高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
摘要:隨著現(xiàn)代橋梁不斷向海洋化、大跨度、高耐久方向發(fā)展,橋梁工程中的混凝土對(duì)下列各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了更高的要求:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和不易開(kāi)裂性。鑒于目前我國(guó)海工鋼筋混凝土建筑物的使用壽命普遍偏短的狀況,結(jié)合我局青島海灣大橋施工實(shí)際,我們開(kāi)展了海工高性能混凝土的試驗(yàn)研究,以提出橋梁工程用海工高性能混凝土配合比及其應(yīng)用技術(shù),有效地控制混凝土質(zhì)量,延長(zhǎng)海工混凝土建筑物的使用壽命。
關(guān)鍵詞:混凝土,配合比,設(shè)計(jì),優(yōu)化
1前言
高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土,是以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo),針對(duì)不同用途的要求,在混凝土中摻入一定量的礦物摻合料和高性能復(fù)合外加劑,取用較低的水膠比和較少的水泥用量,在施工時(shí)采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施,制備滿足力學(xué)性能、耐久性能、工作性能以及經(jīng)濟(jì)合理性的混凝土。高性能混凝土與普通混凝土相比,主要區(qū)別為:高性能混凝土以耐久性指標(biāo)為主要控制指標(biāo)、采用較低的水膠比、較低的用水量及水泥用量、同時(shí)摻加復(fù)合外加劑及礦物摻合料等。
高性能混凝土十分敏感,當(dāng)環(huán)境溫度、原材料質(zhì)量、配合比、計(jì)量發(fā)生變化時(shí),其工作性能易發(fā)生突變,造成混凝土離析、泌水、和易性差,影響施工并造成混凝土外觀差、耐久性差。因此,原材料質(zhì)量、配合比選定、混凝土的攪拌、澆注等與高性能混凝土質(zhì)量密切相關(guān),這些環(huán)節(jié)必須加以嚴(yán)格控制,才有保證混凝土質(zhì)量。
2如何選擇各種原材料
選擇原材料的原則:任何原材料對(duì)具體工程都有利有弊,檢驗(yàn)合格的原材料不一定能滿足混凝土的需要。選取適合自己的才是最好的,要充分發(fā)揮適合混凝土設(shè)計(jì)的的各種材料的特性,為我所用。
2.1水泥是混凝土中最為重要的膠凝材料。
水泥宜選用低水化熱和低堿含量的水泥,盡可能避免使用早強(qiáng)水泥和高C3A含量的水泥。水泥一般采用大型水泥廠生產(chǎn)的水泥,質(zhì)量比較穩(wěn)定,但應(yīng)注意當(dāng)砂石堿活性較大時(shí),應(yīng)采用低堿水泥。采用低堿水泥一是可以降低混凝土含堿量,減少與堿活性骨料發(fā)生反應(yīng)的程度,二是可以減少混凝土開(kāi)裂的傾向。
2.2摻合料的使用
不同的摻合料具有不同的特性和作用。
表1粉煤灰和礦渣粉的優(yōu)缺點(diǎn)
礦渣粉和粉煤灰的摻入,減少了水泥用量,延長(zhǎng)了混凝土水化熱反應(yīng)的時(shí)間,推遲了溫度峰值的產(chǎn)生且降低了溫度峰值。
2.3外加劑的選擇
外加劑是配制高性能混凝土最重要的材料,配制高性能混凝土的關(guān)鍵是要以較低的用水量且要使混凝土達(dá)到較大的坍落度、較高的強(qiáng)度以及并具有較小的坍落度損失,這些只有摻加高性能減水劑才能實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵是看它能不能與其它各種材料(主要是水泥)相兼容,合適自己的才是最好的。
2.4骨料的選擇
選擇骨料第一位的不是強(qiáng)度,要注意骨料的級(jí)配和粒形,級(jí)配和粒形良好的骨料可以配制出低用水量,高工作性和耐久的混凝土。級(jí)配和粒形骨料強(qiáng)度對(duì)普通混凝土的影響不太大,因?yàn)楣橇系膹?qiáng)度比混凝土中基本和界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度要高出數(shù)倍。換句話說(shuō),由于破壞是由其它量項(xiàng)決定,絕大多數(shù)天然骨料的強(qiáng)度幾乎得不到利用。然而,除強(qiáng)度外,骨料的其它特性,如粒徑、形狀、表面結(jié)構(gòu)、級(jí)配(粒徑分布)和礦物成分,都在不同程度上影響著混凝土強(qiáng)度。
3高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化
3.1高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原則
盡量使用較低的水膠比。限制膠凝材料總量,摻加足夠量的礦物摻合料,盡量減少水泥用量。使用高效減水劑,盡可能減少用水量。適當(dāng)引氣。選用優(yōu)質(zhì)的原材料,控制原材料當(dāng)中的有害物質(zhì)含量??刂苹炷林械膲A含量。
3.2高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)各主要參數(shù)的確定及配合比設(shè)計(jì)流程
3.2.1混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定。
混凝土強(qiáng)度等級(jí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定,且應(yīng)符合規(guī)范中的關(guān)于不同環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)最低強(qiáng)度等級(jí)之規(guī)定。
3.2.2石子最大粒徑的確定。
碎石最大公稱(chēng)粒徑不宜超過(guò)混凝土保護(hù)層厚度的2/3且不得超過(guò)鋼筋最小間距的3/4。配合比設(shè)計(jì)前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)計(jì)圖紙中規(guī)定的鋼筋最小間距和最小混凝土保護(hù)層厚度,以確定配合比所采用的碎石最大公稱(chēng)粒徑。
3.2.3設(shè)計(jì)坍落度的確定。
混凝土的坍落度宜根據(jù)施工工藝、澆注方法、鋼筋最小間距確定。線高性能混凝土采用泵送施工較多,要求流動(dòng)性好且不易離析、不泌水,考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度損失及炎熱天氣的施工,坍落度設(shè)計(jì)時(shí)不宜太小,泵送混凝土一般設(shè)計(jì)坍落度為160~200mm,非泵送混凝土坍落度可以選擇120~160mm,水下混凝土坍落度為180~220mm。
3.2.4試配強(qiáng)度的確定。
試配強(qiáng)度按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55)計(jì)算;水下混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),試配強(qiáng)度應(yīng)乘以一個(gè)1.1~1.15的保證系數(shù)。
3.2.5水膠比的確定。
按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55)計(jì)算并得出水膠比以后,還需要符合高性能混凝土規(guī)范規(guī)定的最大水膠比和最小膠凝材料用量的規(guī)定進(jìn)行校核,并重新選擇水膠比。
3.2.6用水量的選擇及膠凝材料用量的確定。
用水量應(yīng)根據(jù)外加劑的減水率及摻量、設(shè)計(jì)坍落度、石子最大粒徑來(lái)確定。用水量還與原材料質(zhì)量有關(guān),如潔凈的砂石料、用水量小的粉煤灰,都會(huì)使單方混凝土用水量減少。根據(jù)用水量及水膠比,可計(jì)算出每方膠凝材料用量。
3.2.7外加劑摻量的確定。
外加劑摻量與外加劑減水率、設(shè)計(jì)坍落度以及實(shí)際使用材料的需水量有關(guān),參考廠家推薦摻量,并通過(guò)混凝土試拌效果確定,聚羧酸鹽系高性能復(fù)合減水劑的摻量一般為膠凝材料總量的0.8~1.2%(C30~C50混凝土)。
3.2.8礦物摻合料摻量的確定。
一般情況下,礦物摻合料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%。預(yù)應(yīng)力混凝土以及處于凍融環(huán)境中的混凝土的粉煤灰的摻量不宜大于30%。設(shè)計(jì)時(shí),盡可能減少混凝土膠凝材料中的水泥用量,一是可以減少水泥水化熱引起的混凝土開(kāi)裂傾向,保證混凝土的耐久性,二是減少水泥用量,增加礦物摻合料用量,有利于增強(qiáng)混凝土的和易性,利于施工,三是可以降低成本。
3.2.9混凝土表觀密度的假定。
混凝土表觀密度一般在2350~2450kg/m3之間選定。應(yīng)注意的是,由于混凝土表觀密度選定過(guò)小,容易造成施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土用量超方現(xiàn)象,室內(nèi)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),測(cè)定混凝土表觀密度應(yīng)在測(cè)完混凝土30分鐘坍落度損失后再進(jìn)行,這樣測(cè)出來(lái)的混凝土表觀密度與施工現(xiàn)場(chǎng)情況比較接近。
3.2.10砂率的選擇。
砂率根據(jù)石子最大粒徑、水膠比以及施工工藝(澆注方法)確定。泵送混凝土及水下混凝土砂率宜比普通混凝土砂率提高3~4%。高性能混凝土(泵送或水下混凝土)的砂率一般在36~43%之間。
3.3混凝土配合比優(yōu)化
盡量使用較低的水膠比。限制膠凝材料總量,摻加足夠量的礦物摻合料,盡量減少水泥用量。使用高效減水劑,盡可能減少用水量。適當(dāng)引氣。選用優(yōu)質(zhì)的原材料,控制原材料當(dāng)中的有害物質(zhì)含量。控制混凝土中的堿含量。在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)效益。
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4青島海灣大橋墩身、箱梁配合比優(yōu)化前后對(duì)比
配合比的優(yōu)化是以降低膠凝材料用量為原則,增加骨料比例,改善混凝土的抗氯離子滲透能力。
表二墩身混凝土配合比
5.成本控制
5.1物資部提供各種材料價(jià)格表:
表四08年11月份材料價(jià)格
5.2墩身混凝土配合比優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比
表五墩身優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比表
5.3箱梁混凝土配合比優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比
表六箱梁優(yōu)化前后單價(jià)對(duì)比表
青島海灣大橋第八合同段共有墩身96個(gè),合計(jì)混凝土方量12578m3;箱梁98片,合計(jì)混凝土方量65488m3?;炷僚浜媳葍?yōu)化前后節(jié)約成本(341.81-322.96)×12578+(377.16-358.5)×65488=1459101.38元,即節(jié)約145.91萬(wàn)元。
6結(jié)語(yǔ)
在環(huán)境十分復(fù)雜的海工特大橋混凝土施工中,混凝土生產(chǎn)的控制是一個(gè)系統(tǒng)工程,只有嚴(yán)格的控制和科學(xué)的管理才能夠使混凝土強(qiáng)度得到有力的保證。性能優(yōu)良的高性能混凝土可以保證混凝土的力學(xué)性能、耐久性、工作性以及經(jīng)濟(jì)性。但高性能混凝土很“嬌貴”,對(duì)環(huán)境變化、材料變化、計(jì)量偏差、攪拌時(shí)間等十分敏感,因此,混凝土原材料、配合比設(shè)計(jì)、混凝土拌合、混凝土澆注等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制十分關(guān)鍵,我們應(yīng)當(dāng)引起高度重視,采取措施,保證混凝土施工質(zhì)量。
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