公路橋梁高強輕質(zhì)混凝土配合比研究

王行強

摘要:為了促進高強輕質(zhì)混凝土(HSLC)在公路橋梁上的理論研究和實際應(yīng)用,文章在總結(jié)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,對HSLC配制方法進行了全面系統(tǒng)的介紹和分析。針對預(yù)應(yīng)力HSLC梁橋在施工配合比方面存在的一些實際問題進行了初步討論,提出了幾點改進措施。

關(guān)鍵詞:高強輕質(zhì)混凝土;配合比

1 前言

現(xiàn)代混凝土作為人造建筑材料已有170多年的歷史。在生產(chǎn)實踐過程中,隨著技術(shù)水平的提高,為了解決普通混凝土質(zhì)量大的缺點,人們逐漸開發(fā)出了混凝土的新品種一一輕質(zhì)混凝土。1913年美國首先用回旋窯燒制了頁巖陶粒,為輕質(zhì)混凝土的發(fā)展邁出了可喜的第一步。由于輕質(zhì)混凝土是一種比強度高,保溫耐火,抗震性能好,無堿集料反應(yīng)等新型混凝土,可廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)與民用建筑等構(gòu)筑物上,具有很好的技術(shù)經(jīng)濟價值,所以自上世紀(jì)60年代以來在世界各國獲得了長足的發(fā)展和應(yīng)用,成為建筑材料工業(yè)中發(fā)展最快的輕質(zhì)高強的新型建筑材料之一。

在輕質(zhì)混凝土的發(fā)展初期,由于其強度較低且人們對其力學(xué)性質(zhì)研究較少,使其應(yīng)用的范圍有所局限。隨著研究的深入、高強輕集料即高強陶粒的問世。人們利用高強陶粒配制出了密度等級為1600～1900,強度等級在LC30以上的,廣泛用于結(jié)構(gòu)的高強輕集料混凝土。它以優(yōu)良的力學(xué)性能和潛在的好處,在世界各國,特別是在北歐等國被廣泛地應(yīng)用于高層、超高層建筑結(jié)構(gòu),大跨度橋梁和城市立交橋及海洋工程中。而在我國,由于對輕質(zhì)高強混凝土的研究還不十分系統(tǒng),其用于承重結(jié)構(gòu)的還不多。

2 HSLC基本概念及優(yōu)勢

2.1 高強輕質(zhì)混凝土的定義

高強輕質(zhì)混凝土(High-Strength Light Weight Concrete,以下簡稱HSLC)是指利用高強輕粗集料(在我國通常稱它為高強陶粒)、普通砂、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于1950kg/m3,強度等級為LC30以上的結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)混凝土。從HSLC的定義我們可以看出,它除了和普通混凝土一樣牽涉到粗、細集料、水泥和水以外,所不同的是還涉及到表觀密度(原稱容重)的最大限值和最小的強度等級限值。

2.2 HSLC在公路橋梁中的優(yōu)勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,橋梁逐漸向大跨度發(fā)展,這也使混凝土自重大的缺點更加突出,限制了橋梁跨度的進一步提高。HSLC以其高強、輕質(zhì)的特點,顯然能夠克服普通混凝土無法克服的自重過大的缺陷,實現(xiàn)橋梁跨度的進一步提高。因此,在橋梁結(jié)構(gòu)向大跨、重載、輕質(zhì)、耐久方向發(fā)展的今天,HSLC當(dāng)是今后橋梁建設(shè)上主要使用的材料之一。HSLC在橋梁工程中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:減輕梁體自重,增大橋梁的跨越能力;減低梁高;提高橋梁的耐久性,延長橋梁的使用壽命;抗震能力好;降低工程造價。

3 HSLC配合比設(shè)計

HSLC配合比設(shè)計的任務(wù)在于確定能獲得預(yù)期性能而又最經(jīng)濟的混凝土各組成材料的用量,它和普通混凝土配合比設(shè)計的目的是相同的,即在保證結(jié)構(gòu)安全使用的前提下,力求達到便于施工和經(jīng)濟節(jié)約的要求。由于HSLC所使用高強陶粒的特性,它還不能像普通混凝土那樣,用一個較公認的強度公式作為混凝土配合比設(shè)計的基礎(chǔ)。雖然,國內(nèi)外都有不少研究者提出了各種各樣的強度公式,但都存在很大局限性,離實際應(yīng)用還有很大差距。所以,現(xiàn)階段,主要還是通過參數(shù)的選擇和簡單經(jīng)驗公式的計算,最終經(jīng)過試驗的方法來確定各組分材料的用量。

3.1 選擇水泥品種和標(biāo)號

一般為325以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

3.2 選擇水泥用量

水泥用量是影響棍凝土強度及其它性能最主要的參數(shù)之一,對HSLC來說,水泥用量的選擇尤為重要,增加水泥用量固然可以使HSLC的強度提高,但也會使其密度增加?？偟膩碇v,HSLC的最大水泥用量不宜超過550kg/m3,當(dāng)采用泵送施工時,最小水泥用量不宜少于350kg/m3。

3.3 選擇高強陶粒

HSLC一般要選擇密度等級>700、筒壓強度>5.0MPa、強度標(biāo)號>30MPa的圓球型高強陶粒,且其各項指標(biāo)應(yīng)滿足《輕骨料》GB/T17431.1有關(guān)要求的人造高強輕集料。

3.4選擇用水量和水灰比

HSLC的用水量和水灰比,分凈用水量和凈水灰比及總用水量和總水灰比,所謂凈用水量系指不包括高強陶粒1h吸水率在內(nèi)的混凝土用水量,其相應(yīng)的水灰比則為凈水灰比,在HSLC配合比設(shè)計中,一般用凈用水量和凈水灰比表示。HSLC的用水量(或水灰比)不僅對硬化混凝土的性能有很大影響,而且還直接影響拌合物的和易性。

3.5砂率的選擇

HSLC的砂率是以體積比來表示的,即以砂的體積與粗細集料總體積的百分比來表示的。砂率的提高,是HSLC文獻認為在一定的砂率范圍內(nèi):18%～60%強度提高的一個主要因素(但有關(guān)。砂率對HSLC的強度影響不大),且其彈性模量也有所提高。但隨著砂率的提高,HSLC的表觀密度也逐漸增加。當(dāng)HSLC的強度等級為LC40-LC60,砂率為40%左右時,混凝土拌合物的和易性最好。

3.6 粗細集料用量

它是指配制1m3HSLC所需的高強陶粒和普通砂的密實體積,可參考《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-90),用絕對體積法求出。

3.7摻和料等外加劑

由于HSLC的水泥用量與同強度等級的普通混凝土偏多,實踐證明,為減少水泥用量,改善和易性和其他一系列的物理力學(xué)性能,在HSLC中加入適量的摻和劑,如硅灰、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細高爐礦碴、F礦粉等,可獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟效益。一般在配制LC50及以下的HSLC時,摻加粉煤灰即可,當(dāng)配制LC50以上的HSLC則需摻加硅粉等。在使用摻合料的同時,必須使用高效減水劑,以減小用水量,降低水灰比。粉煤灰的摻加采用“超量取代法”,且在預(yù)應(yīng)力HSLC中其取代水泥率不宜大于10%～15%,而對于硅粉的最大摻加量,根據(jù)ACI213委員會報告《硅粉用于混凝土》的觀點,“1kg硅粉可取代3～4kg水泥而不導(dǎo)致強度的降低?！?/p>

從目前的研究來看,改良HSLC的配合比,采用“雙摻”或“多摻”及復(fù)合摻加技術(shù),即在加入高效減水劑的同時,根據(jù)混凝土性能的要求加入一種或幾種(復(fù)合化)超細活性礦物材料,并加大摻入的比例,可以大幅度提高拌合料的工作性能,并對其物理力學(xué)特性有較顯著的改善作用。

結(jié)論

從本文可知,HSLC的施工條件要求較高,質(zhì)量不容易控制。施工時必須對HSLC采用“雙摻”或“多摻”等方法進行改性,以提高拌合料的工作性能,保證HSLC的施工質(zhì)量。另外,我國應(yīng)加大高強陶粒的研究工作,盡快生產(chǎn)出高性能高強陶粒,從根本上改變HSLC的力學(xué)性能,為HSLC在公路橋梁上的廣泛使用鋪平道路。

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