高性能混凝土配合比设计及其存在的问题_马保国

[收稿日期] 2004-12-30

[基金项目] 国家863计划项目(2002AA335050);国家973计划项目(2001CB610704-3)

高性能混凝土配合比设计及其存在的问题

马保国1, 王信刚1, 李相国1, 王凯2

(11武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉 430070; 21华东交通大学土木建筑学院,江西南昌

330013)

马保国

[摘要] 高性能混凝土是一种具有高耐久性、高工作性、高强度的可持续发展的混凝土。本文讨论了高性能混凝土

配制的主要技术途径和配比参数的合理选择,详细介绍了多种典型的高性能混凝土配合比设计方法,并阐述了高性能混凝土配合比设计中存在的一些问题。

[关键词] 高性能混凝土; 配合比设计; 技术途径; 矿物细掺料; 高效减水剂

[中图分类号] T U528101 [文献标识码] A [文章编号] 1002-3550(2005)02-0012-04

Mix design of high performance concrete and existing problems

M A Bao -guo 1, WA N G X in -gang 1, LI Xiang -guo 1, W A N G Kai 2(1.Key L aboratory of Silicate M aterials Science and Engineering , Wuhan University of T echnology,Wuhan 430070,Hubei,China;

2.School of Civil Engineering and Architectur e,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,Jiangx i,China) Abstract: High Per for mance Concrete (HPC)is a kind of concrete w ith high durablity,hig h workability and high strengt h,and is suitable for sustainable development tendency.T he majo r technical approach to pr epar e HPC and the choice of some mix parameters w er e discussed.Some methods of mix desig n of HPC were detailedly introduced.Finally,some existing problems of mix desig n of HPC w ere presented.

Key words: hig h per for mance concrete; mix design; technical approach; miner al admixture; superplasticizer

1 引言

近代混凝土经过一百多年的发展,在长期研究与实践中,到20世纪80年代末90年代初出现了高性能混凝土(High Performance Concrete,缩写为HPC)。高性能混凝土的出现,一方面是混凝土技术进步的体现,另一方面也是现代建设工程对现代混凝土技术性能提出的要求。高性能混凝土以耐久性作为设计的主要指标。一般来说,高性能混凝土应该保证拌合物的高工作性、硬化后的高强度以及使用过程中优良的耐久性等特点。高性能混凝土被认为是21世纪的混凝土,是近期混凝土技术的主要发展方向。

近年来,高性能混凝土的研究和应用日益受到人们的重视。作为一种现代混凝土,高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比,选用优质原材料,并除水泥、水和集料外,必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效

外加剂[1]

。本文论述高性能混凝土配制的主要技术途径和配比参数的合理选择,并阐述高性能混凝土配合比设计中存在的一些问题。

2 高性能混凝土配合比设计

211 配制目标及其主要影响因素21111 耐久性

高性能混凝土配合比设计首先要保证其满足耐

久性要求,这与普通混凝土不同。耐久性要求包括抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性、抗碳化性和体积稳定性

以及碱)集料反应等[2]

。由于大多数造成混凝土劣化的原因都是有害介质通过水的侵入而发生的,所以混凝土抗渗性直接影响到混凝土的耐久性。21112 强度

混凝土的强度是其最基本的性能特征。高层建筑、大跨度桥梁等都对混凝土强度提出了更高的要求。一般认为,只要水胶比低于014,各种强度等级的混凝土都可做成高性能混凝土。影响强度的主要因素是水胶比和矿物细掺料的用量。21113 工作性

高性能混凝土拌合物的工作性比强度还重要,是保证混凝土浇筑质量的关键。高性能混凝土拌合物具有高流动性(坍落度应不小于120mm )、可泵性,同时还应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性。影响高性能混凝土拌合物的因素主要有水泥砂浆用量、集料级配、外加剂品种及用量等。

212 高性能混凝土配制的技术途径

目前,配制高性能混凝土的主要技术途径是掺入活性矿物细掺料和高效减水剂。21211 活性矿物细掺料

在高性能混凝土中掺入活性矿物细掺料,如硅粉、磨细矿渣和优质粉煤灰等,它们的主要活性组分

2005年第2期(总第184期)Number 2in 2005(Total No.184)

混凝

土

Concrete

全国中文核心期刊T he Core Journal of China

都是活性SiO2,活性SiO2与界面上的水泥水化产物Ca(OH)2发生二次反应,即火山灰反应,见下式: x Ca(OH)2+SiO2+mH2O=xCaOSiO2#nH2O

生成的水化硅酸钙凝胶沉积在界面的孔隙内,提高了混凝土界面粘结强度和抗渗性。活性矿物细掺料细微颗粒均匀分散到水泥浆体中,填充水泥石孔隙,改善了混凝土的孔结构,提高了混凝土抗渗性。另外,活性矿物细掺料的掺入取代了部分水泥,降低了混凝土初期水化热,减少了温度裂缝。

21212高效减水剂

为获得高强度,高性能混凝土的胶凝材料用量大、水胶比低,混凝土拌合物的屈服剪切应力和塑性粘性系数均高。为获得高工作性,高性能混凝土必须掺入高效减水剂。高效减水剂长链上有大量极性基团,由于其表面活性作用,会在水泥颗粒表面富集且定向排列,赋与胶凝材料颗粒表面强的负电荷,降低周围水的表面张力,且在电性斥力下,胶凝材料颗粒亦能充分分散,因而大大提高混凝土的流动性。目前常用的高效减水剂有萘磺酸盐甲醛缩合物和三聚氰胺(密胺)磺酸盐甲醛缩合物,其减水率可达15%~30%,可以使混凝土水胶比降低到012~013,同时获得很好的流动性。聚羧酸类减水剂是一类全新型的高性能减水剂,其分子结构呈梳形,能阻止混凝土坍落度损失,90min内坍落度基本无损失,且不会引起明显缓凝。

总之,掺入活性矿物细掺料的主要作用是改善水泥石与骨料的界面结构,提高界面粘结强度。掺入高效减水剂的主要作用是在低水胶比情况下获得高流动性。两者共同作用的结果是,混凝土拌合物水胶比低、流动性大,硬化水泥石密实度高、与骨料粘结强度大。

213配合比的参数选择

高性能混凝土配合比的参数主要有水胶比、浆集比、砂率和高效减水剂掺量。

21311水胶比

低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一。为达到混凝土的低渗透性以保证其耐久性,无论设计强度是多少,高性能混凝土的水胶比一般都不能大于0140,以保证混凝土的密实。实践证明,当水胶比降到0140以下时,随水胶比的降低,混凝土强度却能继续提高。其原因是,尽管水泥水化不完全,但较低的水胶比能够降低混凝土孔隙率并减小孔隙尺寸,而未水化的水泥颗粒则作为一种坚强的细微集料发挥其作用。在较低的水胶比([0140)范围内,水胶比的稍微变化就可使混凝土强度发生较大的变化,所以严格控制水胶比是保证高性能混凝土质量的一个关键[3,4]。高性能混凝土水胶比大小可参考表1进行选择。水胶比确定后,用矿物细掺料的掺量来调节强度。

表1高性能混凝土水胶比推荐选用表

混凝土强度等级C50C60C70C80C90C100水胶比0137~01330134~01300131~01270128~01240125~01210123~0119

21312浆集比

水泥浆和集料的比例为浆集比。美国M ehta和Aitcin认为,采用适宜的集料时,固定浆集体积比35B 65可以很好地解决强度、工作性和尺寸稳定性(弹性模量、干缩和徐变)之间的矛盾,配制出理想的高性能混凝土。

根据经验,高性能混凝土中胶凝材料总用量应不超过550kg/m3,并随混凝土强度等级下降而减少。其中水泥用量应尽量减少,而以干缩小的矿物细掺料部分取代之,以减少混凝土的温升和干缩,提高抗化学侵蚀的能力,增加密实度,降低造价。但是,为了保证高性能混凝土的耐久性,胶凝材料总用量也不能低于300kg/m3。

根据国内外有关研究报告和工程实践资料,建议配制C50~C70的高性能混凝土,可单独掺加15%~ 30%的优质粉煤灰或20%~50%矿渣代替水泥;配制C80以上的混凝土,可用5%~10%的硅灰和15%~ 35%的优质粉煤灰或矿渣混合掺入。

21313砂率

砂率主要影响混凝土的工作性。高性能混凝土中的粗集料用量应该比中低强度等级混凝土中多一些。当水胶比不同时,高性能混凝土中的最优砂率也有所不同。一般而言,随着混凝土砂率的增加,强度呈增长的趋势,而弹性模量则呈下降趋势。高性能混凝土的砂率可根据胶凝材料总用量,粗细集料的颗粒级配及泵送要求等因素来选择,见表2[3,4]。

表2高性能混凝土砂率选用表kg/m3

砂子类型/(细度模数)

胶凝材料总用量

<360360~420420~480480~540>540

细砂/(116~212)01380136013401320130中砂/(213~310)01400138013601340132粗砂/(311~317)01420140013801360134

21314高效减水剂掺量

高性能混凝土的高强度、高耐久性是以低水胶比和低用水量为保证的,高效减水剂是实现大流动性的唯一途径。高效减水剂的掺量要根据混凝土坍落度来确定。一般情况下,用量越大,坍落度增加越高,但超过一定量后效果不再显著,也不经济。高效减水剂均有其最佳掺量,大多数在1%~2%之间,以此为参照可以确定高效减水剂掺量。

214高性能混凝土配合比设计方法

近年来,国内外对高性能混凝土配合比设计进行

了很多的研究,也提出了许多的方法,如Mehta 和Aitcin 推荐的高强高性能混凝土配合比确定方法、法国路桥试验中心(LCPC)建议的方法[1]、英国Dom one 等提出的基于最大密实度理论的方法[5]、万朝均提出的高强超高强高性能混凝土配合比设计的经验公式[6]

以及陈建奎和王栋民提出的高性能混凝土配合比设计全计算法[7]等。

21411 高强超高强高性能混凝土配合比设计的经验公式

普通混凝土配合比设计采用鲍罗米(Bolomy)公式计算水灰比W/C 。鲍罗米公式如下:

f cu,p =A a #f ce C W

-A b 式中 f cu,p )))配制强度,MPa;

f ce )))水泥实际抗压强度,M Pa;

A a 、A b )))经验系数。

对高性能混凝土来说,由于活性矿物细掺料和高效减水剂的掺入,鲍罗米公式不再适用。万朝均[6]在鲍罗米公式中引入与水胶比W/B 有关的系数Y 以及矿物细掺料的活性指数A,即:

f c u,p =A #Y #A a #f ce

W -A b

Y=-014952+51514W/B

式中 f cu,p )))配制强度,MPa;

A a 、A b )))经验系数,与鲍罗米公式相同。计算用水量W 0时,可采用工作度方程[8]。研究发现,在胶凝材料组成、高效减水剂用量一定时,保证坍落度不变所需的用水量与水胶比有下述直线关系:

W 0=k 1+k 2W

式中 k 1,k 2)))是由胶凝材料组成、高效减水剂用量

以及所要求的混凝土工作度决定的常数,可由试验确定。

21412 高性能混凝土配合比设计新法)))全计算法

传统的高性能混凝土配合比设计是以经验为基础的半定量设计。陈建奎和王栋民是在建立普遍适用的混凝土体积模型的基础上

,见图1[7,9],经科学推

图1 普遍适用的混凝土体积模型

图中 V e )))浆体体积,L;

V es )))干砂浆体积,L;

V w )))用水量,L;V a )))空气体积,L;V c )))水泥体积,L;V f )))细掺料体积,L;V s )))砂子体积,L;V g )))石子体积,L 。

导求得了高性能混凝土用水量计算公式和砂率S p 计算公式,结合传统的水灰(胶)比定则,提出了高性能混凝土配合比设计的全计算法。

高性能混凝土配合比设计全计算法的设计步骤如下:

(1)配制强度

f cu,p =f cu,0+11645R 式中 f cu,p )))配制强度,M Pa;

f cu,0)))混凝土立方体抗压强度标准值,M Pa;

R )))混凝土强度标准差。(2)水胶比

m(w)m(c+f)=

f c u,p

Af ce

+B 式中 f ce )))水泥实际抗压强度,MPa 。

(3)用水量

V w =V e -V a

1+1

Q c (1-U )+U Q f f cu,p Af c e

+B 式中 Q c 、Q f )))分别为水泥和细掺料密度,kg/L;

U )))细掺料在胶凝材料中的体积掺量。(4)胶凝材料组成与用量

m(c+f)=

m(w )

m(w )/m(c+f)

m(c)=(1-U )m(c+f)m(f)=U m(c+f)

(5)砂率及集料用量

S p =(V e s -V e +V w )#Q s

(V es -V e +V w )#Q s +(1000-V es -V w )#Q g

#100%

S=(V es -V e +V w )#Q s G=(100-V e s -V w )#Q g

式中 Q s )))砂子视密度,kg/L;Q g )))石子视密度,kg /L 。

(6)超塑化剂掺量L

L =V w 0-V w

V w 0

+$G @3167%

式中 V w 0)))坍落度为7cm ~9cm 基准混凝土用水

量,与石子最大粒径有关,见表2;

$G )))减水剂增量系数,取决与高性能混凝土的初始坍落度,当S L =16cm ~18cm 时,$G =

0104,S L=20cm~22cm时,A G=0106。

表3基准混凝土用水量V w

碎石D ma x/mm16202530 V w

/L230215210205

(7)试配与配合比调整

姜德民等[9]采用这种全计算法对高性能自密实混凝土进行配合比设计,其试验结果表明,采用全计算法进行高性能混凝土配合比设计,材料用量准确,施工性能、强度和耐久性都有足够的保证。全计算法使高性能混凝土配合比设计从半定量走向定量、从经验走向科学成为了可能。

3高性能混凝土配合比设计中存在的问题

311高性能混凝土配合比设计中的原材料问题[10]高性能混凝土使用的原材料和普通混凝土基本相同,如水泥和集料等,但同时必须掺入矿物细掺料和高效外加剂。高性能混凝土中的组分多,其性能对原材料很敏感。在进行高性能混凝土配合比设计时,要充分考虑到矿物细掺料和高效外加剂。

矿物细掺料问题的关键是建立一种评价矿物细掺料的质量指标体系,把矿物细掺料作为一种产品的形式来供应,在进行高性能混凝土配合比设计时,把矿物细掺料作为配制高性能混凝土的一个必需组分。

高效减水剂问题的关键是高效减水剂与水泥相容性的问题。目前,我国生产的高效减水剂品种繁多,良莠不齐,应规范生产市场,尽快建立一种评价高效减水剂品质的质量体系。

312高性能混凝土配合比设计的规范问题

现行混凝土配合比设计规程并未解决高性能混凝土配合比设计中矿物细掺料掺量的计算问题和高性能混凝土配合比设计的问题。在进行高性能混凝土配合比设计时,人们往往凭借经验,然后通过试配来调整混凝土配合比,至今没有一个像普通混凝土鲍罗米公式那样简单有效的配合比计算公式。

水胶比是高性能混凝土强度的决定因素。改变传统的先决定用水量,再计算胶凝材料用量的配合比设计思路,而是根据耐久性要求及胶凝材料品质、水胶比和所选高效减水剂效能,首先确定胶凝材料用量,再计算用水量。高性能混凝土的强度保证率宜选98%~99%,配制强度的提高幅度,随强度等级提高而下降,选择应合理,才能保证质量。

313高性能混凝土配合比设计的计算机化

高性能混凝土配合比不仅包括混凝土配合比设计,即各材料之间的相对比例,还包括混凝土配合比设计的计算机化。高性能混凝土配合比设计的计算机化是一个发展方向。

高性能混凝土配合比设计的计算机化,可大大提高配合比设计的准确性、经济性,而且,高性能混凝土中的组分多,生产过程中其质量的影响因素也多,有必要引入使用计算机的方法。正如美国著名混凝土专家Sandor Popovics所说:/计算机以及掺有化学外加剂和矿物细掺料的现代混凝土的广泛应用才是混凝土的未来0[1]。

目前,很多混凝土工作者围绕计算机化试图建立有关数学模型以及开发高性能混凝土配合比设计的软件,如王德怀的高性能混凝土配合比设计和质量控制计算机系统[11],但是这些模型及软件所基于的数据量不足,都有实用的局限性。在现阶段急需做的工作是尽快建立原材料的数据库,并逐渐扩展和扩大,建立可靠而易于操作的系统。

4结束语

配制高性能混凝土的方法有很多,在原材料和生产工艺不变的条件下,采用加入活性矿物细掺料和高效减水剂的技术途径来配制高性能混凝土,有利于高性能混凝土的大规模推广和应用。高性能混凝土科学地大量使用矿物细掺料及其它工业废渣,有利于降低成本,保护环境。因此,高性能混凝土是可持续发展的混凝土,其配合比设计也将得到更深入的研究。

[参考文献]

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[5]Dom one P L J,Soutsos M N.An approch to the proportion i ng of

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[6]万朝均.高强超高强高性能混凝土配合比设计经验探讨[J].混凝

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[7]陈建奎,王栋民.高性能混凝土(H PC)配合比设计新法)))全计算

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[8]王德怀,陈肇元.高性能混凝土的配合比设计[J].混凝土,1996

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[9]姜德明,高振林.高性能自密实混凝土的配合比设计[J].北方工业

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[10]廉惠珍,陈思义.原材料和配合比对高强与高性能混凝土性能的影

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[11]王德怀.高性能混凝土配合比设计与质量控制的计算机化[D].北

京:清华大学,1996.

[作者简介]马保国,1957年生,男,武汉理工大学教授,博士生导师,主要从事高性能混凝土和墙体材料的研究。

[单位地址]武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室(430070)

[联系电话]027-********;E-mail:mbgjob@https://www.360docs.net/doc/9419024307.html,