淺談高性能混凝土原材料及其選用

李 恒（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 沈陽(yáng) 110000）

淺談高性能混凝土原材料及其選用

李 恒
（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 沈陽(yáng) 110000）

高性能混凝土以其各種優(yōu)點(diǎn)成為今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。針對(duì)高性能混凝土原材料存在的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了在選用高性能混凝土原材料方面應(yīng)注意的事項(xiàng)。

混凝土；原材料；摻和料

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世紀(jì)80年代末90年代初，一些發(fā)達(dá)國(guó)家基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提出的一種全新概念的混凝土，它以耐久性為首要設(shè)計(jì)指標(biāo)，這種混凝土有可能為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供100年以上的使用壽命。區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性等許多優(yōu)良特性，被認(rèn)為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑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，因此被各國(guó)學(xué)者所接受，被認(rèn)為是今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。

一、高性能混凝土原材料方面存在的問(wèn)題

高性能混凝土原材料主要包括：細(xì)集料、粗集料、細(xì)摻和料、減水劑及緩凝劑、礦物摻和料。在高性能混凝土的原材料方面，我國(guó)水泥質(zhì)量不穩(wěn)定，離散性大；在骨料方面，粗骨料質(zhì)量低劣，含泥量大，級(jí)配較差，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)不合要求；在外加劑和外摻料的選擇上，尚缺乏充分的適用性的研究。

二、高性能混凝土原材料的選用

1.細(xì)集料。細(xì)集料宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、級(jí)配良好的天然中、粗河砂,其質(zhì)量要求應(yīng)符合普通混凝土用砂石標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。砂的粗細(xì)程度對(duì)混凝土強(qiáng)度有明顯的影響,一般情況下,砂子越粗,混凝土的強(qiáng)度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜選用細(xì)度模數(shù)大于2.3的中砂,對(duì)于C80～C100的混凝土用砂宜選用細(xì)度模數(shù)大于2.6的中砂或粗砂。

2.粗集料。高性能混凝土必須選用強(qiáng)度高、吸水率低、級(jí)配良好的粗集料。宜選擇表面粗糙、外形有棱角、針片狀含量低的硬質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖碎石,級(jí)配符合規(guī)范要求。由于高性能混凝土要求強(qiáng)度較高,就必須使粗集料具有足夠高的強(qiáng)度,一般粗集料強(qiáng)度應(yīng)為混凝土強(qiáng)度的115倍～210倍或控制壓碎指標(biāo)值＞10﹪。最大粒徑不應(yīng)大于25mm,以10mm～20mm為佳,這是因?yàn)?較小粒徑的粗集料,其內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的幾率減小,與砂漿的粘結(jié)面積增大,且界面受力較均勻。另外,粗集料還應(yīng)注意集料的粒型、級(jí)配和巖石種類(lèi),一般采取連續(xù)級(jí)配,其中尤以級(jí)配良好、表面粗糙的石灰?guī)r碎石為最好。粗集料的線(xiàn)膨脹系數(shù)要盡可能小,這樣能大大減小溫度應(yīng)力,從而提高混凝土的體積穩(wěn)定性。

3.細(xì)摻合料。配制高性能混凝土?xí)r,摻入活性細(xì)摻合料可以使水泥漿的流動(dòng)性大為改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石強(qiáng)度有所提高。更重要的是,加入活性細(xì)摻合料改善了混凝土中水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu),使混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性與耐久性均得到提高。活性細(xì)摻合料是高性能混凝土必用的組成材料。在高性能混凝土中常用的活性細(xì)摻合料有硅粉(SF)、磨細(xì)礦渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。粉煤灰是火電廠燃煤鍋爐排出的煙道灰,它能有效提高混凝土的抗?jié)B性,顯著改善混凝土拌合物的工作性,大摻量粉煤灰混凝土還對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源有重要意義。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、細(xì)度低、需水量低的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。礦渣是高爐煉鐵排出的熔融礦渣在高溫狀態(tài)下迅速水淬冷卻而成的,用于高性能混凝土的磨細(xì)礦渣細(xì)度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是電爐法生產(chǎn)硅鐵合金所排放的煙道灰,SiO2含量大于90﹪,平均粒徑約011μm,比表面積＞20000㎡/kg,借助大劑量高效減水劑和強(qiáng)力攪拌作用,可以填充到水泥或其他摻合料的間隙中去,并且具有很高的活性,在各種摻合料中對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用最為顯著,是國(guó)際上制備超高強(qiáng)混凝土最通用的超細(xì)活性摻合料。

4.減水劑及緩凝劑。由于高性能混凝土具有較高的強(qiáng)度,且一般混凝土拌合物的坍落度較大(15～20㎝左右),在低水膠比(一般＜0.35)一般的情況下,要使混凝土具有較大的坍落度,就必須使用高效減水劑,且其減水率宜在20﹪以上。有時(shí)為減少混凝土坍落度的損失,在減水劑內(nèi)還宜摻有緩凝的成份。此外,由于高性能混凝土水膠比低,水泥顆粒間距小,能進(jìn)人溶液的離子數(shù)量也少,因此減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性表現(xiàn)更為敏感。因大部分高性能混凝土施工時(shí)采用泵送,故摻減水劑后混凝土拌合物的坍落度損失不能太快太大,否則影響泵送。

5.礦物摻合料。(1)粉煤灰,粉煤灰是燃燒煤粉的鍋爐煙氣中收集到的細(xì)微粉末,又稱(chēng)“飛灰”(Fly Ash),其顆粒多呈球形,表面光滑。大量的實(shí)踐證明:摻用粉煤灰的混凝土,其長(zhǎng)期性能可得到大幅度的改善,對(duì)延長(zhǎng)構(gòu)筑物的使用壽命有重要意義。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下幾個(gè)方面:①填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)滑層,產(chǎn)生“滾珠潤(rùn)滑”效應(yīng);②對(duì)水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻;③粉煤灰和聚集在骨料顆粒周?chē)臍溲趸}結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng),生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物,加強(qiáng)了薄弱的過(guò)渡區(qū),對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用;④粉煤灰延緩了水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利;⑤可減小混凝土溫度開(kāi)裂的危險(xiǎn),同時(shí)由于加快了火山灰反應(yīng),還可提高28d強(qiáng)度。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率對(duì)強(qiáng)度影響顯著,較好的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的水泥取代率應(yīng)小于10%。當(dāng)粉煤灰摻量較低時(shí),只會(huì)對(duì)水泥早期水化熱有影響,但對(duì)7d齡期的水化熱幾乎沒(méi)有影響。(2)硅粉(Silica Fume,簡(jiǎn)寫(xiě)SF)又稱(chēng)硅灰,是從生產(chǎn)硅鐵或硅鋼等合金所排放的煙氣中收集到的顆粒極細(xì)的煙塵。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃態(tài)球形顆粒組成，粒徑為0.1μm～1.0μm,是水泥粒徑的1/50～1/100,一般比表面積為18500㎡/kg～20000㎡/kg,主要化學(xué)成分為二氧化硅,其含量在90%以上。在混凝土中摻加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,結(jié)合應(yīng)用減水劑,可使混凝土各方面的物理力學(xué)性能都得到顯著提高,硅粉的適宜摻量為水泥用量的5﹪～10﹪。硅粉的加入,對(duì)混凝土的性能的影響主要有:①改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量;②提高了混凝土的強(qiáng)度,增大了彈性模量和混凝土的干縮;③提高了混凝土的耐久性。另外,在配制硅粉混凝土?xí)r必須注意:①由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土?xí)r,一般要摻加減水劑。在選擇減水劑時(shí),應(yīng)使之與所用的水泥具有相容性,否則,容易影響混凝土的工作性能。同時(shí),根據(jù)減水劑性能及需求的減水需求來(lái)選擇合適的摻量。②比表面積和活性SiO2含量是硅粉的重要指標(biāo),硅粉比表面積越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需選擇具有良好性能的硅粉。③硅粉混凝土的干縮一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土?xí)r應(yīng)采取補(bǔ)償收縮的措施,如摻加粉煤灰等。

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1007-6344（2016）04-0334-01

李恒，男，1974年5月3日。沈陽(yáng)大學(xué)工民建畢業(yè)，遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院工作，助理工程師職稱(chēng)。