chǔ)。

高強(qiáng)混凝土，普通工藝，低水膠比，高性能減水劑

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模、建設(shè)數(shù)量均在不斷增大；高層與超高層建筑物也與日俱增。按照這一發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)論是鐵路橋梁，還是高樓大廈，都對(duì)建筑物的承載力有著嚴(yán)格的要求。高性能混凝土已在實(shí)際工程中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，混凝土強(qiáng)度發(fā)展也越來(lái)越高[1]。目前，高強(qiáng)及超高強(qiáng)混凝土已經(jīng)成為眾多建筑工程的選擇，國(guó)內(nèi)諸如北京國(guó)家大劇院、廣州保利國(guó)際廣場(chǎng)等工程均已運(yùn)用強(qiáng)度超過(guò)100 MPa的高強(qiáng)混凝土[2]。鐵道部也已經(jīng)將抗壓強(qiáng)度大于130 MPa，抗折強(qiáng)度大于18 MPa的活性粉末超高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于橋面混凝土預(yù)制構(gòu)件。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)高強(qiáng)混凝土的研制成果也較多。通常采用高摻量的活性礦物摻合料、精選強(qiáng)度較高的粗細(xì)骨料、高效減水劑、高溫養(yǎng)護(hù)等措施來(lái)達(dá)到目的。此類(lèi)工藝往往僅能在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，不具備大規(guī)模施工的可能性。因此本研究采用普通成型工藝配制強(qiáng)度在80 MPa～100 MPa，100 MPa～120 MPa之間的高強(qiáng)及超高強(qiáng)混凝土。同時(shí)研究了若干種聚羧酸減水劑，比選能夠有效增加混凝土流動(dòng)度，降低粘稠度，增加混凝土的工作性能的聚羧酸減水劑品種。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1)膠凝材料。水泥是決定混凝土性能的基本因素，對(duì)高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō)，水泥標(biāo)號(hào)要高，一般選用52.5高標(biāo)號(hào)水泥。但考慮到高標(biāo)號(hào)水泥不僅成本高，且發(fā)熱量較大，不利于后期控制混凝土的抗裂性。因此，本研究中主要采用較易得到的海螺P.O42.5級(jí)水泥。硅粉為南京本地電廠自產(chǎn)的硅粉，比表面積2×105cm2/g，SiO2含量90%。水泥基本性能見(jiàn)表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

2)骨料。對(duì)于高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著最大集料粒徑的增大而降低，所以早期研究高強(qiáng)混凝土較多使用粒徑在2 mm以下的石英砂。這主要是因?yàn)榇箢w粒的界面過(guò)渡區(qū)大，會(huì)存在更多的結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)于高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展非常不利。本研究中配制混凝土采用級(jí)配良好、含泥量較低、壓碎指標(biāo)偏低的玄武巖，5 mm～10 mm，10 mm～20 mm兩級(jí)配。其具體物理性能詳見(jiàn)表2。

表2 粗集料的物理性能

細(xì)骨料采用天然河砂，控制其含泥量低于0.5%，細(xì)度模數(shù)在2.3～3.0之間。相關(guān)性能見(jiàn)表3。

表3 細(xì)骨料的物理性能

3)外加劑。本次研究中，采用了多種聚羧酸系高性能減水劑母液進(jìn)行試驗(yàn)。主要采用了A，B，C三種聚羧酸減水劑作對(duì)比。由于配制高強(qiáng)混凝土需要使用到大摻量的聚羧酸減水劑，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土中含氣量激增，降低混凝土強(qiáng)度。因此試驗(yàn)中，需要同時(shí)復(fù)配一定比例的消泡劑，降低混凝土含氣量以提高混凝土強(qiáng)度。

1.2 初步配合比

針對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土，有許多種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。美國(guó)Mehta和Aitcin提出的基于經(jīng)驗(yàn)的HPC配合比設(shè)計(jì)方法[3]、英國(guó)Soutsos等提出了基于最大密實(shí)度理論的HPC配合比設(shè)計(jì)方法[4]。綜合以上設(shè)計(jì)方法，本文的混凝土初步配合設(shè)定如下：

低水膠比是高強(qiáng)混凝土的配制特點(diǎn)之一?？紤]到原材料和成型工藝的影響，通過(guò)初步試配，再結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的配制高強(qiáng)混凝土的經(jīng)驗(yàn)，本文試驗(yàn)混凝土水膠比在0.20～0.26。P.K.Mehta[5]認(rèn)為強(qiáng)度高于100 MPa級(jí)超高強(qiáng)混凝土的最大用水量不易超過(guò)130 kg/m3。本文中選擇用水量為120 kg/m3～130 kg/m3之間，則膠凝材料的用量確定在500 kg/m3～600 kg/m3之間。細(xì)骨料為中粗河砂，砂率40%。對(duì)兩種級(jí)配的粗骨料比例進(jìn)行初步試配，選擇緊密堆積密度最大的比例，本文選擇中石∶小石=6∶4進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。根據(jù)初步試配，配合比確定為4組，見(jiàn)表4。

表4 高強(qiáng)混凝土初步配合比

1.3 試驗(yàn)方法

本文按照GB/T 50080-2002 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行新拌混凝土試驗(yàn)。其中，新拌混凝土的粘度用倒坍落度時(shí)間表示，測(cè)試方法為：將坍落度筒倒置，將混凝土拌合物裝入倒坍落度筒內(nèi)并抹平，不振搗。迅速提起坍落度筒，用秒表計(jì)量混凝土流空的時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水膠比的影響

眾所周知，水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的基本因素，也是影響混凝土流動(dòng)度的主要因素，除了需要保證成型振實(shí)設(shè)備能使混合料成型密實(shí)，在某些工程中，還需要保證混凝土的可泵送性。本文采用了0.20，0.22，0.24，0.26四種水膠比，配合比見(jiàn)表4，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 不同水膠比下高強(qiáng)混凝土性能及強(qiáng)度

根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持減水劑摻量一致的情況下，隨著水膠比的減少(低于0.24)以及膠凝材料的增加，混凝土的流動(dòng)度小幅增加，但是混凝土粘度卻大幅增加，強(qiáng)度數(shù)值也大幅度提高。28 d強(qiáng)度從84.6 MPa增加到 119.7 MPa，提升41.5%。

混凝土的倒坍落度筒流速可以直接表征混凝土的粘度，從混凝土拌合過(guò)程的觀察中可以直接發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的降低，混凝土的流動(dòng)性能雖然小幅增長(zhǎng)，但是粘度卻大大增加。當(dāng)水膠比為0.2時(shí)，采用H-4組流速可達(dá)2 min以上。因此，高強(qiáng)混凝土在滿(mǎn)足強(qiáng)度條件的情況下，后續(xù)研究需要進(jìn)一步解決混凝土的粘度問(wèn)題。

強(qiáng)度試驗(yàn)方面：H-4組，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度數(shù)值接近120 MPa；H-1組，膠凝材料用量較少，骨料相應(yīng)的用量比例較高，28 d強(qiáng)度數(shù)值也達(dá)到80 MPa以上。強(qiáng)度數(shù)值都是隨著水膠比的降低而升高。

2.2 外加劑的影響

本研究一共采用了3種聚羧酸高性能減水劑：分別為A，B和C。采用H-3配合比研究對(duì)比外加劑對(duì)于混凝土工作性能的影響。不同外加劑對(duì)混凝土性能影響見(jiàn)表6。

表6 不同外加劑對(duì)混凝土性能影響

由表6試驗(yàn)結(jié)果表明，B，C兩種聚羧酸減水劑在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r均有良好表現(xiàn)，可以有效提高混凝土流動(dòng)度。減水劑A所配制混凝土強(qiáng)度明顯不及B和C，主要因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土自身水膠比較低，水泥漿體積較少，加之混凝土流動(dòng)性不足，混凝土難以振搗密實(shí)，影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展。減水劑C可以明顯提高混凝土流速，降低混凝土粘度，增加此類(lèi)低水膠比高強(qiáng)混凝土的工作性能。減水劑B 對(duì)于混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展效果較好。因此，在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，多比選幾種外加劑，根據(jù)實(shí)際情況選擇能夠有效提高混凝土工作性能的減水劑品種，提高高強(qiáng)混凝土配制效果。

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用“硅酸鹽水泥+活性礦物摻合料+高性能減水劑”技術(shù)路線(xiàn)，可制備出28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到80 MPa～120 MPa的高強(qiáng)混凝土。

2)水膠比是決定混凝土強(qiáng)度最直接的指標(biāo)，為配制高強(qiáng)混凝土，需要采用較低的水膠比。

3)優(yōu)選原材料，選用級(jí)配良好、含泥量較低、壓碎指標(biāo)偏低的粗細(xì)骨料；采用減水率較高的聚羧酸高性能減水劑可有效降低混凝土水膠比，提高混凝土致密度。

4)選擇合適的聚羧酸高性能減水劑，可顯著改善混凝土工作性能，降低混凝土粘度，增加混凝土的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 蒲心誠(chéng),劉 芳,吳建華.150～200 MPa超高性能混凝土的配制[J].工業(yè)建筑,2005，35(1):57-62.

[2] 高育欣,吳業(yè)蛟,王明月.超高強(qiáng)高性能混凝土在我國(guó)的研究與應(yīng)用[J].商品混凝土,2009(12):30-31.

[3] R.K.Mehta. Prinei Plesunderlying Production of High Performance concrete[J].Cement, Concrete and Aggegate,1990,12(2):70-75.

[4] P.L.J.Domone, M.N.Soutsos. An approach to the proportion of high strength concrete mixes[J]. Conerete International,1994,16(10):26-31.

[5] P.K.Mehta, Paulo J.M.,Monteiro.Concrete structure, properties and materials[M].Elsevier Applied science, USA.1991.

Study on factors influencing high-strength concrete fabrication on the basis of common techniques

CHEN Tie-hu1GAO Xin-xin2

(1.Nanjing Hydraulic Planning Design Institute Co., Ltd, Nanjing 210006, China;2.Jiangsu Production Promoting Center, Nanjing 210042, China)

The article applies common concrete materials and common shaping technologies, prepares 80 MPa～120 MPa high-strength concrete, and studies high-strength concrete influencing factors of water-binder ratio, gelled material dosage and high-performance water-reducing agent, which has laid a foundation for similar research.

high-strength concrete, common technology, low water-binder ratio, high-performance water-reducing agent

1009-6825(2014)36-0114-02

2014-10-13

陳鐵虎(1984- )，男，工程師； 高欣欣(1985- )，女，工程師

TU528.31

A