高強與超高強混凝土配制技術(shù)

中國商品混凝土網(wǎng) · 2009-07-01 00:00 留言
摘要:闡述了研究開發(fā)高強與超高強混凝土的重大意義,提出了制備技術(shù)和途徑,說明了主要原材料及其性能要求。

關(guān)鍵詞:高強與超高強混凝土;制備;材料性能 

  引言

  混凝土是人類最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料,其發(fā)展可以劃分為低強低耐久混凝土、高強混凝土和高性能混凝土三個階段。從我國目前的生產(chǎn)力發(fā)展水平、混凝土配制技術(shù)、施工性能、設(shè)計和使用要求、施工機械及操作水平來看,目前正處于高強混凝土的配制和使用階段,這一時期還將經(jīng)歷很長一段時間。因此,充分利用地方資源,研究優(yōu)質(zhì)實用的高強或超高強混凝土配制技術(shù),全面提高混凝土的生產(chǎn)和使用水平,是建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。

  1  研究、開發(fā)、應(yīng)用高強與超高強混凝土的重大意義

  隨著人類社會的發(fā)展和進步,人類有能力拓展生存的空間。目前,人們正在向高空、地底及海洋進軍,現(xiàn)代建筑物越來越高層化、大跨化、輕量化;在海洋深處建造大型結(jié)構(gòu)物,在海面上建造巨大的工作平臺;越來越多的跨大江、深谷、海峽的大跨度橋梁和海底隧道在建造。所有這些,都要求混凝土的質(zhì)量越來越高。因此,高強度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料發(fā)展的方向。

  目前,一般認為C 50~C 90屬高強混凝土范疇,C 100及以上強度等級是超高強混凝土。與普通混凝土相比,研究應(yīng)用高強與超高強混凝土具有下列優(yōu)越性:

 ?。?)有效地減輕結(jié)構(gòu)自重。鋼筋混凝土的最大缺點是自重大,在一般的建筑中,結(jié)構(gòu)自重為有效荷載的8~10倍。當混凝土強度提高時,結(jié)構(gòu)自重降低。一些世界著名的專家預(yù)言,80 %~90 %的鋼結(jié)構(gòu)工程可用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替,當混凝土強度達到100 MPa時,可以設(shè)計成的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)當與鋼結(jié)構(gòu)一樣輕,因為這時二者的比強度(強度與質(zhì)量的比值)大致相等[1]。

 ?。?)大幅度提高混凝土的耐久性。高強與超高強混凝土由于強度的提高、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的改善以及膠凝物質(zhì)相組成的優(yōu)化,其耐久性得到很大的改善。

 ?。?)節(jié)約材料和能源,降低建筑成本。

  可見,使用高強與超高強混凝土可以獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟效果。因此,研究開發(fā)高強與超高強混凝土具有重大的意義。

  2  制備高強與超高強混凝土的技術(shù)途徑

  眾所周知,混凝土是一種典型的堆聚結(jié)構(gòu)工程材料,具有大量的不同尺寸和開始的內(nèi)部缺陷。由于混凝土的組分(水化新生物、未徹底水化的熟料顆粒、堅固的大小巖石集料)和結(jié)構(gòu)元件(水泥石、砂漿組分、接觸區(qū))彼此在強度特性、變形特性和物理性能方面有明顯的差異[2],混凝土的實際強度比理論強度材料彈性模量E低10-3個數(shù)量級,這是由于混凝土在受外部作用時應(yīng)力狀態(tài)很不一致,具有大量的應(yīng)力集中現(xiàn)象所致。因此,研制高強與超高強混凝土,是建立在降低材料結(jié)構(gòu)缺陷并提高其密度、增強組分的強度和形變性以及減少其內(nèi)部應(yīng)力集中基礎(chǔ)之上的。曾經(jīng)或正在研究的制備高強與超高強混凝土的技術(shù)路線有以下幾條。

  2.1  干硬性高強與超高強混凝土

  這一路線是在發(fā)明高效減水劑之前,采用強制攪拌和沖壓及振動軋壓等成型手段獲得。由于工作環(huán)境惡劣,主要在制品廠、軌枕生產(chǎn)廠、橋梁廠使用,可獲得C 80~C 150范圍的高強及超高強混凝土。

  2.2  高標號水泥+超細礦物摻合料+高效減水劑

  這一路線是目前國際上較通用的技術(shù)路線。在普通混凝土中,為了保證混合料的施工和易性,其用水量(占水泥重量的50 %~70 %)比水泥水化所需的水量(水泥重量的15 %~20 %)大得多。多余的水在水泥硬化后蒸發(fā),在水泥石和水泥石集料界面區(qū)域形成大量的各種孔徑的孔隙,以及因泌水、干縮等所引起的微管和微裂縫,這些缺陷是導(dǎo)致混凝土強度下降和其它性能指標低的根本原因。因此,摻加高效減水劑、降低水灰比是一項行之有效的重要措施。

  改善水泥石中水化物的相組成,提高其質(zhì)量,是制備高強與超高強混凝土的另一重要課題。眾所周知,水泥水化后形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣及氫氧化鈣。其中水化硅酸鈣數(shù)量眾多,也最為重要。但由于水泥水化形成的大多是高堿性水化硅酸鈣,與低堿性水化硅酸鈣相比,前者強度低,后者強度高;同時存在的f CaO強度極低,穩(wěn)定性很差。因此,在制備高強與超高強混凝土時,要設(shè)法降低高堿性水化硅酸鈣的含量,提高低堿性水化硅酸鈣含量,同時盡量消除f CaO.其方法是在混凝土中摻入活性礦物摻料,使其含有的活性SiO2、Al2O3與f CaO及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應(yīng),生成低堿性水化硅酸鈣,以增加膠凝物質(zhì)的數(shù)量,改善其質(zhì)量。

  2.3  高強與超高強堿礦渣混凝土

  這一路線是采用磨細的高爐礦渣并加入堿組分獲得。當用第一主族元素(Li、Na、K)的化合物進行激發(fā)時,礦渣的水硬活性極佳。由于堿金屬化合物能在水中迅速離解成大量具有強大離子力的OH-離子,在離子力的作用下,礦渣玻璃體的結(jié)構(gòu)很快解體并發(fā)生水化,產(chǎn)生大量的低堿性水化硅酸鈣和堿金屬水化鋁酸鹽膠凝物質(zhì),進而形成水泥石硬化體。根據(jù)重慶建筑大學蒲心誠教授等人的研究,采用這一路線,可以制成超快硬(1 d抗壓強度達70 MPa)、超高強(28 d抗壓強度達120.4 MPa)、高抗?jié)B(抗?jié)B標號>S 40)、高抗凍(達1 000次凍融循環(huán)以上)、高抗蝕的堿礦渣混凝土,而且其它性能優(yōu)異,水化熱低,成本也不高。雖然目前不少人對其先進性、適宜性、可靠性和經(jīng)濟性尚不了解,但可以預(yù)見,高強與超高強堿礦渣混凝土將成為21世紀的一種新型混凝土。

  2.4  灰砂硅酸鹽混凝土

  采用鈣質(zhì)原料和硅質(zhì)原料等混合磨細,用高溫蒸壓方法制備,可獲得100~150 MPa的高強混凝土。該混凝土水泥石主要由水化硅酸鹽組成。這一路線主要用于制管和制樁生產(chǎn)中。 [Page]

  2.5  有機無機復(fù)合混凝土

  制備聚合物浸漬混凝土、聚合物水泥混凝土以及聚合物膠結(jié)混凝土,使混凝土進入了使用有機無機復(fù)合膠結(jié)材和高分子有機膠結(jié)材的新階段。聚合物進入混凝土膠結(jié)料中,可大大提高混凝土的物理力學性能。如聚合浸漬混凝土的抗壓強度和抗拉強度較其基材可提高2~4倍,有很強的耐腐蝕性能,幾乎不吸水、不滲水,抗凍融循環(huán)在1 000次以上。但這種路線制得的高強與超高強混凝土因成本高,且工藝與常規(guī)不同,只在特殊場合使用。

  3  制備高強與超高強混凝土的原材料及其性能要求

  采用目前國際上通用的技術(shù)路線制備高強與超高強混凝土所用的材料是:水泥、集料、水、摻合料以及化學外加劑。這些原料的質(zhì)量和性能,對高強與超高強混凝土的質(zhì)量和性能具有很大的影響。
  3.1  水泥

  通常使用硅酸鹽水泥與早強硅酸鹽水泥。其中對水泥的品質(zhì)和強度有如下的建議:

 ?。?)使用525及更高標號的硅酸鹽水泥;    (2)由于高強與超高強混凝土中水泥用量一般在500~700 kg/m3,水化熱高,因而需開發(fā)低水化熱的水泥。即水泥中C2S比例增大些,而C3S及C3A量減少些;

  (3)水泥的質(zhì)量穩(wěn)定,C3S的含量波動4 %,燒失量0.5 %,硫酸鹽的波動范圍0.20 %.

  3.2  集料

  在一般的混凝土中,不同類型集料對抗壓強度的影響不大。但在高強與超高強混凝土中,集料的差異對混凝土的強度影響很大。一般來說,采用碎石比卵石有利,其原因不僅由于集料的密度及吸水率不同,而且也由于集料的強度以及粘結(jié)強度不同。

 ?。?)建議所采用集料的母巖強度>1.7倍混凝土強度(如用玄武巖、輝綠巖作超高強混凝土集料);

  (2)粗集料粒徑不能過大,一般建議為10~19 mm,且形狀好、級配佳;

 ?。?)細集料也應(yīng)盡量要求強度高、級配好、含泥量少;

  (4)粗集料常用壓碎指標值來要求,不少專家建議細集料也應(yīng)用類似于壓碎指標的破碎度來要求。通過試驗,確定壓碎指標(或破碎度)與混凝土抗壓強度之間的相關(guān)性;
 
  (5)集料的彈性模量宜高些;

 ?。?)細集料以采用中砂為好,但特細砂經(jīng)過試驗確定配比后也可用。

  3.3  摻和料

  高強與超高強混凝土常用的摻和料有硅灰、超細礦渣以及粉煤灰等。

 ?。?)硅灰是最好的活性礦物摻和料,但資源有限,成本高,包裝運輸不便。一般認為,硅灰的最佳摻量為10 %左右。由于硅灰的加入使混合料的流動性明顯降低,為了保證其施工性,必須使用高效減水劑,且用量比不摻硅灰時要略大些;

 ?。?)超細礦渣的比表面積達800~1 000 m2/kg.將其摻入砂漿中,可使抗壓強度及其它性能有很大改善。超細礦渣的置換率一般為20 %~40 %.含超細礦渣的混凝土無論是早期還是后期強度都很高,但其成本也高;

 ?。?)一般情況下,將粉煤灰摻入混凝土中,早期強度降低,但后期強度增長。粉煤灰混凝土的強度受粉煤灰的質(zhì)量、置換率與配合比等的影響。粉煤灰的火山灰活性越強,養(yǎng)護溫度越高,強度增長越顯著,其摻量為10 %~30 %;

 ?。?)研制新活性礦物摻和料,如將高嶺土燒成偏高嶺土磨細[3];合成的水化硅酸鈣或無水硫鋁酸鈣等;

 ?。?)采用“雙摻”或“多摻”礦物摻和料的方法。如同時以20 %的超細礦渣和10 %的硅灰置換等量的水泥,混凝土56 d抗壓強度達140 MPa.

  3.4  外加劑

  在高強與超高強混凝土中常采用的化學外加劑有:高效減水劑、減少坍落度損失的復(fù)合AE減水劑、緩凝劑以及泵送劑等,其中以高效減水劑最為重要。高效減水劑的使用,可以大幅度降低水灰比,制成高強乃至超高強混凝土。目前,使用的高效減水劑主要有改性木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽聚合物、三聚氰胺磺酸鹽聚合物等。

  3.5  水

  必須滿足規(guī)范中對水的品質(zhì)要求。為保證高強與超高強混凝土的高質(zhì)量和安定的品質(zhì),一般宜采用合格的自來水拌制混凝土。

  4  結(jié)語

  綜上所述,研制高強與超高強混凝土具有十分重大的意義。其配制必須從原材料的選擇、采用低用水量、低水灰比、高活性礦物磨細摻和料、高效減水劑、改善界面結(jié)構(gòu)、提高水泥漿體的內(nèi)聚力及水泥漿體與集料間的粘結(jié)力等因素來考慮。

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