高強(qiáng)度混凝土的配置和應(yīng)用
2005-06-24 00:00
摘要：隨著高層建筑的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用越來越被人們所重視。本文詳細(xì)分析了高強(qiáng)度混凝土原材料選擇的相關(guān)問題和原理，給出了一些高強(qiáng)度混凝土的常見配合比，給出了一些高強(qiáng)度混凝土配置和使用過程中的問題和建議。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度混凝土；配合比設(shè)計；集料；外加劑；減水劑；硅灰
1. 引言
近年來，隨著高層建筑的發(fā)展，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用也越來越廣泛。高強(qiáng)度混凝土是指強(qiáng)度等級為C60以上的混凝土，多用于高層建筑底層柱，一般體積較大（ 斷面最小尺寸超過1m）。高強(qiáng)度混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，在妥善的質(zhì)量控制下制成的，除了對水泥、集料和水的質(zhì)量進(jìn)行有效的控制外，配置高強(qiáng)度混凝土還必須采用低水膠比和摻加足量的礦物細(xì)摻料與高效外加劑，以保證混凝土的耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、實用性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性。
提高混凝土的性能是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。隨著混凝土結(jié)構(gòu)物的大型化、高層化及使用機(jī)械的大型化，對混凝土的性能也提出了更高的要求。
2． 高強(qiáng)度混凝土的原材料
高強(qiáng)度混凝土所用的原材料包括水泥、砂石集料、外加活性材料及高效減水劑等等。
2.1 水泥
配制高強(qiáng)度混凝土在選擇水泥時應(yīng)注意它與可能選用的高效減水劑之間的相容性，一般所選用的水泥應(yīng)該是42.5級以上的且質(zhì)量穩(wěn)定的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，最好采用純硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥的強(qiáng)度因礦物組分而異，而且其礦物成分的水化反應(yīng)也受各種因素的影響，即使水泥品種相同，早期養(yǎng)護(hù)溫度不同，強(qiáng)度的發(fā)展也不同。如在反應(yīng)初期提高溫度，可以加速水化反應(yīng)，但由于水泥粒子表面被析出的硅酸鈣水化物C-S-H包裹著，妨礙水泥粒子內(nèi)部的進(jìn)一步水化，后期強(qiáng)度受到影響。高細(xì)度水泥能獲得早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度很少增加，且水化熱嚴(yán)重。所以單純增加細(xì)度并不合適。
混凝土的強(qiáng)度主要取決于集料和水泥漿強(qiáng)度，以及集料與水泥漿體之間的界面過渡區(qū)的強(qiáng)度。為了獲得高強(qiáng)度，應(yīng)盡量降低其孔隙率。在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，降低孔隙率通常采用的辦法有：降低水灰比，提高水泥漿的稠度，或使水泥水化完全，降低內(nèi)部孔隙率，這就需要選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿?，使水泥粒子分散，充分水化，此外還需要在適當(dāng)?shù)臏囟扰c濕度下養(yǎng)護(hù)。
配制高強(qiáng)度混凝土的水泥用量較多，但過大的水泥用量不但增加成本，而且會產(chǎn)生多種不利后果。如過量的水化熱、收縮增大、增加混凝土的脆性等。因此最合理的方法是外加活性礦料替代部分水泥。許多資料表明在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，水泥用量最好控制在550kg/m3以內(nèi)， 這時可通過摻加硅灰、粉媒粉等礦物料來提高混凝土強(qiáng)度。
2.2 集料
對于粗集料，在水灰比相同時，表觀密度大的粗集料混凝土強(qiáng)度高， 吸水率低的粗集料混凝土強(qiáng)度高。強(qiáng)度高的石料一定有其優(yōu)越性，但它并不是最關(guān)鍵的因素。粗集料是和包裹它的水泥砂漿共同受力的，如何減小混凝土孔隙率使它達(dá)到更加密實的狀態(tài)才是決定混凝土強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素。這里的孔隙包括集料之間的，集料與水泥漿之間的和水泥漿內(nèi)部的。
對于中低強(qiáng)度混凝土，適當(dāng)加大粗集料粒徑可在同一坍落度情況下減少水的用量，因而對混凝土的強(qiáng)度有利。但對于高強(qiáng)度混凝土來說，加大集料粒徑并不能增加混凝土的強(qiáng)度， 反而可能影響混凝土的強(qiáng)度。大粒徑的集料內(nèi)部存在著更多的薄弱環(huán)節(jié)， 其薄弱環(huán)節(jié)是按層理分布的，這樣就形成一個較大較長的薄弱面，如果混凝土的某一部分有多個有相近方向的薄弱面的話就形成了一個影響混凝土強(qiáng)度的薄弱區(qū)。然而集料粒徑較小，在破碎的過程中這樣的薄弱環(huán)處往往分開， 這就使小粒徑集料的薄弱環(huán)節(jié)減少，由于集料粒徑小，形成的薄弱面較小，在混凝土中的分布較為均勻， 很難在混凝土中形成影響強(qiáng)度的薄弱區(qū)。另外，粒徑較小的集料有較大的表面積，故能增加其與水泥漿的粘結(jié)面積，從而界面受力比較均勻。由于高強(qiáng)度混凝土水灰比較小， 采用連續(xù)級配能使混凝土獲得更好的工作性能。當(dāng)其他條件相同時，卵石配制的高強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度明顯小于碎石，因此不宜采用卵石配制很高強(qiáng)度的混凝土， 但采用卵石時，混凝土拌和料的和易性比較好。
在高強(qiáng)度混凝土中，細(xì)集料應(yīng)選用潔凈的砂子， 最好是圓形顆粒的天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7～3.1。根據(jù)資料和經(jīng)驗，在高強(qiáng)度混凝土中粗細(xì)集料的比值可取2.0，即砂率為0.33。因為粗集料的表面積相對砂來講比較小，需要包裹在它周圍的水泥漿量要少， 這樣在相同水灰比相同水泥用量的情況下，可以增大新拌混凝土的坍落度。更小的砂率還有可能提高混凝土強(qiáng)度，但那將損害混凝土的工作度。
2.3 外加劑
利用礦物外加劑與高效減水劑內(nèi)超迭效應(yīng)來制備高強(qiáng)度混凝土是它與傳統(tǒng)高強(qiáng)度混凝土的基本區(qū)別，在礦物外加劑取代部分水泥的前提下，水泥與高效減水劑的相容性得到改善，高效減水劑含堿所造成的副作用可能轉(zhuǎn)化為有利的堿激發(fā)作用，帶來正效應(yīng)，當(dāng)然也引發(fā)施工配料過程復(fù)雜化的問題，這可以通過專用的復(fù)合外加劑或混合水泥來解決。如果外加劑選擇合適的話，還可以降低混凝土內(nèi)孔隙率，提高混凝土密實度，增加混凝土強(qiáng)度。常見的外加劑有硅灰、粉媒灰和磨細(xì)礦渣等。
硅灰是電爐生產(chǎn)工業(yè)或硅鐵合金的副產(chǎn)品。硅灰的回收利用不僅解決了空氣污染問題，而且還給配制高強(qiáng)度混凝土帶來了有效的途徑。用硅灰能夠配制出很高強(qiáng)度且早強(qiáng)的混凝土，但必須與減水劑一起使用。硅灰的通常用量為水泥的5～10％。但對于C80以下的高強(qiáng)度混凝土酌情降低。由于硅灰細(xì)度很高，所以按一定比例等量替代水泥后， 為了保證同樣的工作度就需增加用水量或減水劑用量。但當(dāng)拌和料的水灰比很低（0.3）時，情況正好相反，這是有了硅灰以后能使水泥均勻分布， 在同樣坍落度的情況下，可以減少減水劑的投放量，而且水灰比越低減少得越多。試驗表明，摻加了硅灰的混凝土的工作性能得到了明顯的改善，粘聚性和保水性都比較好。
粉煤灰是配制高強(qiáng)度混凝土常用的另外一種外加劑，當(dāng)粉煤灰與高效減水劑復(fù)合使用時，也會產(chǎn)生超迭效應(yīng)，獲得這種效應(yīng)的前提是水膠比低，當(dāng)高效減水劑摻量大，混凝土水膠比低的條件下， 粉煤灰對新拌混凝土和硬化混凝土的各種性能都產(chǎn)生有利的作用， 為使粉煤灰對早期強(qiáng)度不受影響，可加少量的硅灰或沸石粉，磨細(xì)礦渣、頁巖灰等，另外，粉煤灰混凝土硬化期間溫度越高，則強(qiáng)度發(fā)展越快，這也為大量的研究與應(yīng)用所證實。
磨細(xì)礦渣的作用是能水化并生成凝膠，能改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，并使之密化，對強(qiáng)度和耐久必起著有利的作用，超細(xì)礦渣不僅有很高活性，而且能明顯改善全部膠凝材料的顆粒配級，使之更為密實。
2.4 高效減水劑
高效減水劑是配制高強(qiáng)度混凝土所必不可少的一種外加劑。配制高強(qiáng)度混凝土應(yīng)選用非引氣性高效減水劑，使坍落度損失速度減慢，這是高強(qiáng)混凝土制備中的一個特殊性質(zhì)。
3. 配合比設(shè)計
高強(qiáng)度混凝土配合比計算，一般可按普通混凝土的配合比設(shè)計方法進(jìn)行， 先算出當(dāng)不加外加劑時每m3混凝土中各種材料用量， 然后用外加劑替換部分水泥。配制時水膠比，水：（水泥＋外加劑）應(yīng)控制在0.28～0.38 范圍內(nèi)，對水泥用量：當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C60時，宜取用400～500kg/m3， 當(dāng)強(qiáng)度等級為C70～C80時， 宜取用450～550 kg/m3。水泥與外加劑總用量不宜超過600 kg/m3。砂率一般為0.28～0.32，泵送時砂率一般在0.32～0.40范圍內(nèi)，當(dāng)強(qiáng)度等級較低時砂率可適當(dāng)放大。配制時對坍落度大小的要求，是根據(jù)混凝土的運(yùn)輸和澆筑時所需的時間而定的，具體可通過高效減水劑的摻量進(jìn)行調(diào)整。高效減水劑的摻量一般為膠結(jié)料的0.5～1.8％。
4. 結(jié)論和建議
4.1 配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，水泥要求選用42.5或更高標(biāo)號的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥為宜；砂為中粗砂為宜；石子應(yīng)級配均勻，含泥量小等等。硅灰的摻入會對混凝土的工作性能起到明顯的改善作用，粘聚性和保水性都比較好。
4.2 控制水灰比和減少用水量是配制高強(qiáng)度混凝土的關(guān)鍵之一，施工時如果水灰比和用水量不加嚴(yán)格控制，水灰比增大混凝土強(qiáng)度會明顯下降。
4.3 高強(qiáng)度混凝土早強(qiáng)性能顯著，后期強(qiáng)度增長較慢，使用時應(yīng)加以注意。
4.4 高強(qiáng)度混凝土的坍落度隨時間的損失而增大，泵送時應(yīng)摻合適量的泵送劑。對泵送劑的泵送效果的研制，是做好高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用的重要一環(huán)。
4.5 高強(qiáng)度混凝土的質(zhì)量受各種環(huán)境因素和人為因素的影響比較大，施工時稍有差錯就會帶來比較嚴(yán)重的后果，尤其是過高的溫度、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸以及水化熱等問題更要引起重視。
隨著科技進(jìn)步和建筑市場的繁榮，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用與發(fā)展必將越來越多地被人們所關(guān)注?？梢灶A(yù)見隨著高強(qiáng)度混凝土被人們的廣泛認(rèn)同和普遍應(yīng)用，它必將成為21世紀(jì)非常重要的建筑材料。 編輯：
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