C60高強(qiáng)混凝土的研發(fā)與應(yīng)用

楊國(guó)強(qiáng)

（深圳市鵬城基業(yè)混凝土有限公司）

C60高強(qiáng)混凝土的研發(fā)與應(yīng)用

楊國(guó)強(qiáng)

（深圳市鵬城基業(yè)混凝土有限公司）

C60高強(qiáng)混凝土在實(shí)際工程建設(shè)中的使用越來(lái)越廣泛，如何選用優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的材料和經(jīng)濟(jì)高效的配合比是我們要解決的問(wèn)題。混凝土試配工作繁重，使用傳統(tǒng)方法試配比較材料和配比的優(yōu)勢(shì)將會(huì)帶來(lái)非常大的工作量，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能較好的解決這個(gè)問(wèn)題。本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)選材料和配合比。

高強(qiáng)混凝土；正交試驗(yàn)；粘度；自收縮；裂縫

隨著城市的發(fā)展，高層超高層建筑拔地而起，商業(yè)和公共建筑也開(kāi)始向大跨度、高強(qiáng)度方向發(fā)展。最近幾年，C60及以上標(biāo)號(hào)的混凝土應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，特別是C60混凝土在工程中的應(yīng)用越來(lái)越多。同時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高強(qiáng)混凝土的定義也由C50及以上等級(jí)改為C60及以上等級(jí)的混凝土。獲得泵送性能好、強(qiáng)度保證系數(shù)高的高強(qiáng)混凝土的方法主要包括選用適應(yīng)性好的高性能減水劑、優(yōu)質(zhì)摻合料、高強(qiáng)度等級(jí)的水泥和優(yōu)質(zhì)骨料。生產(chǎn)和施工過(guò)程中保證低水膠比的同時(shí)也要混凝土具有較低的粘度，在較低的用水量和粘度之間找一個(gè)合適的平衡。

1　工程概況

深圳某醫(yī)院工程，地下3層，地上10層豎向結(jié)構(gòu)均為C60高強(qiáng)混凝土。混凝土施工過(guò)程中主要是汽車(chē)泵和拖式泵兩種泵送施工方式。通過(guò)分析，該工程主要控制要點(diǎn)在于C60混凝土的強(qiáng)度保證、泵送施工過(guò)程中混凝土的和易性和粘聚性、地下室結(jié)構(gòu)的裂縫預(yù)防等。針對(duì)這些控制要點(diǎn)，我們首先在原材料和配合比上做文章，配合比上留夠足夠的強(qiáng)度富余量，在強(qiáng)度和粘度之間找一個(gè)合適的平衡，為減少收縮盡量降低膠凝材料總量和增加粗骨料用量。

2　混凝土原材料

商品混凝土作為一種使用量最大的建筑材料，一定是在滿(mǎn)足質(zhì)量的情況下盡量保證材料和配合比的經(jīng)濟(jì)性。選用本地常用的幾種原材料通過(guò)正交對(duì)比試驗(yàn)優(yōu)選經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)的原材料，選定原材料后再通過(guò)正交對(duì)比試驗(yàn)確定各方面性能合適的配合比。

2.1水泥

主要比較兩種品牌的水泥：惠州光大P.O 42.5R，廣東塔牌P.O 42.5R。水泥的礦物組成、摻合料的種類(lèi)和摻量、調(diào)凝劑、堿含量、助磨劑等方面都會(huì)影響水泥和外加劑的適應(yīng)性，影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和流變性能，進(jìn)而影響到施工性能和最終工程質(zhì)量。

2.2摻合料

高強(qiáng)混凝土由于其較高的膠凝材料用量將不可避免的帶來(lái)較大的水化熱，摻用優(yōu)質(zhì)活性摻合料在保證強(qiáng)度的情況下，可大幅度降低水化溫升，減少收縮，降低裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。粉煤灰由于其良好的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)可以改善混凝土的流動(dòng)性和流變性能，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高后期抗?jié)B性能和耐久性。礦渣粉由于其較好的活性，在降低水泥水化熱和收縮的同時(shí)并不明顯的降低混凝土的強(qiáng)度，與粉煤灰復(fù)合使用具有較好的顆粒搭配，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。礦粉選用唐山首鋼S95級(jí)礦粉，粉煤灰選用大亞灣電廠(chǎng)Ⅱ級(jí)粉煤灰。

2.3外加劑

外加劑選用保坍性能良好、減水率高、含氣量低的聚羧酸高性能減水劑，供應(yīng)廠(chǎng)家為深圳五山建材有限公司。

2.4骨料

有兩種可供選擇的粗骨料類(lèi)型，一種5～25m m連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石，一種5～20m m連續(xù)級(jí)配的頁(yè)巖碎石。主要比較兩種碎石對(duì)和易性和強(qiáng)度的影響。有兩種可供選擇的細(xì)骨料類(lèi)型，一種是細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂，一種是細(xì)度模數(shù)為2.6的水洗砂。

2.5水

自來(lái)水。

3　通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選材料

選定要考察的因素和水平，通過(guò)試驗(yàn)考察因素和水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。把水泥的種類(lèi)、石子的種類(lèi)、砂的種類(lèi)作為要考察的因素，各自對(duì)應(yīng)的不同品牌和廠(chǎng)家作為每個(gè)因素的不同水平。如表1所示：

表1　材料種類(lèi)因素及水平

保持水膠比、用水量、砂率不變，略微增減外加劑摻量使混凝土的坍落度和流動(dòng)性滿(mǎn)足施工要求且基本一致。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定水膠比為 0.28，用水量選定148kg/m3,砂率選定39%，設(shè)定容重為2450kg/m3，粉煤灰和礦粉的摻量均為15%。試驗(yàn)過(guò)程中記錄混凝土和易性、倒置流空時(shí)間、成型試塊試壓強(qiáng)度等。主要考察因素水平對(duì)泵送性能和強(qiáng)度的影響。利用正交表L4(23),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2　材料種類(lèi)正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在給定的因素和水平的范圍內(nèi)，水泥品種對(duì)混凝土的可泵性和強(qiáng)度的影響最大，其次是砂子的種類(lèi)，最后是石子的種類(lèi)。塔牌水泥比光大水泥在與外加劑的適應(yīng)性、可泵性、強(qiáng)度等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，可選用塔牌水泥。稍粗的河砂在混凝土可泵性、強(qiáng)度等方面比稍細(xì)的水洗砂有優(yōu)勢(shì)，可選用稍粗的河砂。兩種石子對(duì)混凝土的可泵性和強(qiáng)度上影響不是很大，由于5～20m m的石子資源較少，價(jià)格相對(duì)較貴，考慮供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，選用5～25m m石子。

4　用選定的材料做試驗(yàn)優(yōu)選配合比

選定要考察的因素和水平，考察其對(duì)所觀察的試驗(yàn)結(jié)果的影響。試配所用材料為塔牌水泥、細(xì)度模數(shù)2.8的河砂、5～25m m花崗巖碎石、首鋼S95級(jí)礦粉、大亞灣電廠(chǎng)Ⅱ級(jí)粉煤灰、深圳五山聚羧酸外加劑、自來(lái)水等。把用水量、水泥用量、摻合料中粉煤灰和礦粉的比例、膠凝材料總量等四個(gè)因素作為考察對(duì)象，觀察其對(duì)倒置流空時(shí)間、強(qiáng)度、和易性的影響。其因素和水平表如表3所示：

表3　材料用量因素和水平

試配過(guò)程中保持設(shè)定的容重為2450kg/m3，砂率為39%不變，略微增減外加劑的摻量使混凝土的坍落度、流動(dòng)性、和易性滿(mǎn)足施工要求且基本一致。記錄混凝土和易性、倒置流空時(shí)間、成型試塊試壓強(qiáng)度等。主要考察因素和水平對(duì)混凝土泵送性能和強(qiáng)度的影響。利用正交表L9（34），試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

表4　材料用量正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在給定的因素和水平的范圍內(nèi)，膠材總量是影響泵送性能和強(qiáng)度的主要因素，膠凝材料越多強(qiáng)度越高。一般情況下，膠凝材料越多混凝土粘度越大，該規(guī)律并不能無(wú)限外延，存在突變的情況。試驗(yàn)的因素和水平范圍內(nèi)，膠凝材料選擇530kg/m3既能滿(mǎn)足試配強(qiáng)度大于69.0M Pa的要求，又能改善混凝土粘度。用水量越多粘度越小，在給定的水平范圍內(nèi)對(duì)強(qiáng)度的影響較小，根據(jù)粘度數(shù)據(jù)，可選擇用水量148kg/m3。水泥用量對(duì)混凝土的粘度和強(qiáng)度影響較小，根據(jù)經(jīng)濟(jì)型原則可選擇最小水平350kg/m3。粉煤灰和礦粉的比例規(guī)律比較復(fù)雜，對(duì)于28d強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，礦粉摻量越多強(qiáng)度越高，但影響并不是很大，對(duì)于粘度來(lái)說(shuō)，單摻兩者比復(fù)摻效果都要好，可能是三種膠凝材料的顆粒搭配不良引起。考慮到水化溫升、裂縫和成本的影響，配合比中還是要摻一定比例的粉煤灰，同時(shí)粉煤灰對(duì)后期強(qiáng)度和抗?jié)B性有較好的貢獻(xiàn)。

在選定參數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)在水泥用量和摻合料比例上考察最佳方案。水泥用量選定350kg/m3、320kg/m3等兩個(gè)水平，粉煤灰和礦粉的比例選定7:3、5:5、3:7等三個(gè)水平做交叉對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5　交叉對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，除了4號(hào)和5號(hào)在強(qiáng)度保證率上較低以外，其余編號(hào)配合均可滿(mǎn)足施工和強(qiáng)度要求。考慮到開(kāi)裂的影響，根據(jù)清華大學(xué)安明喆博士在礦物摻合料對(duì)高性能混凝土自收縮影響因素方面進(jìn)行的系統(tǒng)研究：礦渣細(xì)度小于400m2/kg時(shí)，對(duì)減少混凝土自收縮有利，隨礦渣摻量的增大，自收縮減小，但當(dāng)細(xì)度大于400m2/kg時(shí)，礦渣活性明顯提高，引起自收縮增大[1]。目前礦渣粉的細(xì)度均在400m2/kg以上，而自收縮成為影響高性能混凝土產(chǎn)生裂縫的最主要因素[2]，在其他性能影響不大的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇礦粉摻量小的配合比方案。確定1號(hào)配合比為優(yōu)先考慮配合比，通過(guò)試驗(yàn)室多次不同日期、不同批次的原材料試配結(jié)果，混凝土和易性和泵送性能符合施工要求，試配28d強(qiáng)度穩(wěn)定在69.0M Pa以上。最終選定1號(hào)配合比為實(shí)際使用理論配合比。

5　混凝土實(shí)際應(yīng)用效果和存在的問(wèn)題

該工程最終澆筑C60高強(qiáng)混凝土近2000方，出廠(chǎng)坍落度200～240m m，經(jīng)過(guò)近30m i n的運(yùn)輸，到廠(chǎng)坍落度190～230m m，混凝土和易性和粘聚性良好，澆筑過(guò)程中未出現(xiàn)堵泵現(xiàn)象，站內(nèi)混凝土試塊強(qiáng)度在64.3～72.5M Pa之間。施工完成后在該工程地下室墻體中發(fā)現(xiàn)少量的豎向微裂縫，地下室墻體的裂縫問(wèn)題一直是一個(gè)不可忽視而又經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。理論上，裂縫的出現(xiàn)與地下室特殊的封閉結(jié)構(gòu)形式、高標(biāo)號(hào)混凝土的體積穩(wěn)定性、高標(biāo)號(hào)混凝土的高水化熱、養(yǎng)護(hù)的方式方法、環(huán)境因素等均有較大關(guān)系。每一個(gè)獨(dú)立工程都有其無(wú)法復(fù)制的特殊性，這種特殊性和裂縫的復(fù)雜性結(jié)合在一起使具體的每一條裂縫產(chǎn)生的原因很難尋找，由于篇幅和筆者經(jīng)驗(yàn)有限，在此不在贅述，留給有經(jīng)驗(yàn)的同行解答。●

[1]姚燕.高性能混凝土的體積變形及裂縫控制［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.26-27.

[2]姚燕.高性能混凝土的體積變形及裂縫控制［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.25-26.