高性能混凝土(HPC)配制技術

孫占平

高性能混凝土是指用常規的硅酸鹽水泥、砂石等原材料,使用常規制作工藝,主要依靠高效減水劑和活性摻合料配制的水泥混凝土,應具有以下三方面的性能指標:1)高工作度。高性能混凝土拌合物具有大流動性,可泵性,不離析,而且保塑時間可根據工程需要來調整,便于澆筑密實。高性能混凝土應達到(20±2)cm的坍落度。2)高強度。高性能混凝土應具有良好的物理性能,即有較高的強度和體積穩定性,混凝土的28 d抗壓強度應達到35 MPa以上,彈性模量應達到30 GPa以上。在混凝土凝結硬化過程中水化熱低,內部缺陷少,硬化后體積穩定,收縮變形小。3)高耐久性。高性能混凝土應具有上百年的使用壽命,具結構密實、抗滲、抗凍、抗碳化等,耐久性高。為建造大型建筑物提供了可靠的技術保證。

1 配制高性能混凝土的主要技術途徑

為實現混凝土的高性能,即高流態、高強度和高耐久性,混凝土的配合比應符合以下幾條原則:

1)低的水灰比,即低的水、膠凝料比。高性能混凝土的配合比配制技術的核心訣竅是將水灰比降至0.2～0.3,用水量為125 L/m3～135 L/m3,而坍落度可達180 mm～200 mm的新拌混凝土。高性能混凝土的配制原則是將水灰比與基材密實度兩個要素結合起來,高性能混凝土的最佳水灰比即為0.22左右,低于此限制不能得到高密度的基體。

2)水泥。高性能混凝土使用的水泥必須是:a.標準稠度用水量要低,從而使混凝土在低水膠比時也能獲得大流動;b.水泥的水化熱要低,以避免因混凝土內外溫差大而造成混凝土產生裂紋;c.水泥的強度要高,以保證用較少的水泥獲得高強混凝土,中熱硅酸鹽水泥、調粒水泥、球狀水泥等可用來配制高性能混凝土。

3)使用高效減水劑。為了獲取高強度、高性能混凝土,膠凝材料用量大,水灰比低,混凝土拌合物粘性大。要獲得高工作性,就必須采用高效減水劑,日本稱之為高性能AE減水劑,其特點是既有高的減水率(20%～30%),又有控制坍落度損失的性能。目前,我國生產的普通高效減水劑都不同時具有高性能AE減水劑的性能。因此,通常將普通高效減水劑與緩凝劑復合起來使用,高效減水劑的通常摻量為膠結料重量的0.8%～1.5%,最多不宜超過2%。

4)選擇高質量的骨料。高性能混凝土對骨料的顆粒級配和最大粒徑有更嚴格的要求。

細骨料應選用石英含量高,顆粒渾圓潔凈、具有平滑篩分曲線的中粗砂,細度模數在2.6～3.2之間。

粗骨料應是高強、低吸水率、表面結構粗糙的碎石。粗骨料的最大粒徑不宜超過15 mm～20 mm,如混凝土強度等級不是很高可以放寬到25 mm。其針片狀含量不宜大于5%;其壓碎值宜在10%～15%之間。

5)摻入活性礦物材料。常用的礦物質摻合料主要有:a.硅粉;b.磨細礦渣;c.優質粉煤灰;d.超細沸石粉等。它們的主要活性成分都是二氧化硅。

其主要反應過程為:

xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·nH2O

活性礦物材料的最佳摻量決定于它本身的活性、所要求的混凝土性能以及它的價格等。一般地,配制高性能混凝土時,粉煤灰的摻量為膠結材料總量的15%～35%,低鈣粉煤灰的用量要低些,粒化高爐礦渣的摻量為30%～70%,硅粉為5%～10%。

2 施工工藝要求

1)攪拌。攪拌的目的是使混凝土的各組成材料互相分散而達到均勻混合,由于高性能混凝土的粘性大,為了獲得高工作性能的混凝土拌合物,宜選用攪拌效率高、均質性好的雙錐式攪拌機,并采用如圖1所示的攪拌程序。2)澆筑。高性能混凝土的坍落度一般都在20 cm以上,并非就是免振自密實混凝土,不經振搗的高性能混凝土,強度和抗滲等級均有所降低。所以,短時間的振搗是必要和有效的。3)養護。由于高性能混凝土的用水量較少,水化反應迅速,可能使毛細管中斷,如養護水不能及時進入混凝土內部,將不會進一步水化,所以,高性能混凝土在早期即應養護。4)計量精度。原材料的計量精度不應超過如下規定:水泥、礦物摻合料:±2%;粗、細骨料:±3%;水、外加料:±1%。

3 高性能混凝土配合比的設計原則

我國一般采用改進的鮑羅米公式來表示混凝土強度與水膠比之間的關系:fc28=K1·R0(C/W-K2)。其中,fc28為混凝土28 d抗壓強度;R0為水泥的實際強度;K1,K2分別為經驗系數,與骨料、水泥品種等因素有關;C/W為灰水比。

現介紹一種高性能混凝土配合比的設計原則,并經過大量試驗證明是簡便而有效的。

簡述其設計步驟如下:1)配制強度的確定。由于影響高性能混凝土確定的因素多,變異系數大,因此,配制強度應視材料的具體情況適當增大。2)W/(C+M)(M為礦物質摻合料)的確定。對于用碎石配制高性能混凝土的 W/(C+M),可參考同濟大學提出的關系式:fc28=0.304fce(C/W+0.62)。其中,fce為水泥的實際強度。高性能混凝土的水膠比變化范圍較小,一般為0.27～0.50。3)礦物質摻合料摻量的確定。礦物質摻合料的摻量要視活性二氧化硅的含量大小,一般內摻CX(10%～15%)。活性二氧化硅含量高(如硅粉)取下限,活性二氧化硅含量低(如優化粉煤灰)取上限。4)用水量的確定。用水量的多少要根據混凝土拌合物坍落度的大小和高性能減水劑的效果確定,一般用水量小于175 kg/m3。5)砂率的確定。由于高性能混凝土的水灰比小,膠凝材料用量大,粘度大,混凝土拌合物的工作性容易保證,所以砂率可以適當降低,一般在36%～42%之間選用(見表1)。6)粗骨料的用量。粗骨料的用量可用假定表觀密度法確定。高性能混凝土的密度大,其表觀密度約為2 450 kg/m3～2 500 kg/m3。例如,某工程要求C60混凝土,原材料為525號硅酸鹽水泥,粒徑為5 mm～15 mm碎石,河產中砂,細度模數為2.84,混凝土要求施工坍落度為18 cm～22 cm,采用緩凝型高效減水劑AE-1,優質粉煤灰F0,求試驗室配合比。解:用假定表觀密度法(假定密度為2 450 kg/m3):a.配制強度 fc28=70 MPa。b.確定(W/C)+F。fc28=0.304fce[(C+F/W)+0.62],fce=59.3 MPa,W/(C+F)=0.31。c.用水量 W0=170 kg。d.C+F=170/0.31=548 kg,F=548×15%=82 kg,C=466 kg。e.AE-1=548×1.5%=8.22 kg。f.砂率 Sp=33%,C0+S0+548+170=2 450,S0/(S0+C0)=0.33,S0=572 kg,C0=1 160 kg。

表1 高性能混凝土砂率選用表

4 高性能混凝土設計在工程中的指導作用

工程實踐證明,混凝土中適量的摻加硅灰、粉煤灰等,能配制高強高性能混凝土,可大幅度提高混凝土的致密性及耐久性,具有良好的經濟效益和社會效益,值得廣泛應用推廣。高性能混凝土(HPC)的性能因工程條件、環境條件、施工工藝等要求而異,品質穩定的原材料是生產HPC至關重要的前提條件;HPC要具備所要求的性能,必須根據條件的變化,及時變化生產中的參數。應用大摻量粉煤灰混凝土和大摻量礦渣混凝土是發展HPC最可行的途徑,不僅能提高混凝土的品質,還能有效地降低生產成本。

通過工程實踐的設計應用,說明該設計原則能滿足高性能混凝土的性能要求,具有較好的實踐指導意義。

[1] 張 凱,張海民.高強混凝土的配制[J].山西建筑,2008,34(22):159-160.