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高强度高性能混凝土研究

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:本站原创  发布时间:2014-11-15 23:09:22

高强度高性能混凝土研究
摘要
由于工程的安全因素以及耗费巨资的经济因素的影响,混凝土的耐久性问题已经越来越受到了人们的重视。人们认识到,不仅需要用耐久性良好的材料来及时修复已经出现耐久性老化的混凝土工程,更重要的是必须要使今新建的混凝土工程还要具有足够的耐久性,用以保证设计寿命。比方说一些国家为了求建设更为耐久的结构物,其设计使用寿命约为100年或更长。为此,各国都开始专门的研究混凝土的耐久性及其改善技术。
高强高性能混凝土是当前混凝土发展的主要方向之一,并且在工程中的应用越来越广泛。目前,工程中主要应用的高强高性能混凝土强度小于100MPa,100~150MPa的超高强高性能混凝土已被制备成功,少数工程中的混凝土强度超过了100MPa。从工程结构材料的长远发展考虑,有必要制备强度更高(≥150MPa)的特超强高性能混凝土。
本文从高强高性能混凝土的发展方向和研究现状入手,介绍了高强混凝土的概念和配合比设计理论,然后详细的讲述了某种高强高性能混凝土的制备的过程,最后通过力学性能的研究,揭示了该种混凝土的工程可靠性,以期为工程提供一个可靠的范例,来指导高强度高性能混凝土技术的发展。
关键词: 高强度;高性能;力学性能;收缩性能
 
Abstract
As the project of security factors, and spent huge sums of economic factors, the durability of concrete problems have been more and more people's attention. It is recognized that the durability of not only need good material to timely repair the aging of the concrete has emerged durability engineering is more important is to make this new concrete works should have sufficient durability to ensure the design life. For example, some countries seek to build more durable structures, its design life of about 100 years or more. To this end, countries have begun a special study and improve the durability of concrete technology.
High Performance Concrete is currently one of the main directions of concrete development, and engineering more and more widely. Currently, the main application project of High Performance Concrete strength less than 100MPa, 100 ~ 150MPa of high performance concrete has been prepared successfully, a few works in concrete strength over 100MPa. From an engineering structural material of long-term development, the need to prepare a higher intensity (≥ 150MPa) of the special super-high performance concrete.
In this paper, the development of High Performance Concrete Research direction and start to introduce the concept and high strength concrete mix design theory, and then described in detail in the preparation of a high strength high performance concrete process, the final mechanical properties through the study reveals the reliability of the kinds of concrete projects in order for the project to provide a reliable sample, to guide high-strength high performance concrete technology.
Key words: high strength; performance; mechanical properties; shrinkage property


 
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
1. 绪论 1
1.1 论文提出的背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 高强高性能混凝土的发展方向 4
1.4 本论文的研究工作 6
2. 高强高性能混凝土的设计理论 7
2.1  高强高性能混凝土的概念 7
2.2 高强高性能混凝土的配合比设计 8
2.2.1 高强高性能混凝土的设计理念 8
2.2.2 配合比设计方法 10
2.2.3 原材料选择方法 12
2.3.4 确定合理的配比 15
3. 高强度高性能混凝土的制备 18
3.1 高强度高性能混凝土性能指标要求 18
3.2原材料的选择 18
3.3试验方案 18
3.4试验结果分析 19
4 高强高性能混凝土的力学性能分析 20
4.1混凝土拌合物性能 20
4.2硬化混凝土力学性能 20
4.3耐久性能试验研究 21
4.4 收缩变形研究 23
4.4.1 混凝土收缩机理 23
4.4.2 水胶比对混凝土收缩的影响 24
4.4.3 高强度混凝土pH值变化规律 26
4.4.3 高强高性能混凝土收缩性能 26
5. 结论 28
参考文献 29
 
1. 绪论
1.1 论文提出的背景
建筑物的主要骨架是建筑结构,而对于结构而言其物质基础就是建筑材料。建筑结构的优化以及发展才会不断促进建筑材料的更新和发展。混凝土是近现代最为广泛使用的建筑材料,同时也是当前最大宗的人造材料。在进入20世纪以来,以混凝土为主要的建筑材料的工程结构得到了极其快速的发展,如果和其他建筑材料相比,基于良好的综合性能,混凝土已经成为楼宇、桥梁、大坝、公路以及城市运输系统等许多现代化标志的首选材料。据初步的统计,墓前世界上每年消耗的混凝土量不会低于45亿立方米,并且在可预见的未来将稳定增长。
自打混凝土问世以来,主要经历了低强度、中等强度、到高强度乃至超高强度的发展过程,而目前工程技术人员依然乐于追求强度的不断提高。但是在最近的四五十年,因材质劣化的原因造成混凝土结构的过早失效乃至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜,并且还有愈演愈烈之势。而总结这些混凝土工程的过早破坏的原因,并不是由于强度不足,而主要是因为混凝土耐久性不良。比如说,在日本海的沿岸,许多港湾的建筑以及桥梁等,在建成以后不到10年的时间,混凝土的表面就会出现开裂、剥落,钢筋锈蚀外露。而据美国国家材料顾问委员会在1987年提交的报告中表明,大概有25.3万座混凝土桥面板出现了不同程度的破坏(其中很多桥梁使用不到20年),并且每年还将增加3.5万座;同年Litvan和Bikclye对加拿大的停车场发表了检测报告,他们发现一个结论:大量停车场在远比预计的服务寿命要早的多的时间内就出现破坏。美国曾经在1991年在提交国会的报告《国家公路和桥梁现状》里面指出,美国当时的全部的混凝土工程价值大概是6万亿美元,但是每年用在维修的费用缺高达300亿美元;南非在1981年投资用于拆换桥梁、防波堤、挡土墙、墩柱、蓄水坝、路缘、系桩柱、路面、电杆基础等上面的经费就超过了2700万英镑,然而这些结构物大多是在建成以后的3-10年内就发现开裂破坏。在英格兰岛的中部环形线的21km快车道,有11座混凝土的高架桥,其建造费约为2800万英镑(1972年),但是却因为冬季撒盐化冰雪得原因,两年后就发现钢筋出现了锈蚀,导致混凝土顺筋胀裂,一直到1989年的15年间,该桥的修补费高达4500万英镑(即造价的1.6倍),估计在今后的15年(到2004年)还将继续耗费1.2亿英镑(累计接近造价的6倍)!日本目前每年仅仅是用于房屋结构维修上面的费用即达400亿日元以上,而该国引以自豪的“新干线”在使用不到10年以后就出现了大面积的混凝土开裂和剥蚀现象。相对而言,我国的基本建设比发达国家晚三十多年,但是已建的一些工程却也有令人堪忧的状况,有很多的混凝土工程的使用寿命远远低于设计要求。据不完全统计,我国墓前现有建筑面积约为50亿平方米,其中大概23亿平方米需要分期进行鉴定加固,将近10亿平方米急需维修加固。在1989年,建设部的科技发展司曾经组织调查组对北京、西宁、贵阳等城市的一些建筑物进行了一次调查,调查结果表明,在建国初期修建的建筑均已达到必须大修的状态,现有大多数工业建筑早已不能满足安全使用50年的要求,一般只要使用25-30年就需大修加固。我国曾经在50年代兴建的大坝,有许多已经成为了陷入危境的“病坝”:截止到1997年得年底,驰名中外的安徽梅山、佛子岭、响洪甸得三座老坝共亏损1亿多元,单是佛子岭1997年一年就要亏损1700万元,然而在修补佛子岭的设计的预算之中,仅仅修补两个坝就需要花费1400万元。在1985年 水电部调查报告表明:在“三北”地区的工程中,我国的水工混凝土的冻融破坏占100%,这些大型的混凝土坝自打运行以后就半年维修,在运行33年后,上、下游面及尾水闸墩十分破损明显,其表面露出钢筋,冻害严重,导致坝顶抬高了约有10余厘米。而港口码头得工程,尤其是接触海水工程,其受到冻破坏的现象则更为严重,破坏的结构主要有防波堤、胸墙、码头、栈桥等,比方说天津新港的防波堤,采用的是普通混凝土的部分,经过了大约十几年的运行,就被冻融破坏,以至不能发挥正常作用了。对于地处寒冷地区的水电站、铁道桥涵、工业厂房、交通部门的混凝土路面、桥梁以及市政工程等的混凝土,对于接触雨水、蒸汽的部分,其排水系统还有受到渗透水作用的部分,都受到了冻融破坏,比如通辽发电厂的冷却塔的筒壁的混凝土,由于渗水问题导致混凝土遭受了冻融破坏从而发生表皮剥落以及空鼓等现象。为了能够使上述及类似工程继续发挥作用,各个部门每年都要耗巨资加以维修。根据以往的经验,混凝土工程的安全使用期以及维护使用期的比例为1: 3~10,但是在维护使用期以内的维修费用却高出了建设费用的1~3倍。在我国南方海港浪溅区,钢筋混凝土建筑因为以往设计标准偏低和施工质量问题,通常在使用了8~10年之后就会出现抓盐腐蚀钢筋引起的开裂剥落破坏,导致维修费用及由此造成的直接和间接的经济损失十分惊人。比如说某10万吨级的矿石中转码头,在使用了还不到10年就需要大修,而大修防护的费用预计会高达上千万元。有专家预计,21世纪初我国将出现混凝土结构的维修高潮,每年所需的维修费用可能高达数千亿元。在我国的北方如北京、天津等地的钢筋混凝土立交桥,即使不需要像美国北方的冷天还要撒盐化冰雪,其使用呃时间也并不是很长,然而已经广泛的显示出了钢筋锈蚀以及混凝土的顺筋胀裂等众多的破坏迹象,并且日益加剧发展。到了1998年,我国北方某国际机场混凝土停机坪,在使用了仅有数年后就发现混凝土道面上多数出现了坑蚀剥落破坏,这就严重的影响飞机的正常的安全起降。后来经过分析才得知这是由于在道面混凝土遭受了冻融以及除冰盐侵蚀的双重破坏作用所致。
由上可见,因为混凝土的耐久性劣化或者失败,各国为此付出的代价是十分沉重的。当然值得庆幸的是,由于工程的安全因素以及耗费巨资的经济因素提醒我们:从现在开始,混凝土的耐久性问题已经越来越受到了人们的重视。美国学者曾经使用“五倍定律”来形象地说明混凝土耐久性的重要性,特别是混凝土的设计对耐久性问题的重要性。比方说在设计时,如果对新建项目在钢筋得防护方面无谓地每节省1美元,那么这就意味着如果发现钢筋在锈蚀时采取的措施需要多追加维修费5美元,而顺筋开裂的时候则需多追加维修费25美元,如果是严重破坏时需要多加维修费125美元。这就会造成沉重的代价。这也使人们认识到,不仅需要用耐久性良好的材料来及时修复已经出现耐久性老化的混凝土工程,更重要的是必须要使今新建的混凝土工程还要具有足够的耐久性,用以保证设计寿命。比方说一些国家为了求建设更为耐久的结构物,其设计使用寿命约为100年或更长。为此,各国都开始专门的研究混凝土的耐久性及其改善技术。日本建设省从1980年就开始组织进行“混凝土耐久性提高技术”的开发研究,并且于1985提交了研究成果概要报告,1986年开始陆续的出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。有关混凝土的耐久性的国际会议也已经召开多次,反应了各国在研究方面的最新成果。由欧洲的RIELM等公司发起的建筑材料以及构件的耐久性方面的国际会议,自从1976年以来,每三年就要举行一次;而在1989年美国和葡萄牙都举办了关于结构耐久性的国际会议;在1991年由美国和加拿大联合举办了第二届混凝土的结构耐久性国际学术会议。关于混凝土的耐久性问题在我国也日益受到重视。全国钢筋混凝土标准技术委员会的混凝土结构耐久性学术组在1991年成立;而中国土木工程学会之混凝土与预应力混凝土学会、混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月于济南成立。我国的混凝土耐久性研究已经进入了有组织的工作阶段。我国目前正处于基本建设的高潮期,特别是当前的振兴经济的战略部署,这种情况下大规模的基础设施建设工程也正在或即将进行,而每年得混凝土用量则高达十多亿立方米,其中的许多设施都属于重点工程,比如三峡水利枢纽工程、高等级公路、跨海跨江的特大型桥梁、大中型飞机场等,都是国家投以巨资的项目,这些项目都要求高寿命。由发达国家走过的路已经表明,假如不重视工程混凝土的耐久性,那么就会付出极大的经济代价,乃至影响经济建设推进的步伐。所以我国也十分重视工程质量以及耐久性,国家领导就曾对三峡工程做出了指示——“千年大计,国运所系”;在“九五”期间国家计委以及国家科技部安排由8家实力比较雄厚的科研院所承担的重点的科研攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”,专门针对混凝土安全性之中存在的抗碱——骨料反应性、抗冻性、耐腐蚀性、耐钢筋锈蚀性等问题,并且从材料角度研究混凝土的耐久性。
由上看来,混凝土的耐久性已经成为了国际工程界普遍所关注的重大课题。随着科学技术的发展以及人类文明的进步,人类的生产活动所涉及的范围也越来越广,这样各种在严酷环境下使用的混凝土工程,比如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等也会不断的增多,而这些工程也关系到国计民生,所以必须实现百年大计乃至于千年大计,这就更加要求混凝土需要具有优异的耐久性,也就是足够长的使用寿命。为此,工程人员对混凝土耐久性的追求已经越来越主动,越来越自觉,甚至还超过了过去对于混凝土的强度的追求,所以以高耐久性为核心内容的高性能高强度混凝土便应用而生了。
1.2 国内外研究现状
这十多年来,全球许多国家都对高性能高强混凝土进行了大量的研究开发工作。而研究开发的目的则是使其能够在土建工程之中推广应用。如果推广的范围越宽,应用的数量越多,那么其效益也就越大。在1990年美国NSIT召开的讨论会上曾经提出,应用高强高性能混凝土可以获得效益的工程如下所示:
1.首要类——已经得到应用的有柱、大跨度桥梁、楼板、抢修停车场、道面。可能开发应用的有基础、后张预应力板、冷天施工(1995年我国已用于柱)、加快施工、化工和食品加工场、危险废弃物贮存、预制与预应力混凝土、公共卫生结构物、抗震、抢修工程等。
2. 次要类——已经得到应用的有离岸海上(漂浮)建筑。可能开发应用的大致有军用结构、高速铁路、以及离岸海上(重力式结构)建筑(1995年在北欧已经使用)、隧道、救助结构等。特殊结构一一可开发应用的比如月球混凝土,自动化施工建筑等。
以上范围只是针对高强度的高性能混凝土而言的,并没有包含对耐久性、工作性、以及均匀性等有特殊要求的结构,所以存在有很大的局限性。比如说大量水工建筑,近岸结构(如海港,码头,船坞)等需要对耐久性、工作性以及均匀性都有很高的要求;而有些大体积重力式结构虽然对强度虽没有较高要求,但对耐久性的要求很高,所以仍必须列入到高强高性能混凝土的推广应用范围。
高强高性能混凝土的研究和开发受到了各国政府的高度重视。在1986-1993年,法国政府组织包括政府的研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位联合开展了“混凝土新方法”的研究项目,进行高强高性能混凝土的研究,并基于此建成了示范工程。1996年,法国公共工程部,教育与研究部组织了为期四年的国家研究项目“高性能混凝土2000”,其投入研究经费约有550万美元。而日本建设省曾经在1988-1993年进行了一项综合性的开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质,超高层化技术的开发”(简称“新RC计划”)。为了能够实施该项计划研究,大概一共成立了5个分科会。其中高强混凝土材料分会由水泥协会,建筑协会建设省研究所,建材试验中心,化学外加剂协会等机构和多所高等院校以及有关公司参加。而挪威皇家科技研究院之中的科学与工程研究基金(SNIEF)持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。
到了1994年,美国联邦政府16个机构联合提出了一个能够在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议,并决定在10年以内投资2亿美元进行研究和开发。美国的国家自然科学基金(NSF),美国的国家标准与技术研究所(NSIT),美国联邦公路管理局以及其他的一些州政府的运输部以及美国工程兵等机构,都一直投入大量经费,用以资助高强混凝土和高性能混凝土的研究,其中NSF以每年约200万美元的经费,定期来资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土的研究。1999年美国NSIT的建筑与防火研究实验室(BFRL)在国际互联网上公布了一个“高性能混凝土技术的伙伴关系(PHPCI)”由工业界四个大企业和国家预拌混凝土协会,波特兰水泥协会协作,来承担“商品高性能混凝土结构项目之中的计算机集成知识系统(CIKS)的开发”的国家重点研究计划。该项目的重点是性能检验以及预测工具的开发和应用,这也是优化可靠的HPC产品以及给出可以通过最有效的途径所得到的知识所必需的。
近年来,我国的高强混凝土以及高性能混凝土的研究和应用,在有限的经费的支持下发展的比较快,但是缺少一个统一的规划和计划,有许多的研究只是在重复的追求混凝土的强度。但我国目前对于高强度高性能混凝土的研究正在逐步地走向正规和系统。中国工程院的院士吴中伟提出“绿色混凝土”的概念,这说明对绿色的高强高性能混凝土必须走可持续发展道路的观念深入人心起到了重要的作用。从各国看,人类对陆地的开发已经日趋饱和,所以高强度高性能混凝土正适合今后的开发并有巨大潜力的海洋资源的需要。所以,高强度高性能混凝土是可持续发展的混凝土,未来流行的混凝土将是高强度高性能混凝土。
1.3 高强高性能混凝土的发展方向
高强高性能混凝土的显著特点是强度高变形小,耐久性好,当然抗渗抗冻性也很好,能适应现代的工程结构向着大跨、重载、轻质、高强、以及耐久方向发展,并能够满足承受恶劣环境条件的目的的需要,还能够符合现代的混凝土在施工过程中采用的工厂化,机械化(工厂预拌混凝土,工厂预制混凝土构件,泵送)的要求。高强度高性能混凝土能够显著的降低混凝土的受弯构件截面的受压区高度,并能够提高构件的延性,还允许有比较高的配筋率,从而可通过提高配筋率的方式来增加构件的抗弯能力,或降低构件的截面高度,减轻自重;高强度高性能混凝土用于预应力混凝土的构件则可以施加更大的预应力,进而可以减少收缩和徐变所引起的预应力的损失.由于高强度高性能混凝土可以减小截面的尺寸,并且能够降低结构自重,所以相应地其结构的自重如果占全部使用荷载的比较主要部分(如大跨的预应力混凝土连续梁桥)时,应用高强度高性能混凝土就可以通过有效的减小上部结构以及基础构筑物的尺寸,来减轻地基的基础的负担,从而减少截面尺寸。对于房屋建筑物来说,这还意味着增加使用面积以及有效空间:对桥梁等建筑来说,这意味着增加桥下的净空或者是降低两岸路堤的标高(这对于平原地区可少占农田,减少工程土石方量,其意义更为重大);对于地下建筑物而言则是意味着减少了岩石开挖量。另外,在工程中如果同时使用不同的强度的混凝土则可以尽量的统一构件的尺寸,这样就为划一模板提供了条件,还更加有利于施工.所有这些间接的好处都远比节约结构本身的材料用量或者是降低造价更为重要.高强度高性能混凝土材料的质地致密坚硬,其抗渗抗冻性能优异,耐久性较好,所以也适用于那些露天的、遭海水侵蚀的、受高速流体冲刷的、或易遭碰撞损害的工程构筑物.采用高强度高性能混凝土,其意义十分重大;尤其是对于基础设施工程,如果需百年以上的使用寿命,就应优先选用高强度高性能混凝土.
当然,高强度高性能混凝土也存在着不足之处以及不利因素,这主要表现在以下几个方面:
(1) 高强度高性能混凝土对原材料要求甚严,普适性差:
(2) 高强度高性能混凝土的质量特别容易受搅拌,运输,浇筑和养护过程中人为因素和环境因素的影响,尤其是过高的气温,远距离的运输以及水化热问题,应引起足够重视;
(3) 高强度高性能混凝土在施工生产时,须有严格细致的规划和检查,要求有很高的混凝土施工技术水平和质量管理水平,这并不是所有的预拌厂或施工现场都能够做到的,特别是当前基建领域整体生产水平较低,管理比较混乱的时期,对推广使用高强度高性能混凝土阻力很大;
(4) 高强度高性能混凝土的应用缺乏国家技术政策的支持,也缺乏规范的指导,这样大量的推广应用困难很大.
(5) 高强度高性能混凝土的极限压应变不及普通混凝土(OR1G1NAL CONCRETE,简称OC),抗拉强度相对较低,因而材料延性较OC差,高强度高性能混凝土的低韧性,高脆性的特点,使其在收疲劳强度控制的工程结构物中的应用受到一定程度限制.
高强高性能混凝土是以高强度和耐久性作为主要控制指标,并能满足工程建设中的某些特殊要求。从近几年来高性能混凝土的应用,可以看到高强高性能混凝土今后的发展方向。
(1)自密实高强高性能混凝土:自密实混凝土即拌合物不离析而流动性很高,在不振捣或稍振捣的情况下能密实地充满模型,不产生蜂窝,空洞等质量缺陷而且耐久的混凝土。这种混凝土虽然比相同强度等级的普通混凝土材料费用略高,但由于节省动力和劳力并解决噪音扰民问题,其综合效益是显著的,自密实混凝土的配制关键是满足良好的流动性能要求,其不仅有高流动性,而且应能顺利通过钢筋间隙和狭小模板空间,填充模板的各个角落,即尚需具有高的抗堵塞能力和充填性。
(2)清水混凝土技术;城市的基础设施和大型公共建筑要求混凝土不仅具有结构的功能,同时还应有装饰的功能,这就是清水混凝土在城市桥梁(包括高桥梁)工程,电视塔工程,体育场馆工程和机场候机楼等工程上的广泛应用的原因。清水混凝土目前还没有统一的涵义和技术标准,但其原材料和工艺技术都远较普通混凝土严格,混凝土的外观质量十分苛刻,这就要求制定标准来确保清水混凝土的工程质量,采用清水混凝土不仅提高了混凝土外观质量,而且大大节约了装饰费用,并给人以自然清纯,古朴凝重的质感,引起了人们的重视。高层建筑过去的外饰面大多都采用瓷砖,内饰面是抹灰。由于瓷砖与抹灰同墙面粘结不牢固,曾发生堕落伤人事件,有些地方己禁止使用。这也促使其从清水混凝土和装饰混凝土寻找出路。清水混凝土应是表面光滑平整,色泽均匀一致,一次成型后不需另作饰面的混凝土。清水混凝土在我国还没有一本可供遵循的技术标准,有关企业根据工程试验取得了一些经验,其关键技术可供在今后施工中借鉴。
清水混凝土的关键技术涉及清水混凝土的制备和施工工艺二个方面。在清水混凝土制备方面,保持清水混凝土的色泽一致和拌和物的工作性与粘聚性,不允许出现混凝土的分层、离析和表面气泡是关键。
(3)轻集料混凝土技术:轻质、高强、耐久是混凝土技术发展的方向,发展轻
集料混凝土是减轻结构自重,是混凝土向轻质、高强方面发展的主要途径,在国外,早在七十多年前就开始研究与应用轻集料混凝土,我国的科研机构对轻集料混凝土的性能,工程应用等进行了系统的试验研究,也编制出一系列的标准,为轻集料混凝土的工程应用创造了条件,但是,我国的轻集料混凝土无论在品种、数量及其应用范围上与国外相比都有较大的差距。
(4)“绿色混凝”土技术:二十世纪水泥混凝土为人类文明与进步作出了卓越的贡献,同时也损坏了环境,给人类带来了危害。二十一世纪,我们有可能利用现代高科技手段,是混凝土高性能化,应用工业废料,降低水泥熟料用量,并回收利用粗骨料。是混凝上走上“绿色道路”
此外,可降低水利工程大坝混凝土浇筑时水泥水化热的碾压混凝土技术,具有高耐磨、高抗折强度的路面混凝土技术,高抗冻性的混凝土等特殊混凝土技术也是今后高性能混凝土技术的发展方向。
1.4 本论文的研究工作
本文对高强高性能混凝土设计的理论方法进行了探讨,进行了试验验证。主要有以下几方面的内容:
1.高强高性能混凝土配合比设计的研究
2.高强高性能混凝土力学性能的试验研究
3.高强高性能混凝土的机理分析
 
2. 高强高性能混凝土的设计理论
2.1  高强高性能混凝土的概念
高强高性能混凝土主要是1990年前后出现的一种新型高技术混凝土。我国的混凝土技术主要经历了由低强到高强,由干硬到流态,从混凝土生产从人工计量、分散搅拌到计算机计量、集中搅拌的历程;目前混凝土技术将由以强度为中心过渡到以耐久性为追求目标的高强高性能多功能方向发展。由于不同的建筑结构对混凝土有着不同的功能要求,所以只要配制混凝土的材料具有一定的功效,这也就可以起到复合的作用,比如高强、耐久、耐油、抗裂、自密实等。各国的政府也高度重视对高强高性能混凝土的研究与开发。在1986-1993年,法国政府组织了包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目,进行了高性能混凝土的研究,并建成了一系列的示范工程。比如Joigny城的一座三跨的后张法预应力制造的钢筋混凝土桥,该桥的混凝土强度等级其实相当于我国C70,但是却比原来设计的C40减少混凝土量30%,减少自重2钱。日本1988年提出新的P.C计划 并且在明石海峡大桥的2个桥墩上分别实现了24万方的免振捣自密实混凝土;而英国北海油田的海上平台的混凝土在28天时其抗压强度也达100MPa该种混凝土可在海水中耐久100年。任何一个特定的工程与该工程的工作环境都对混凝土在某些方面性能提出了特殊要求。综合国内外的有关文献,高强高性能混凝土主要包括以下特点:
(1) 高强度
大多数学者认为高性能的混凝土必须是高强的,而1998年美国西雅图双联广场应用的混凝土强度也达到C135;但是也有学者认为,高性能混凝土应该根据具体的工程要求,允许称中等强度的混凝土(30-40MPa)为高性能混凝土。高性能混凝土这一概念可以有很宽的强度范围,一般都在C30以上,高性能混凝土的强度主要是通过降低水灰比和减少用水量来实现。而高性能减水剂可使混凝土的水灰比降到0.25以下,但是水泥用量可以保持在500kg/m3,同时它的坍落度也可保持200mm以上,这样完全能满足泵送要求,从而就可配制出高强、超高强混凝土。
近十年来,我国在混凝土制备的技术方面取得了非常明显的进步。在普遍应用C30、C40等级的混凝土的基础上,C50、C60的高性能混凝土的工程应用范围也不断扩大,大量的C50、C60混凝土都用于高层建筑和大跨桥梁。
(2) 高耐久性
高强高性能混凝土具有优异的抗渗以及抗介质侵蚀能力。所以要求混凝土的高体积的稳定性和高的抗裂性,使混凝土具有高弹模、低收缩、低徐变以及低温度下低应变的特性。高强高性能混凝土在硬化的过程中,其水化热较低,温升又小,所以冷却时温度收缩小,干燥时收缩小,具有致密的细观结构,这样就不易产生宏观和微观裂缝,所以抗渗性能优良。而掺减水剂则可减少混凝土的用水量,这样就可以提高混凝土的密实性,从而有利于耐久性的提高;如果在保持水灰比以及流动性不变的情况下,同时使用高性能减水剂来降低混凝土中水的用量,与此同时还引入一定量的微小气孔,以此来改变混凝土内部的空隙结构,这就能使混凝土的抗渗性能以及抗冻性能有比较大的改善。普通的混凝土掺用大量混合材料后,其碱度会大大降低,而不利于钢筋的保护;但是高强高性能混凝土由于其水胶比很低,而混凝土密实度高,所以其抵抗碳化的能力强。相对于主要的受压构件,比如基础、墩柱以及长期处于水下的结构,则可不考虑碳化问题。
(3) 高工作性
高工作性就是所谓的高流动度、可泵性、或自密实、免振捣。上海金茂大厦、东方明珠电视塔工程施工时实现了一次泵送C60混凝土可以达到380米高度。高强高性能混凝土的拌合物除了其高流动性外,还必须具有好的抗离析性以及填充能力。国外的大多用拌合物的坍落扩展度,也就是坍落后拌合物扩展的直径,就可以作为高流动性混凝土流变性能的量度。日本方面报道,高强度高性能混凝土的坍落扩展度一般为500-700mm。如果超过700mm时,拌合物易产生离析;而如果不到500mm时,则可能发生充填障碍。解决这一技术的关键是要解决拌合物在高流态下不泌水离析之间的矛盾,减少用水量,抑制混凝土的收缩。高性能减水剂以及矿物掺合料是高强高性能混凝土的两个非常关键的组分,减水剂可以使混凝土中的水泥用量减少,而超细的矿物掺合料用量增大,就会在施工过程中使得混凝土不会离析,从而使其坍落度保持在200mm以上,如果稍加振捣或免振捣就能使混凝土在钢筋的密集部位得到非常好的填充,这就使制作流态混凝土包括自流平以及自密实混凝土的技术也得到了实现。减水剂的发展迄今为止经历了三个阶段:包括普通减水剂到高效减水剂的发展、然后由流化剂到高性能减水剂的发展。1985年,日本发表了第一篇有关于萘系的高性能AE减水剂的论文,从此以后保持混凝土坍落度的高性能减水剂的研制就引起了重视,伴随着高强高性能的概念提出来的同时,聚竣酸系、三聚氰胺系以及改性木质素磺酸系的高性能减水剂也得到迅速的发展。目前,各国对聚羧酸系的高性能减水剂的研究和应用比较多,而1995年以后聚竣酸系减水剂在日本的使用量也已经超过了萘系减水剂。
在我国,萘系的高效减水剂其应用大约有20多年的历史,因为减水率不高,所以混凝土坍落度损失也非常快,这就难以满足实际工程的施工要求,而复合产品质量非常不稳定,往往会影响到混凝土的凝结硬化和耐久性;另外,萘系产品的原料也日益缺乏,导致其价格上涨,这就急需研制非萘系减水剂。目前,我国研究的聚羧酸系减水剂尚处在起步阶段。
(4) 经济合理性
高强高性能混凝土除了应该确保所需的性能外,还应该节约资源、能源与保护环境,朝着“绿色”和低碳的方向发展。低水灰比的大掺量粉煤灰混凝土就是一种值得推广发展的高性能混凝土,自密实免振混凝土(自流平混凝土)同样可以提高施工速度,缩短工期,同时节能并消除噪声污染。高强高性能混凝土的成本高于普通混凝土,其原因主要是超细粉掺合料与高性能减水剂的成本很高,高性能减水剂之中保持分散性的组分的成本较高,所以其造价比高效减水剂或者流化剂高。在相同的条件下不同系列的高性能减水剂其掺量的顺序为:聚梭酸系<氨基磺酸系<密胺系<萘系,所以选用不同的高性能减水剂来配制高性能混凝土,应该从混凝土的强度、工作性、耐久性以及价格等方面综合考虑。
2.2 高强高性能混凝土的配合比设计
2.2.1 高强高性能混凝土的设计理念
如果要获得高强高性能混凝土,就必须从原材料的品质及改进、外加剂的使用、配合比的优化、施工工艺与质量的控制等方面综合考虑。第一,必须要选择优质的原材料,比方说优质的水泥以及矿物掺料、还有与所选水泥具有良好的适应性的优质的高效减水剂、具有优异的力学性能并且粒形级配良好的骨料等等。第二,在配合比的设计方面,应该在满足设计要求的情况下,还要尽可能降低水泥用量并且要限制水泥浆体的体积,还要根据工程的具体情况掺用一种以上矿物掺合料,并且在满足流动度要求的前提下,通过优选的高效减水剂的品种与掺量,来尽可能降低混凝土的水胶比。此外,正确的选择施工方法,合理的设计施工工艺并且强化质量的控制意识与措施,也是高强高性能混凝土满足实际工程特殊环境耐久性需要和特殊性能组合的重要保证。
高强高性能混凝土,就意味着材料必须具有极高的强度,具有良好的流动性,同时具有优异的耐久性能和体积稳定性。
事实上,在以上的几个性能中,强度和耐久性、体积稳定性的要求目的是基本一致的,不是相互排斥的。一般说来如果混凝土的强度越高,其收缩和徐变越小,所以各项耐久性指标越好。法国的M.Rollet研究了20~120MPa范围内不等的强度级别的各项耐久性指标(包括碳化、酸类腐蚀、氯离子渗透、冻融循环破坏等),研究证明,如果强度开始提高,则各项耐久性指标也会持续的,大幅度的提高。
突出的矛盾主要是强度要求和流动性要求两者之间的矛盾。混凝土学之中有两条最为基本的定则,第一条是水灰比定则:即原材料相同,混凝土各组分用量变化不大,成型方法能保证混合料充分密实的条件下,混凝土的强度取决于水灰比,与水灰比呈反比,换句话说就是如果水泥用量一定时,混凝土的强度就取决于用水量,如果用水量越高,则水灰比越大,混凝土强度越低。所以,要制成高强度的混凝土,就必须要减小用水量,降低水灰比。如果降低得越多,那么所能得到的混凝土强度越高(图2.1)。第二条是用水量定则,也就是在固态组分不变时,如果用水量越高,也即水灰比越高,那么混凝土流动性越好(图2.2)。这一规律在不掺减水剂的普通混凝土的表现之中最为明显。
 
混凝土的强度,主要取决于粗细骨料的强度、水泥石的强度以及水泥石与骨料的粘接强度。在这三者之中,水泥石与骨料的粘接强度是最弱的,也是提高混凝土强度的关键。然而粘接强度又和水泥石的强度有关,随着水泥石强度的提高,粘结强度才会提高。所以,提高水泥石强度就是提高混凝土强度的非常重要的因素。
水泥石强度与水泥标号、水泥石之中的孔隙以及孔的结构有关。提高水泥标号,特别是在改善水泥石之中孔隙的状况与结构,对于增加混凝土的强度有着特别重要的意义。所以,配制高强高性能混凝土的关键之处在于提高混凝土的密实度。
想要提高混凝土的密实度,首先要从粗骨料的级配来入手,使得石子之间的空隙最小,从而使胶凝材料的总量也最少,其所采用的水泥最少,则用水量最少,这就使混凝土的组织结构能够达到“均匀密实”的目的。通过这种途径,由于胶凝材料的总量少,则塑性干缩以及沉降裂缝就会减少;需水量少,则自收缩裂缝就会减少;水泥用量少,则在水化过程之中产生的水化热就会减少,而温度裂缝也就会减少;析出的Ca(OH)2少,从而避免了碱集料反应的产生;水泥反应所生成的水化铝酸钙就会少,所以硫酸盐侵蚀使得混凝土胀裂的可能性就会减小;混凝土之中的孔隙小,那么混凝土的密实性就会提高,这样干燥收缩裂缝就会减少,同时还防止了硫酸盐以及氯离子的入侵。所以,如果按照“均匀密实”的理论来配制的混凝土,不但其强度得到了提高,而且还能够抑制乃至防止各式各样的裂缝的产生。
通过进一步分析可以看出,混凝土之中的孔隙,主要是来源于为了满足混凝土的和易性,从而在制备混凝土的时候增加的水分。一方面,这些水分在蒸发迁移的程中形成了隙,另一方面在凝土浇筑的时候,处于游离状态的水会在上浮的过程中,在受到骨料的阻挡时,在骨料的下部形成水膜,从而隔离了水泥与骨料,使两者不能够很好地粘结。所以,降低水灰比就成为了提高混凝土的密度的另一非常重要的手段。通过分析了增强混凝土强度的机理,我们就可以知道,其实提高混凝土强度有多种途径,主要如下所示:
(1) 改善原材料的性能。比如提高水泥标号、增加细度;并且选用坚硬致密、级配良好的粗、细骨料。
(2) 优化配合比。比如降低水灰比、降低砂率等。
(3) 掺用外加剂、或者活性掺合料。比如掺用高效减水剂;掺加超细矿物质掺料(硅粉、粉煤灰等)
(4) 改进生产工艺。比如采用强制搅拌、加强振捣、挤压成型,高压养护等。
通过上述分析可以得知,水泥混凝土如果想要获得高强度,就应按照下图所示的技术路线来配制:
 
由上可以看出,如今的高强高性能混凝土的组成材料必须是要选用合适的矿粉掺合料以及高效减水剂,为了保证混凝土施工的流动性,还需要控制坍落度的损失。这就是墓前高强高性能混凝土制备的技术路线的特点。如果是采用常规的原材料以及通用的工艺条件,要制备出一个低水胶比的高强、超高强乃至特超强高性能的混凝土,还要满足混凝土流动性大的特点,就必须要在水泥混凝土里面掺入高效的水剂,与此同时还需要掺入超细的矿物掺合料。充分的利用高效减水剂和超细的矿物掺合料指尖的复合减水作用,以此来大幅度降低高强高性能混凝土的用水量以及水胶比。所以,本研究之中配制高强高性能混凝土的技术途径是,硅酸盐水泥+超细活性矿物掺合料+高效减水剂这一技术路线。
2.2.2 配合比设计方法
自打“高性能混凝土”概念提出之后,它一直就是混凝土业内专家学者研究的重点以及热点,经过10余年的研究,目前该领域取得了一些成果,但是还缺乏对于配合比设计、应用理论以及工程技术的系统性质的研究。目前国际混凝土联合会(FIP)与欧洲混凝土委员会(CEB)提出了在混凝土的材料方面有待于进一步研究的课题中,首要问题也是高性能混凝土配合比设计的优化问题。
近些年来,国外提出了许多种德高性能混凝土配合比的设计方法,主要有法国路桥中心实验室(LCPC)、美国混凝土协会(ACI)、Mehta.PK.以及Domone P.L.J.等众多的学者提出的方法。在前些年美国混凝土协会(ACI)211委员会制订的“使用粉煤灰以及硅酸盐水泥的高强混凝土设计指南”中,给出了一种掺和粉煤灰的高强高性能混凝土的配合比设计以及优化的方法。这种方法适用于抗压强度在41~83MPa之间的普通容重非引气混凝土,该法主要是采用了一系列不同的胶凝材料比例以及用量来进行试拌,从而直到得到最佳配合比为止。法国路桥中心对高强高性能混凝土的研究居于世界的领先水平,他们对于配合比设计的主要思想是:在模型的材料上进行大量的实验,也就是用胶结浆体来进行流变试验,然后用砂浆进行力学试验,这样就可以避免用直接的方法在优化参数的时候所需进行的大量的试配工作。美国Mehta提出的配比的设计方法则是一种半经验半试验性质的方法。而英国的Domone. PL.J.等所提出的方法则是基于最大密实度的理论。
传统普通混凝土是以考虑强度为主的,所以其配合比设计相对简单,也就是根据Bolomy公式来计算水灰比,然后根据经验选择用水量、砂率,继而得出试配的配合比。而与普通混凝土相比,高强高性能混凝土不仅需要在原材料组成中增加外加剂、矿物料等许多新的组份,而且在除强度之外,还需要重点的考虑在不同环境下的耐久性要求,还有抗裂性、体积稳定性以及工作性(不同的施工方法对工作性有明显不同的要求)等其他的因素,加上当前人们对高强高性能混凝土的认识和理解还存在着一些差异(事实上也不可能完全一致,因为所谓“高强高性能”是一个相对的概念)。所以,高强高性能混凝土的配比设计也就成为了一个相当复杂的过程,迄今还没有一个关于高强高性能混凝土的配合比设计的比较程式化的统一方法。本论文的作者认为,如果选择合适的原材料,并且优化配比参数,或者是根据一个合理的性能与配比参数关系,来进行有目的地进行少量的试配,然后通过试配结果使性能与配比参数关系中的参数具体化,就成为了高强高性能混凝土的配合比设计的比较合理途径,所以说实践经验以及试验是该种方法的主要依据。
 
2.2.3 原材料选择方法
通过混凝土技术发展过程看,混凝土的材料体系组成墓前正在由四元体系(水泥、水、砂、石)向着多元体系(水泥、水、砂、石、矿物掺合料、外加剂、有机聚合物等)逐步发展,高强高性能混凝土需要同时实现高强、抗裂性、高体积稳定性、高耐久性、高工作性等性能的要求,那么其材料组成体系的多元化就是必不可少的,这也就使得正确的选择原材料变得尤其重要。
1. 胶凝材料
1)水泥。
高强高性能混凝土一般使用的是42.5级或者更高等级的硅酸盐水泥或者是普通的硅酸盐水泥,但同时要求水泥材料要具有较高的C3S含量与细度(比表面积3500~4000cm2/g)的特性,换句话说,水泥的矿物组成与细度对于高强高性能混凝土也有着重要的影响,特别在配制高强高性能混凝土的时候所选用的水泥,其C3A的含量应该尽可能的降低,因为其水泥中C3A含量很大,所以对减水剂的吸附量也很大,这样坍落度经时损失也变得较大,当然,对于不同牌号的减水剂和水泥的情况并不是完全一样的。具体在考虑选用何种水泥的时候还应考虑到水化热的限制和早期强度以及耐久性等的要求。水泥之中游离的氧化钙和氧化镁等有害成分必须要尽可能的少。对于含碱量大的水泥配制了混凝土后容易开裂,当怀疑骨料有碱活性并存在碱·骨料反应可能时,水泥的含碱量更应严格限制。所以尽可能减少混凝土中的水泥用量,并且掺用矿物掺合料应该成为配制高强高性能混凝土的一个重要原则。如果提高水泥用量,就会产生水化放热量变大以及过大收缩的问题,从而造成混凝土体积稳定性不良,然后产生宏观和细观裂缝。所以配制高强高性能混凝土,为了保持必需的浆体体积,所需粉体材料可以采用超细的矿物掺合料,比如硅灰或者是比较细的粉煤灰、矿渣粉等来加以补充,而不是一味的加大水泥的用量。
对于配制高强度高性能混凝土所用水泥的性能应该要有更高的要求,首先,应该选用优质的硅酸盐水泥,而水泥强度得等级也应该根据所配的混凝土强度的等级而定。除了水泥的强度等级、活性外,也还需要考虑水泥的化学成分、细度、粒径分布以及微量成分的影响。一般来说,水泥的C3A应该显低(不超过8%),而水泥之中游离的氧化钙、氧化镁以及三氧化硫等许多有害成分也应该尽可能少。
高细度的水泥在早期强度增长很快,但到了后期强度就很少增加,并且水化热大,所以细度的选择应该合适。水泥还必须与所使用高效减水剂的相容性好,使得混凝土拌合物在满足了工作性的条件下,其用水量尽可能的降低,坍落度的损失也小。
2) 矿物掺合料。
高强度高性能混凝土以综合的耐久性为主要设计指标,同时还需满足抗裂、体积稳定性等其它得性能,而如果单纯得使用硅酸盐水泥则很难能够满足高强度高性能混凝土的综合性能的要求。而粉煤灰、硅粉等许多矿物掺合料因为对混凝土的抗裂性、工作性和力学性能以及混凝土的内部组成、结构的改善,从而大大得提高了混凝土的综合耐久性,并能够克服硅酸盐水泥混凝土之中存在的许多的现实以及潜在的问题,因此已经成为配制高强度高性能混凝土的必不可少的组分。在工程应用之中,通常也会选用硅粉、粉煤灰、矿渣等一种以上的矿物掺合料,然后通过试验来确定其最佳掺量,以达到充分发挥其复合掺入之后的叠加效应。
作为高强高性能混凝土之中掺入的超细的矿物掺合料主要的作用主要有如下三大特点:
① 有滚球润滑作用。与硅酸盐水泥相比,矿物掺合料非常的细,这对于混凝土拌和物有着滚球润滑作用,这也就改善了混凝土的工作性。清华大学冯乃谦教授将不同细度的矿渣置换混凝土中10%的水泥量,测定其不同龄期的强度,研究表明:矿渣细度越大,对混凝土的增强效果越好。高强混凝土宜采用I级粉煤灰,含碳量不超过2%,一般掺量控制在15%~25%,宜用超量取代法。硅粉的掺量一般不超过20%,一般可取10%左右,水灰比宜控制在0.3以下。
② 微集料作用。水泥混凝土的高强化的基本原则是混凝土(水泥浆)之中的孔隙率低。高强高性能混凝土之中的胶凝材料的用量非常的大,其中有很大的部分并不能够完全水化而起了微集料的作用。因为矿物掺合料很细,这样就能置换混凝土之中更小空间中的水,于是使得混凝土就会更加密集,其强度、抗渗性、耐磨性、抗冻性以及抗腐蚀性也就能得到较大幅度的提高,并且干缩和徐变的效果得到降低。
③ 胶凝材料及火山灰反应作用。矿物掺合料并不仅仅充当胶凝材料的作用,而且还可以水化凝结硬化,从而产生强度,更重要的是能够在一定的碱度条件下,与水泥的水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应,由此来改善水化物组成与过渡区微观结构。
2. 骨料
和普通的混凝土相比,高强度高性能混凝土强度高,其水灰比小,用水量也很少,因为胶凝材料浆体还有骨料——水泥浆体界面的粘结强度的大幅度的提高,骨料的性能也就成为了混凝土强度、弹性模量、抗裂性、工作性等许多性能的主要的影响因素之一。①细骨料:适宜选用细度模数之中的中等偏粗的天然河砂,其细度模数适宜在2.7~3.1之中选取;而如果采用的是人工砂的时候,就应该控制砂的级配,并且使得过粗的颗粒与过细的石粉的含量不至于太高;质地坚硬、粒形良好的天然的河砂通常与人工砂相比有着明显小的需水量,有利于新拌的混凝土的工作性以及硬化混凝土的性能。②粗骨料:应该选用质地比较坚硬且还未风化的岩石,比如火成岩、石灰岩、玄武岩等,其岩石的比重也越大、吸水率也越低、而其压碎指标越小,所以其力学性能叶往往越好;而碎石混凝土的骨料——水泥浆体的界面的粘结强度也优于卵石混凝土,但在同水灰比条件之下其工作性则与后者相比较差,配制高强度高性能的混凝土则应该优先选用碎石,同时可以通过掺加高效减水剂的方法来改善其工作性;配制高强度高性能混凝土时骨料的最大粒径应取较小值(表2.1为高强度高性能混凝土选用的粗骨料粒径的参考数据);粗骨料级配好坏对于节约水泥、保证混凝土方面具有良好的工作性有着很大的影响,所以当配制多级配混凝土时,就必须采用连续得级配并且按照最密实(容重最大)原则确定各级骨料的比例。
表2.1 高强度高性能混凝土粗骨料的最大粒径
强度等级 C50~60 C70~80 C90~C100 C100以上
粗骨料最大粒径/mm  30  20  15  10
3.外加剂
常用的外加剂一般来说包括普通减水剂、高效减水剂(增塑剂)以及缓凝剂等,配制高强度高性能混凝土的关键之一就是选择与水泥相容性好的外加剂。外加剂和水泥的适应性比较好的时候表现为:新拌混凝土的工作性得到了明显改善;根据所需要能够有效的控制混凝土凝结时间;坍落度损失小;混凝土的密实性比较好,在各个龄期强度都有较大提高;混凝土的综合耐久性能得到提高。普通的减水剂能够在正常掺量下其减水率达到8-10%,如果用量过大就会导致过度得缓凝以及离析等现象。在实践中一般是通过采用多种复合外加剂(如高效减水剂与普通减水剂或缓凝减水剂等复合使用),通过掺入部分活性掺合料,或者改变外加剂的掺入时间(比如采用后掺法),适当的增加外加剂的掺量、以及增加混凝土中的外加剂的残留率等途径来改善外加剂和水泥的相容性问题。因为高强度高性能混凝土一般是低水灰比和低用水量,所以在一定程度上,混凝土的坍落度的加大主要是通过增加高效的减水剂的掺量来实现的,而其最佳得掺量则是通过试验来确定的。
目前所使用的高效减水剂主要施有三种基本的类型:分别是三聚氰胺系、萘磺酸盐系和木质素材。其中萘磺酸盐系的应用最广。高效的减水剂的使用能够大幅度增加新拌混凝土的坍落度,或当坍落度相同的时候提高混凝土的强度。
研究表明,高效的减水剂是一种能够与水泥颗粒产生物理和化学相互作用的聚合物。当它用于分散无胶凝性的微细粉状材料时,仅能够发生物理性相互作用,包括:①其分子由于范德华力和静电力吸附在颗粒上;②由于带相反电荷的颗粒之间的引力的减小(反絮凝作用)和高负电荷被吸附的高效的减水剂传递到颗粒之上,这些颗粒间斥力的反应。③所吸附的聚合物分子和周围颗粒间的空间位阻。当高效的减水剂用于分散的水泥时,所以除上述的物理作用外,和水泥颗粒之间还可能产生化学作用。根据Uchikawa等人的研究证明:萘系的高效减水剂可以与水泥中最活跃的组份,特别是C3A发生并且能够显著得减小其初期的表面水化率。和硅酸钙相比,萘系的高效减水剂更容易为间质相以及游离石灰所吸附。另外有研究报告指出:高效的减水剂的加入能够延缓C3S矿物的水化,从而能够显著的延缓水泥浆的凝结并能够降低其早期力学性能。高效减水剂的这种延缓得作用大致能够与其浓度成正比,并且在使用低C3S水泥时尤其显著,因为只会有较少量的高效的减水剂吸附在其它矿物上(C3S),减小了它们的表面反应率。
在混凝土之中掺入高效减水剂后,在溶液总共能离解出一些有机阴离子及金属阳离子,水泥颗粒的表面上吸附了有机阳离子,所以为了静电平衡,阴离子外围的阳离子就会造成扩散分布,在微粒表面造成双电层,从而产生双电层电位(又名Zeta电位)。由于水泥微粒表面的静电斥力及范德华引力的作用,那么在两微粒之间形成位垒(或能峰),这就能够使得水泥浆体的絮凝结构破坏,从而释放出自由水,于是混凝土的流动性提高。高效减水剂不但需要具有高减水效率,而且还要能够与水泥兼容。因此必须要事先进行高效的减水剂的试掺工作,其中包括选择不同的常用的水泥品种和减水剂的兼容性试验、减水剂的掺量以及掺加方法等。减水剂对坍落度损失的控制特性也将会决定它是否能够适合用到混凝土搅拌站或建筑工地的现场浇注。在配制高强高性能混凝土中,高效的外掺剂的用量(固体含量)一般主要为胶凝材料质量的0.8%—2%,它可以使得混凝土之中的水灰比大幅度降低,混凝土的密度、强度、耐久性得到明显得提高。所以配制高强高性能混凝土,应选用非引气性高效减水剂。
2.3.4 确定合理的配比
1. 胶凝材料浆体体积VG(全部胶凝材料与水占混凝土的体积比)
胶凝材料浆体体积VG和混凝土的体积稳定性(主要是收缩)密切相关,所以也就直接的影响到了混凝土的抗裂性。Mehta具体指出,对于适当的粗骨料,在配制了C60~C100的高性能混凝土时,VG值则不应该超过35%。
2. 水胶比
水泥要达到完全水化的程度所需的用水量大约为水泥用量的25%,此外因为物理的吸附作用还有大约15%的水被限制在胶体空隙之中,从而不能参与化学作用,所以至少要有约0.40倍水泥的重量的水才能达到完全的水化作用。但实际上,如果水胶比降到了0.40以下时,那么随水胶比的降低混凝土的强度却能继续提高。这主要是因为,虽然水泥水化不完全,但较低的水胶比依然能够降低混凝土的孔隙率并减小了孔隙尺寸,而没有水化的水泥颗粒则作为一种细骨料发挥了填充作用。那么在比较低的水胶比(≤0.40)范围内,水胶比的稍许变化则也可使得混凝土强度有了较大的变化,所以严格的控制水胶比就是保证高强度高性能混凝土质量的关键(表2.2为高性能混凝土水胶比选择的参考数据)。
表2.2 高强度高性能混凝土的水胶比选择
强度等级 C50~60 C70~80 C90~C100 C100以上
水灰比 0.37~0.30 0.31~0.24 0.25~0.21 0.23~0.19
3. 水泥用量
在实际工程中,其水泥用量超过500kg/m3的实例也比较少,较多介在330~450kg/m3之间。
4. 用水量
水是混凝土的主要组成主要材料之一,如果其拌和用水不纯,则有可能产生多种有害作用,最常见的有: (1)有损混凝土强度的发展; (2) 影响混凝土的和易性及凝结;(3)降低混凝土的耐久性,加快钢筋的腐蚀以及导致预应力钢筋的脆断:使得混凝土的表面出现污斑等等。为了能够保证混凝土的质量以及耐久性,就必须要使用合格的水来拌制混凝土。
混凝土拌合用水按水源可以分为饮用水、地表水、地下水、海水及经过了适当处理后的废水。凡是符合国家标准的生活用水,都可以用做拌制混凝土。地表水或者是地下水首次使用都应该进行适应性试验,经过合格之后才能使用。海水则只允许用来拌制素混凝土,而不是和用于拌制有饰面要求的混凝土以及钢筋混凝土和预应力混凝土。混凝土生产厂以及预拌混凝土的搅拌站设备的洗刷水要依照水中的有害物含量来确定适用于配制哪种混凝土,同时也要注意他们所含水泥以及外加剂品种对混凝土性能的影响。对于工业废水必须要经过处理,检验合格之后才可使用。
那么在混凝土配合比设计的过程中,确定单位用水量是必须的。如果是针对普通混凝土,那么这一参数的确定相对较为简单,只要通过坍落度要求、骨料最大粒径以及粗骨料类型等来确定,而高强度高性能混凝土因为掺入了矿物掺合料、高效减水剂等,其用水量的主要影响因素也就会发生变化,那么坍落度的大小在很大程度上也可以通过调整高效减水剂的掺量、矿物掺合料来控制。对于高强高性能混凝土,其用水量与强度通常是成反比,所以可以根据这一关系与混凝土强度等级来估算初次试配的用水量(见表2.3)。
表2.3 高强度高性能混凝土的单位用水量
强度等级 C50 C60 C70 C80 C90 C100
用水量/kg.m3 185 175 165 155 145 135
5. 矿物掺合料
对于高强度高性能混凝土,其粉煤灰掺量一般为15-30%,硅粉约为5-15%(占胶凝材料总重的质量百分数),那么具体掺量需要根据实际的工程混凝土的性能要求,通过试验来进行确定,上述掺量也并不是一个具体的限定值。
6. 高效减水剂
高效减水剂掺量通常主要是介于0.5-2.0%(含固量占了胶凝材料总重的质量百分数),掺有硅粉的混凝土也需要较高剂量的高效减水剂。
7.砂率
砂率对新鲜混凝土的流动性及硬化混凝土的强度均有明显影响。影响砂率的因素除了其自身的细度模数与级配外,还与胶凝材料用量、粗骨料粒径以及施工工艺有关。高性能混凝土中的粗骨料用量一般比中低强度等级混凝土中多一些,当水泥用量较大时,粗骨料用量可相对增多,砂率则相对减小。实际工程中砂率可根据混凝土中的总胶凝材料用量、粗细骨料的颗粒级配以及泵送要求等因素由试验来确定。
表2.4 高强高性能混凝土砂率的选择
砂的类型 胶凝材料用量/kg.m3
 <360 360~420 420~480 480~540 >540
细砂 细度模数:1.6~2.2 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30
中砂 细度模数:2.3~3.0 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32
粗砂 细度模数:3.1~3.7 0.42 0.40 0.38 0.36 0.34
根据研究资料表明,高强度高性能混凝土中最佳的水泥浆/骨料体积比为35/65,而此时可使混凝土的强度、工作性和尺寸稳定性的这几个相互矛盾的要求达到了最佳平衡,特别是可以保证比较好的尺寸稳定性(即弹性模量、干燥收缩和徐变)。砂率的变动也会使骨料的空隙率和表面积发生变化。如果砂率过大,那么骨料的总表面积及空隙率都会增大,这样在胶结浆体不变的情况下,就相对地胶结浆体显得少了,这样减弱了胶结浆体的润滑作用,于是使新拌混凝土的流动性变差。砂率过小,骨料之间的空隙变大,这就需要较多的浆体填充骨料空隙,相应的润滑浆体也减少,工作性降低。所以,就存在一个最优砂率。如图2.2、2.3所示。目前,于是最优砂率的确定还是一个复杂的问题。
一般来说,对于普通混凝土,当浆体得用量一定时,在保证了工作性的前提下,就应该尽量的减少砂率来达到提高混凝土的强度和弹性模量的目的。而高强度高性能混凝土的粗细骨料的分配通常是取决于骨料的级配以及颗粒形状、水泥浆的流变性(这主要体现在水胶比和单位用水量这两个参数上)以及混凝土所需要达到的工作度(坍落度)。通过对大量的国外的典型工程以及实验室配合比的统计的资料表明,R28=60~120MPa的高性能混凝土,砂率大多在34%~44%范围内;R28=80~100MPa的高性能混凝土,砂率主要集中在38%~42%范围内,并且随混凝土强度的增高,砂率也呈现减少的趋势。目前而言,可以根据胶结料用量经验地确定砂率,见表2-5。
       
表2.5 高强度高性能混凝土砂率选用表
胶结料总量(kg/m3) 350~400 400~450 450~500 500~550 550~600
砂率(%) 44~42 41~39 38~36 35~33 32~30
 
3. 高强度高性能混凝土的制备
3.1 高强度高性能混凝土性能指标要求
本次试验拟制备出C100的高强度高性能混凝土。 试验所制备的C100高性能混凝土工作性能应该满足:坍落度应该控制在220±30mm;扩展度D≥500;在2小时内C100高性能混凝土的坍落度损失率≤10%;并且不能离析、不能泌水。其试配强度fcu,28≥115MPa;按照标准来评定合格。其耐久性应该达到:体积的稳定性好,60天的收缩率应该≤3×10-4;抗渗等级也应符合到P35以上;抗冻融的等级也应该在F200以上;氯离子的扩散系数也≤1.5×10-8cm3/s;28天的碳化深度应该≤0.5mm。
3.2原材料的选择
(1) 水泥
采用质量性能稳定的P.052.5水泥,其标准稠度用水量为26.9%,28天抗压强度为59.5MPa,抗折强度为8.9MPa,经过检测,水泥的体积的安定性、凝结时间以及细度等也应该符合GB/T17671-1999的要求。
(2) 骨料
粗骨料主要是石子。石子应该采用表面粗糙的、外形有棱角的、针片状含量低的、级配良好且公称粒径为25mm的山碎石,其含泥量0.3%,针片状含量5.6%,而压碎指标6.3%,也应该满足JGJ53-92标准的要求。
细骨料主要采用砂。砂应该颗粒圆滑,质地坚硬,并且其细度模数2.8,级配良好,且含泥量小于0.4%的中粗河砂,也应该满足JGJ53-92标准的要求。
(3) 拌合水
主要选用自来水作拌合水。
(4) 外加剂
通过优化试验选择聚梭酸系列高效减水剂,其减水率达31.2%,碱含量0.37%,PH值7.1,最佳用量6%。
(5) 矿物掺合料
采用活性含量高、颗粒极细的硅粉和粉煤灰制成的复合掺合料,其比表面积620m2/kg,细度(45 方孔筛的筛余)为3%,SO3含量1.7%,烧失量2.0%,碱含量0.64%。
3.3试验方案
按照目前所配制高强度高性能混凝土的方法及特点,主要采用假定容重法来进行混凝土的配合比设计,并且利用L9(34)的正交表来进行最佳的配合比选择:其中Wn=2520kg/m3,而固定胶凝材料得用量为600kg/m3,外加剂的掺量为胶凝材料用量的1.0%。配制的高强度高性能混凝土的因素与水平的安排如表3-1所示: 混凝土的正交设计以及试验结果见表3-2所示。

表3-1 因素的水平表
水平 因素
 水胶比A 符合料掺量B 砂率C
1 0.31 15 38
2 0.28 20 40
3 0.27 25 42
表3-2 正交设计以及实验结果
序号 水胶比 复合料掺量 砂率 空列 28天抗压强度(MPa) 坍落度(mm) 扩展度(mm) 工作性综合指标
 A B C D    (坍落度X扩展度)1/2
1 1 1 1 1 88.9 88.2 87.3 250 560 373
2 1 2 2 2 94.3 94.4 93.9 255 580 385
3 1 3 3 3 95.4 94.9 95.6 250 600 388
4 2 1 2 3 108.1 109.2 107.9 250 550 372
5 2 2 3 1 115.3 114.8 115.2 255 600 393
6 2 3 1 2 116.8 116.9 117.3 260 600 395
7 3 1 3 2 119.9 119.8 119.5 240 580 373
8 3 2 1 3 118.4 118.3 118.4 260 600 398
9 3 3 2 1 124.3 124.5 124.2 240 600 379
3.4试验结果分析
(1) 3个因素对混凝土28天抗压强度的影响程度之中,水胶比的影响也就非常显著,掺合料的掺量的影响次之,但也属于“非常显著”的范围,砂率对于强度影响并不显著(见表4-4);
(2) 如果采用水胶比0.28和0.26,所配制的混凝土的28天抗压强度都可达到所要求的配制强度,如果采用水胶比0.30,则所配制的混凝土28天的抗压强度较低;
3) 3个因素对于混凝土的坍落度的影响都不是特别显著,但是其复合料的掺量对于混凝土的扩展度的影响都非常显著,而砂率的影响次之,水而胶比对扩展度虽然有影响但不显著(见表4-5);
(4) 对工作性的影响程度之中,复合料的掺量的影响就会非常显著,砂率的影响也比较显著,而水胶比在0.26-0.30范围内变化,对于工作性的影响并不显著(见表4-6);
(5) A3B3C2组合的配合比混凝土28天抗压强度最高,流动性也好;工作性较好的组合是A3B2C1和A2B3C1,砂率SP选36%较为适宜,综合考虑混凝土强度和拌合物的工作性,确定配合比结果见表3-3。
表3-3 C100高性能混凝土的配合比
水胶比 砂率 % 水泥 kg/m3 砂kg/m3 石kg/m3 外加剂kg/m3 复合料kg/m3
0.25 37 450 613 1093 6.0 150
 
4 高强高性能混凝土的力学性能分析
4.1混凝土拌合物性能
C100级混凝土除了具有足够高的强度以外,还应该具有良好的流动性和一定时间的保持性,于是对新拌混凝土进行坍落度、排空时间和5小时内的坍落度损失进行了试验,试验结果如表4-1。
表4-1 C100混凝土拌合物的工作性能
混凝土强度等级 坍落度(mm) 扩展度 排空时间 含气量
 0h 1h 2h 3h 4h 5h mm S %
C100 250 250 245 245 240 235 600 12 0.50
C100 255 255 250 245 240 240 600 15 0.56
C100 260 260 260 255 245 240 620 10 0.74
试验结果表明:C100混凝土在5小时之内的混凝土的坍落度损失在20mm以内的排空时间在105~155以内,这样就具有较大的流动性;而新拌得混凝土其含气量也低于1.0%,密实度好。
因此,试验证明,C100混凝土具有良好的工作性。
4.2硬化混凝土力学性能
(1) 立方体抗压强度
按照已经确定的配合比重复的进行了14次立方体的抗压强度试验,验证了该配合比的稳定性,试验结果见表4-2。
表4-2 C100高性能混凝土的抗压强度
序号 抗压强度(MPa) 序号  抗压强度(MPa)
 3d 7d 28d 60d  3d 7d 28d 60d
1 50.8 105.7 127.6 128.3 8 48.3 105.6 123.2 128.6
2 61.5 103.2 120.5 122.3 9 62.2 99.3 119.5 127.4
3 70.3 105.4 126.3 130.1 10 57.9 101.5 118.7 123.6
4 60.1 105.8 120.5 126.4 11 59.4 101.5 125.8 128.3
5 65.8 80.3 120.6 122.3 12 54.3 98.5 113.2 115.7
6 49.9 97.7 117.9 124.7 13 60.2 102.8 110.8 125.9
7 60.2 101.2 120.6 121.4 14 58.0 98.4 129.5 129.9
从上述的试验结果可以看出,该配合比的重现性非常好,采用以上的原材料以及配合比所配制出的混凝土28天抗压强度能稳定的达到115MPa以上,而且混凝土坍落度大,流动性也很好,该配合比的重现性也很好,所以该配合比可以用来配制C100高性能混凝土。
(2) 强度发展规律试验
为了寻求C100高性能混凝土的强度的发展规律,分别将3d、7d、28d以及60d的不同龄期的混凝土试块的立方体的抗压强度的试验数据在坐标图之中描出,然后进行了强度曲线回归,如图4.3。
回归曲线的相关系数为0.937,这表明了试验的结果具有良好的相关性。
从试验的结果还可以看出:混凝土在28d前(尤其是7d前)其强度的增长比较迅速和明显;在28d以后,其强度依然会继续增长,但是比起早期增长则较为缓慢。
 
(3)其它力学性能
C100高性能混凝土的其它的力学性能主要见表4-4。
表4-4 C100高性能混凝土的力学性能数据
 立方体抗压强度 轴心抗压强度fcu 劈拉强度fcc 抗折强度ff 静弹性模量fts fcc/fcu ff/fcu fts/fcu
30天 115.4 88.1 7.02 11.2 56712 77.4 6.3 9.2
  90.2 7.10     
平均值  89.2 7.06     
由上表可以看出,C100混凝土的轴压比为0.078,这与普通混凝土的较为接近拉压比达到了6.1%,且比普通混凝土略低,但是显示的规律是一致的;静弹性模量也高于《高强高性能混凝土结构设计与施工指南》中给出的数值。
4.3耐久性能试验研究
高强度高性能混凝土的发明理念是,当混凝土劣化的外部条件存在的时候,使得混凝土本身密实就不产生原生裂缝,而硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝,同时也减少混凝土内部受侵蚀的组分,这样就可以保证高性能混凝土的耐久性。目前常用抗渗(水)性来评价混凝土抵抗介质侵入的能力,而采用抗冻融循环来评价混凝土的抵抗物理作用劣化的能力,采用抗碳化的性能来评价混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力。
(1) 收缩性能
表4-5 C100混凝土的收缩实验数据
试件编号 收缩率(X10-6) 备注
 3d 7d 14d 28d 45d 60d 90d 
1 —— 30 50 71 89 101 112 水中养护三天
2 33 42 62 83 98 123 132 水中养护1天
混凝土的收缩性能是指混凝土在规定温度湿度条件下不受外力作用引起的长度变化。为了测定混凝土的早期收缩,将两组100×100×515mm试件分别在水中养护1天和3天;再放在温度20 3℃、相对湿度(60±5)%的恒温恒湿室测量其长度变化,试验数据如表4-5所示。
试验结果表明:由于C100混凝土掺入了大量的优质矿物掺合料,尤其是添加了粉煤灰,提高了混凝土密实性,使混凝土在实现高强度的同时具备了良好的体积稳定性。
(2) 抗渗性能
混凝土的抗渗性能是反映混凝土耐久性的重要指标之一。为了验证C100混凝土的抗渗性能,按照标准试验方法进行抗渗性试验。本次试验表明,由于C100高性能混凝土具有良好的密实性,抗渗等级达到535仍未出现渗水现象,适合于地下工程结构和自防水结构混凝土。
(3)氯离子扩散试验
混凝土中孔溶液的Ph>10时,如果钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值,就会破坏钢筋表面的钝化膜,使钢筋局部活化形成阳极区。钢筋一旦失钝,氯离子的存在就会使钢筋局部酸化,导致锈蚀速度加快。对C100高性能混凝土进行了氯离子扩散试验,并和C30普通混凝土进行对比,试验结果见表4-6。
表4-6 C100混凝土的氯离子渗透的试验数据
强度等级 氯离子扩散系数(X10-8cm2/s)
 1 2 3 均值
C30C100 24.91.15 28.40.87 28.21.03 27.31.01
实验数据表明,C100高性能混凝土的氯离子扩散系数明显低于C30普通混凝土。
(4)  混凝土的抗碳化试验
空气中的CO2不断向混凝土内部扩散,且溶于毛细孔的空隙水中呈弱酸性;溶于水的CO2与水泥碱性水化物Ca(OH)2发生反应,生成不溶于水的CaCO3使混凝土孔溶液的pH值降低,这种现象称为中性化,又称碳化。当混凝土的Ph<10时,钢筋的钝化膜破坏,钢筋要发生锈蚀。钢筋生锈后的体积要比原来钢筋的体积膨胀2.5倍,因此会导致混凝土开裂,与钢筋的粘结力降低,混凝土保护层剥落,钢筋断面发生缺损,严重影响混凝土结构的耐久性。
将四组C100混凝土试件按照规定龄期放入CO2浓度(20士3)%、温度(20士5)℃、湿度(70士5)%的碳化箱中加速碳化,测得d3、d7、14d、2d8混凝土的碳化深度均为零。试验结果表明C100混凝土的密实性好,具有较高的抗碳化能力。
(5)抗冻融性能
混凝土的抗冻融性能是指其在饱和状态下遭受冰冻时,抵抗冰冻破坏的能力,它是评定混凝土耐久性的重要指标。将100 100 400mm的C100高性能混凝土试件进行了快冻法试验,试验数据见表4-7。
表4.7 C100高性能混凝土冻融的试验结果分析
次数 相对动弹性模量(%) 失重率(%)
 试件1 试件2 试件3 平均值 
D350次冻后 93.9 93.5 93.6 93.5 0
D400次冻后 93.2 93.4 93.5 93.5 0
D600次冻后 92.5 92.7 92.9 92.7 0
试验结果表明,由于C100混凝土水胶比小,强度高,结构致密,所以抗冻融性能好。经过500次冻融循环后,失重为0,相对动弹性模量仍保持92.7%,远远优于普通混凝土。因此,C100高性能混凝土具有良好的耐久性能。
总体而言,可以得出以下结论:
(1)通过采用洁净、界面条件好的碎石,新型高效减水剂,加入硅粉和粉煤灰的优质矿物掺合料,可以使混凝土密实性以及水泥基材与骨料界面的粘结强度都不同程度地得到了改善,混凝土抗折强度、轴心抗压强度、劈拉强度也随着混凝土抗压强度的提高而提高,即脆性降低、韧性提高,基本上克服了高强混凝土脆性较大的缺点,主要参数与普通混凝土相近。
(2) 配制高强度高性能混凝土,粉煤灰是优选的活性材料,由于粉煤灰具有“形态效应”、“活性效应”、“微集料效应”三重效应,在胶凝材料一定的前提下,粉煤灰取单用水泥作胶凝材料很难配制出C100以上的高性能混凝土。
(3)在配制C100以上的高强度高性能混凝土时,硅粉和粉煤灰二者配掺能补偿普通水泥混凝土及单掺硅粉或粉煤灰混凝土之不足,很好地利用两种活性粉料在效应、掺用技术等方面的异同点,二者具有相容、弥合关系,可使混凝土早期强度明显增加,并有利于后期强度的持续增长,充分利用材料资源,体现了显著的技术及经济效益。但硅粉的掺量不宜过大,以30-60kg/m3为宜,约占胶凝材料重量的5-10%。
4.4 收缩变形研究
4.4.1 混凝土收缩机理
收缩对于混凝土在凝结硬化过程而言是自发的,所以不可避免的要产生的体积变形。如果当收缩处于自由状态时,那么就会对混凝土不会产生不良后果,但是在实际工程中,混凝土由于受到了基础,钢筋一级其他相邻部分的牵制从而处于不同程度的约束状态,所以,混凝土的收缩就会在混凝土中产生拉应力,而如果当这种拉应力超过混凝土的抗拉强度以后,混凝土就会产生裂缝。况且,混凝土内集料的存在,那么会约束水泥基相的收缩,这样就会引起混凝土的水泥石内也会产生裂缝。所以说,收缩是混凝土产生裂缝的最主要因素之一。
对于混凝土而言,如果水胶比越低,那么用水量越少,这样就能够提供水泥水化的自由水量越小,并且高强和超高强混凝土的早期强度发展快,所以消耗的水多,所以,在早期,高强和超高强混凝土的自干燥发展将很快。
那么随着高强高性能混凝土的发展,因为减水剂和矿物掺合料在混凝土之中的应用越来越广泛,所以混凝土的水胶比越来越低,那么胶凝材料用量也相应较多,所以,高强度高性能混凝土的收缩也就会与普通混凝土有着显著的差异。这样在普通混凝土中,自收缩占的比例很小,同时比干燥收缩小很多,所以普通混凝土的干缩是主要的,而对于高强度高性能混凝土,因为水胶比的降低,其自收缩问题比较突出,而水灰比为0.4的自收缩占总收缩的40%;这样水灰比比为0.3时的自收缩占50%;而如果水胶比为0.17时(掺入硅灰)的自收缩占100%。
化学减缩的产生主要是因为水泥水化后,其固相体积增加,但是水泥——水体系的绝对体积也会减少。有研究曾经表明,100g水泥与33ml水拌成的水泥浆体,硬化后的体积收缩总量为7%~9%。尽管高强度高性能混凝土的胶凝材料总用量要比普通的混凝土的多,但由于其水胶比小,则水化程度受到制约,故高强度高性能混凝土的化学减缩量就比普通混凝土的小。
塑性收缩主要是指混凝土浇注成型后,那么硬化前的塑性阶段,因为混凝土表面失水从而产生的收缩,而混凝土在新拌状态下,其拌和物中颗粒间充满着水,如果养护不足,这样表面的失水速率就会超过内部水向表面迁移的速率时,这样就会造成毛细管中产生负压,于是使浆体产生塑性收缩。高强度高性能混凝土的水灰比很低,其自由水分少,而表面水分蒸发快,所以高强度高性能混凝土要比普通混凝土更容易产生塑性收缩。
温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高,最终又冷却到环境温度时产生的收缩。高强度高性能混凝土虽然胶凝材料总用量大,但在掺入矿物掺和料后,其水泥熟料相应减少,这样水泥水化总热量也减少,继而就会降低混凝土的温升。
干燥收缩主要是指混凝土在停止养护后,由于在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水从而发生的不可逆收缩,干燥收缩是会随着环境的相对湿度的降低,其水泥浆体的干缩增大。
碳化收缩主要是由于混凝土表面的水泥水化产物的中性化反应从而伴随的体积收缩,自收缩主要是在密封的混凝土内部相对湿度会随水泥水化的进行从而降低叫自干燥,而自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生压力差:
 
式中, 是毛细孔内外的空隙差; 是毛细孔水表面张力; 为水和毛细孔壁的接触角;r为毛细孔水水力半径。
干燥收缩拌随体系质量的减少,而自干燥收缩是体系在恒温恒重下产生的。
对于普通混凝土,其水灰比较高,这部分收缩较小。Dvasi HE测定大体积的工混凝土内部自收缩,龄期一个月时为40×10-6,五年以后为100×10-6,这样的收缩比干燥收缩小得多,在普通混凝土的实际应用中将其包括在总的收缩以内。
但对于高强度高性能混凝土来说,水胶比很低,能提供水泥水化的自由水分少,较高的早期强度发展率会使自由水消耗较快。根据宫泽伸吾等的实验结果,水灰比为0.4时,自收缩占总收缩的40%;水灰比为0.3时,自收缩占总收缩的50%;水胶比为0.17时,自收缩占总收缩的100%。
按照GBJ82-85测试普通混凝土收缩的方法要求,试件在3天龄期时才测定其初始长度,而高性能混凝土的自收缩开始于水化速率较快的早期,根据严吴南、蒲心诚等对超高强混凝土的化学收缩及干缩研究表明,混凝土的早期收缩较大,到3天龄期,则势必会漏测早期收缩,使混凝土的总收缩值偏小。在本研究中,则采取24小时脱模后立即将试件移至恒温恒湿的试验室内,尽快粘上测头,测量其试件的初始长度,则所测得的收缩为总收缩,包括干燥收缩和1天以后的自收缩。试件尺寸为100×l00×50mm,室温为20±3℃,相对湿度为60×5%。
4.4.2 水胶比对混凝土收缩的影响
在对高强度高性能混凝土的碳化性能影响的因素中,水胶比的影响应该是十分重要,水胶比的降低不仅仅直接影响高强度高性能混凝土的强度,其强度的提高有利于混凝土的抗碳化能力的提高,并且能够影响混凝土的致密性。但是黄士元认为:预测高强度高性能混凝土的抗碳化性能的其最可靠的参数主要是水灰比,而不是水胶比。由于水灰比主要反映了混凝土之中的水泥用量的多少,水泥用量大多数水化生成的可碳化物质多,而混凝土抗碳化能力强;其水泥用量少,那么水化生成的可碳化物质就少,这样混凝土抗碳化能力就弱。本人认为,加入只是考虑水灰比,那么就会忽略强度的影响,由于高强度高性能的混凝土之中的强度的发展不仅仅是与水泥用量的多少有关,而且还与粉煤灰的火山灰活性反应的快慢,则水胶比的大小等有关。冯乃谦等认为:水胶比为0.25时,高强度高性能的混凝土几乎都不会碳化。也有学者认为,混凝土的碳化速度和抗压强度都呈强负相关关系。
高强度高性能混凝土随着龄期的增长,其强度不断提高,特别是掺加了矿料的混凝土,其后期强度的增长也快于基准混凝土强度的发展,那么其抗碳化能力就应该从两个方面考虑,第一个是水泥用量的多少也反映了水化生成的可碳化物质的多少,从另一方面而言也不能忽略其强度发展的特点,其强度的不断提高,这样就会使混凝土更加致密,其抗碳化能力不断改善,而水胶比的降低也能够有效地提高大掺量粉煤灰混凝土的强度。
由于混凝土的碳化都是气态的CO2通过高强高性能混凝土的孔隙,主要是向多孔的混凝土固体的内部不断扩散渗透的过程,但是水胶比的降低都会增加凝土的致密性,这样有利于浆体中毛细管的闭塞,不利于CO2气体能够在高强度高性能混凝土中的扩散,这样就能够降低混凝土的碳化速度。Powers Copeland和Mann研究了水灰比与水泥净浆中毛细管充分闭塞所需时间的关系,见表4.8。从表中看出,水灰比降低,连通的毛细孔封闭所需的时间缩短。
表4.8 水灰比和净浆毛细孔关闭所需要的时间
水灰比 水泥净浆在标养条件下,连通的毛细孔关闭所需的时间
0.40 3天
0.45 7天
0.50 14天
0.60 6个月
0.70 1年
>0.70 不可能
以下针对粉煤灰掺量为50%~70%的高强度高性能混凝土进行了掺加粉煤灰的快速碳化试验。该种混凝土水胶比从0.30降到0.25、0.22(配比及强度见表3.7),分别对养护28天、56天的混凝土进行试验,试验结果见表4.9,并且与文献12中的试验数据(见表4.9)进行对比分析。
表4.9 高强度高性能混凝土不同水胶比的碳化深度
编号 胶凝材料的组成(%) 水胶比 不同龄期不同时间的碳化深度(mm)
   养护28天 养护56天
 水泥 粉煤灰  3d 7d 14d 28d 3d 7d 14d 28d 56d
1-1 50 50 0.30 4.2 5.7 7.3 8.7 4.0 5.4 6.9 8.3 9.9
1-2 40 60  6.1 9.4 11.5 13.2 5.7 9.1 11.1 12.9 10.0
1-3 30 70  8.7 12.5 14.2 15.6 8.5 12.1 14.0 15.2 17.6
2-1 50 50 0.25 4.2 5.6 6.4 7.6 4.2 5.2 6.3 7.4 9.1
2-2 40 60  5.3 6.7 8.5 9.5 5.1 6.1 8.3 9.4 10.2
2-3 30 70  6.8 8.3 10.2 11.4 6.3 8.1 10.2 11.2 12.2
3-1 50 50 0.22 3.2 5.4 6.5 7.2 3.1 5.2 6.3 7.3 8.4
3-2 40 60  4.6 6.7 8.5 9.4 4.2 6.3 8.2 9.4 10.2
3-3 30 70  6.3 8.7 9.4 10.4 6.3 8.4 9.3 10.2 11.4
从表4.9中可以看到,高强度高性能混凝土在养护龄期28天时,随着水胶比的降低,在碳化28天之后的碳化深度就会明显减小,而水胶比为0.37的粉煤灰混凝土的试验结果,与0.30、0.25水胶比,以及粉煤灰掺量50%、60%的混凝土的碳化深度比较,其碳化的深度减小很明显。而如果粉煤灰掺量在70%,该种混凝土,水胶比从0.30降到0.25、0.22,那么其碳化深度就会从15.3rnrn降到11.4mm、10.8mm。当从28天养护到56天龄期时,高强度高性能混凝土的强度增长不大,所以其抗碳化能力的改善也就不明显,由此可以说明,高强度高性能混凝土抗碳化能力与其强度的发展密切相关。
对于不掺粉煤灰的基准混凝土,在所进行的试验之中都不能测到其碳化深度。随着粉煤灰掺合料掺量的增加,高强度高性能混凝土的碳化深度不断增大,粉煤灰掺量小于30%以下、水胶比小于0.25时,混凝土的碳化深度增加就很少;而如果当粉煤灰掺量大于40%以上,则其碳化深度增加较快。降低水胶比,提高混凝土的强度是提高高强度高性能混凝土的抗碳化能力的有效措施。但即使当混凝土的强度与基准混凝土的强度一致时,其碳化的深度也要大于基准混凝土的碳化深度,这是因为大量掺量掺合料的混凝土强度提高,虽然有利于阻止CO2在混凝土中的扩散,而混凝土内可碳化物质减少,这样就会使混凝土碳化深度加大。
4.4.3 高强度混凝土pH值变化规律
混凝土pH值的大小可以反映混凝土中碱的储备量。随着掺合料掺量的增加,混凝土中水泥用量的减少,水泥水化产生的Ca(OH)2的量降低;又因为粉煤灰的二次水化反应还要消耗Ca(OH)2,就会使混凝土中Ca(OH)2的量进一步降低,因此混凝土的pH值也要减小。关于混凝土中加入矿物掺和料后,浆体pH值的变化规律,有不少的学者进行研究,德国RWTH建筑研究所测试了四种拌和物浆体内的Ca(OH)2含量和挤出孔溶液的pH值。这四种拌和物是硅酸盐水泥、掺60%的粉煤灰的硅酸盐水泥、掺25%的硅灰的硅酸盐水泥、掺40%粉煤灰+15%硅灰的硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥拌和物内的Ca(OH)2:含量随龄期的增加而增长,到182天达到最大,大约每100g水泥有24g Ca(OH)2;掺入60%的粉煤灰后,拌和物的Ca(OH)2含量减少很多;当掺入高反应性火山灰掺和料一如硅灰,当掺量达到25%时,在半年时间将消耗混凝土中全部的Ca(OH)2;而掺人40%粉煤灰和15%硅灰时混凝土中的Ca(OH)2含量在28天后减少到零,说明硅灰将更快地消耗掉水泥水化生成的Ca(OH)2。氢氧化钙在水中达到饱和浓度仅需1.65,pH值可达到12.64(20℃)。德国RWTH建筑研究所用从水泥浆中挤出孔溶液,测试孔溶液的pH值发现硅酸盐水泥的pH值基本不变,粉煤灰掺量60%时pH值降低很少,只在28天到91天时降低,且孔溶液的pH值在13.5左右,与之相比,硅灰则使碱度显著下降。
本研究试验测试了随粉煤灰掺合料掺量的增加净浆的pH值的变化。测试方法采用的是溶出法测试净浆的pH值,即用粉煤灰掺量为胶凝材料用量的20%~70%配制的净浆,养护到一定龄期,磨细至全部通过4900孔的筛,称样10g左右,加10倍的蒸馏水,充分搅拌,静置30分钟,取上部清夜倒入一小烧杯中,用PHS-3C型精密pH仪测定其pH值。结果见表4-10。
表4-10 不同残两下的净浆龄期的pH值
编号 胶凝材料的组成(%) 水胶比 测试龄期
 水泥 粉煤灰  3d 7d 14d 28d 56d 183d 1年 4年
1 0 100 0.25 12.59 12.54 12.62 12.78 12.73 12.83 12.64 12.47
2 20 80  12.58 12.36 12.42 12.54 12.74 12.58 12.35 12.33
3 30 70  12.54 12.34 12.39 12.48 12.74 12.52 12.31 12.33
4 40 60  12.53 12.39 12.43 12.32 12.53 12.42 12.37 12.33
4.4.3 高强高性能混凝土收缩性能
一般认为,在混凝土中掺入优质的粉煤灰能使混凝土的干缩率小于基准混凝土,因为粉煤灰结构致密,内比表面积小,对水的吸附能力也小,需水量降低,可以降低粉煤灰水泥的干缩率。混凝土的自收缩随粉煤灰掺量的增加而减小;优质的掺合料不仅减少了混凝土中的毛细孔的数量,而且毛细孔尺度也相应细化,前者降低了混凝土收缩值,后者使收缩值有所增大,两种作用综合的结果最终使混凝土干缩变形减少。有人认为粉煤灰再复合超细粉(掺量在40%、50%)可以大大降低混凝土的干缩率,提高其体积稳定性;掺入粉煤灰与矿渣粉的混凝土掺入量越大,早期的收缩越小;矿粉与粉煤灰得复掺的抗收缩效果比单掺矿粉或粉煤灰的显著;另一种认为低钙粉煤灰掺量为55-60%的混凝土与同等级普通混凝土相比收缩率相差不大,粉煤灰对混凝土收缩的作用无“正”也无“负”的影响,所以混凝土的干燥收缩能够不受粉煤灰掺量和种类的影响;也有人认为粉煤灰混凝土的收缩大于基准混凝土。
在进行高强高性能大掺量粉煤灰混凝土的收缩研究时,水胶比选择0.3和0.25,粉煤灰掺量为50%、60%和70%。大掺量粉煤灰混凝土早期的收缩是最大的,3天、7天、14天、28天到56天的收缩相当快,以后趋于变慢。但无论是水胶比为0.3还是0.25,粉煤灰混凝土的收缩值均小于基准混凝土的收缩值。可以认为粉煤灰的掺人减少了混凝土的收缩,这主要是粉煤灰的掺人一方面降低了混凝土因温升而产生的温度收缩,另一方面是由于粉煤灰水化初期速度慢,可以使低水胶比的高强高性能混凝土开始硬化时的实际水胶比增大,水泥水化条件改善。另外,粉煤灰还兼有增塑效应和密实效应,都能有效地减少混凝土特别是高强高性能混凝土的收缩。


 
5. 结论
(1) 对混凝土28天抗压强度的影响程度之中,水胶比的影响也就非常显著,掺合料的掺量的影响次之,但也属于“非常显著”的范围,砂率对于强度影响并不显著。
(2) 如果采用水胶比0.28和0.26,所配制的混凝土的28天抗压强度都可达到所要求的配制强度,如果采用水胶比0.30,则所配制的混凝土28天的抗压强度较低。
3)对于混凝土的坍落度的影响都不是特别显著,但是其复合料的掺量对于混凝土的扩展度的影响都非常显著,而砂率的影响次之,水而胶比对扩展度虽然有影响但不显著。
(4) 对工作性的影响程度之中,复合料的掺量的影响就会非常显著,砂率的影响也比较显著,而水胶比在0.26-0.30范围内变化,对于工作性的影响并不显著。
(5) A3B3C2组合的配合比混凝土28天抗压强度最高,流动性也好;工作性较好的组合是A3B2C1和A2B3C1,砂率SP选36%较为适宜。
(6) 从试验的结果还可以看出:混凝土在28d前(尤其是7d前)其强度的增长比较迅速和明显;在28d以后,其强度依然会继续增长,但是比起早期增长则较为缓慢。
(7)通过采用洁净、界面条件好的碎石,新型高效减水剂,加入硅粉和粉煤灰的优质矿物掺合料,可以使混凝土密实性以及水泥基材与骨料界面的粘结强度都不同程度地得到了改善,混凝土抗折强度、轴心抗压强度、劈拉强度也随着混凝土抗压强度的提高而提高,即脆性降低、韧性提高,基本上克服了高强混凝土脆性较大的缺点,主要参数与普通混凝土相近。
(8) 配制高强度高性能混凝土,粉煤灰是优选的活性材料,由于粉煤灰具有“形态效应”、“活性效应”、“微集料效应”三重效应,在胶凝材料一定的前提下,粉煤灰取单用水泥作胶凝材料很难配制出C100以上的高性能混凝土。
(9)在配制C100以上的高强度高性能混凝土时,硅粉和粉煤灰二者配掺能补偿普通水泥混凝土及单掺硅粉或粉煤灰混凝土之不足,很好地利用两种活性粉料在效应、掺用技术等方面的异同点,二者具有相容、弥合关系,可使混凝土早期强度明显增加,并有利于后期强度的持续增长,充分利用材料资源,体现了显著的技术及经济效益。但硅粉的掺量不宜过大,以30-60kg/m3为宜,约占胶凝材料重量的5-10%。
 
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