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高性能混凝土配合比如何配制?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-09-27

武广铁路客运专线是我国“中长期铁路网规划” 的重要工程,全长多达1000km,设计时速350km/h,混凝土结构的使用年限为100年,沿线年最高气温为40℃,最低气温为-5℃,大气中干湿交替频繁;一些地段的河流中存在多种有害离子。因为武广铁路的工程建设环境与使用环境均比较严酷,对混凝土的综合性能提出了很高要求,混凝土能抵抗中等以上强度的硫酸盐腐蚀;具有较强的抵抗氯离子渗透能力等。20世纪90年代高性能混凝土(HighPerformanceConcrete,HPC)的研究结果表明,粉煤灰掺合料可以改善混凝土性能,提高其耐久性。

一、高性能混凝土设计技术指标

高性能混凝土的最大特点就是以耐久性作为设计的主要指标,根据设计院提供的《新建铁路武汉至广州客运专线武汉工程试验段施工图设计》,对耐久性要求有如下解析,“根据地质化验资料,本地段地下水及环境水对混凝土无浸蚀作用,混凝土结构所处的环境为碳化引起锈蚀。” 可见本段混凝土所处的环境为碳化环境。由《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》可得到混凝土耐久性如下要求。

(1)混凝土抗氯离子渗透性的电通量应满足表1的规定。

 

(2)在进行混凝土配制中应进行抗裂性对比试验,确定最优良的配合比。

(3)混凝土的抗碱-集料反应性能应满足下列规定:

①集料的碱-硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱-碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0.10%;

②当集料的碱-硅酸反应砂浆棒膨胀率0.10%~0.20%时,混凝土的碱含量应满足表2的规定;当集料的碱硅酸反应砂浆棒膨胀率0.20%~0.30%时,除了混凝土的碱含量应满足表2的规定外,还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和复合外加剂,并进行相应试验证明其抑制有效。

 

(4)钢筋混凝土中氯离子总含量(包括水泥、矿物掺合料、粗集料、细集料、水、外加剂等所含氯离子含量之和)不应超过胶凝材料总量的0.10%,预应力混凝土的氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.06%。

(5)要求混凝土含气量不应小于2.0%。

二、配合比设计思路

本高性能混凝土配合比主要用于桥梁结构,其桥梁基桩地处地下水环境中,当水中的Cl渗透到混凝土中的钢筋表面时,就会破坏钢筋表层钝化膜,导致钢筋锈蚀引起结构破坏。为满足耐久性要求,设计人员在设计混凝土工程时,应明确采用高性能混凝土,其特性除强度、拌合物的和易性必须满足设计和施工要求外,还应根据具体使用条件和环境,具备所需要的防止钢筋锈蚀的性能、抗冻性和抗渗性。通过深入分析混凝土劣化机理和控制耐久性因素,科学地选择组成材料和进行混凝土配合比设计,通过生产、浇捣和养护,以达到有效地防止Cl渗透,延长结构工作寿命的目的。

高性能混凝土是通过对原材料的优选和质量控制、配合比优化、生产过程的有效控制,使生产出的混凝土拌合物具有良好的施工性能、硬化混凝土的结构改善,具有较高的耐久性。根据施工现场泵送的需要,高性能混凝土要求不仅具有大坍落度,更要求减小坍落度经时损失,适宜的黏度、大流动性,不泌水、不离析和适宜的凝结时间等优良施工性能。

三、实现混凝土高能性化的技术途径

高性能混凝土对组成材料要求十分严格,造价较高。高性能混凝土的技术途径如下:在常规材料和生产设备、生产工艺的基础上,优化集料级配,减小空隙率,减少水泥浆的数量;采用新型缓凝高效减水剂减少混凝土的单方用水量(控制用水量小于或等于150kg/m),减少坍落度的经时损失,延缓混凝土的凝结时间;采用大掺量的超细矿物外加剂,或超细复合矿粉掺合料。超细掺合料在混凝土中不但起到填充作用,更重要的是参与胶凝材料的水化反应,使水泥用量比常规减少20~40%或更多。由于充分发挥了超细矿物外加剂的复合效应,降低了水胶比,改善了水泥浆的质量。砂、石材料的含泥量与泥块含量要求严格,石子的最大粒径控制在25.0mm,砂子采用中粗砂,而且水泥的碱含量控制在小于0.6%以下。采用强制式搅拌,一次性加入高效减水剂,新拌混凝土的和易性好,而且搅拌楼就建在施工现场,搅拌好的混凝土用灌车运到泵送点只需5~30min,保证了新拌混凝土的可泵性和施工性能。

四、混凝土配合比设计

(一)原材料选择

采用高性能混凝土后,对施工原材料、施工过程的质量控制提出了很高的要求,因此,在进行配合比设计前,各种原材料应按有关检验项目、批次规定,严格实施进场形式检验。根据《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的相应规定,其原材料的试验结果如下:

(1)水泥:选用湖北华新水泥股份有限公司生产的保垒牌P·O32.5普通硅酸盐水泥,比表面积371m/kg,细度0.9%,初凝3h:05min,终凝4h:15min,三氧化硫1.82%,氧化镁4.91%,烧失量4.75%,碱含量0.46%,氯离子含量0.014%,游离氧化钙含量0.48%,熟料中的CA含量7.94%,抗折强度4.9MPa/3d,8.7MPa/28d;抗压强度25.4MPa/3d,45.0/28d。

(2)矿物掺合料:粉煤灰选用优质的赤壁电厂Ⅰ粉煤灰,细度1.9%,三氧化硫1.11%,烧失量3.17%,含水量0.36%,需水量比91%,碱含量1.38%,氯离子含量0.006%;阳逻电厂Ⅰ 粉煤灰,细度4.2%,三氧化硫0.66%,烧失量1.28%,含水量0.16%,需水量比95%,碱含量1.09%,氯离子含量0.006%。

(3)砂:河砂,细度2.8,属于II区中砂,连续级配,砂子表观密度2630kg/m,堆积密度1570kg/m,含泥量0.5%,坚固性4.0%,吸水率0.4%,硫化物0.04%,碱活性(砂浆棒法)0.09%。

(4)石子:碎石,5~16mm和5~25mm两种粒径进行掺配,配制成5~25mm连续级配,表观密度2700kg/m,堆积密度1560kg/m,紧密密度1700kg/m,紧密空隙率37%,压碎指标9.0%,针片状含量4.2%,含泥量0.9%,坚固性2.0%,吸水率1.0%,硫化物0.06%,碱活性(岩相法)0.09%。

(5)外加剂:聚羧酸盐高性能减水剂,收缩率比113%,含气量4.2%,硫酸钠含量1.30%,碱含量2.88%,氯离子含量0.06%,减水率20%,对钢筋无锈蚀作用。

(6)水:饮用水。

(二)混凝土配合比优化

根据原材料情况和实际经验,按耐久性理念设计了20种混凝土配合比,经试配优化,得到4个配合比,见表3。

 

(三)混凝土总碱含量和氯离子总含量

根据客运专线混凝土结构的使用年限为100a,经计算,优化选出的4个配合比的总碱含量和氯离子总含量均满足高性能混凝土耐久性的要求,见表4。

 

五、混凝土的性能

(一)混凝土拌合物性能

根据施工特点,要求混凝上出机时坍落度为180~220mm,最好出机后1.5h坍落度不小于120mm,含气量大于或等于2%。

混凝土拌合物性能试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2002)进行。表5是新拌混凝土的试验结果。从中可看出,所有配合比的混凝土出机坍落度均满足施工要求,1,2(水下),3及4(水下) 在出机15h内坍落度保持较好,满足泵送混凝土的要求;用粉煤灰等量取代部分水泥拌制的高性能混凝土初期压力泌水较慢,其初期相对压力泌水率为12%~21%,改善了混凝土拌合物的和易性,提高了混凝土的可泵性。经试泵,配制的高性能混凝土可泵性能良好。

 

(二)混凝土力学性能

混凝土的力学性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002) 进行,主要试验结果见表6。从表6中可看出,掺粉煤灰的高性能混凝土的早期抗压强度(3d) 较普通混凝土低,但所有混凝土的后期力学性能均达到C30的设计要求。这是由于粉煤灰在早期不参与水化反应,而在早期水化反应较快的水泥用量又较普通混凝土少。由此可见,用粉煤灰等量取代部分水泥配制高性能混凝土是可行的。

(三)混凝土早期抗裂性能

为了评价混凝土拌合物在早期凝结硬化过程中收缩开裂的性能,采用圆环法试件进行混凝土早期抗裂性测试。对4组配合比的混凝土试件进行的抗裂性试验。从中可看出,用1,2(水下),3,4(水下)配合比拌制的混凝土早期抗裂性能好,在相应的环境条件下从浇筑起直至56d未开裂,早期抗裂性能符合《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》要求。

(四)混凝土氯离子渗透性能

氯离子渗透性能反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向内部侵入的能力,是混凝土耐久性的重要性能指标之一。本试验采用美国标准ASTMC1202—1994,按照通过试件的电量Q值,该标准将混凝土抵抗氯离子渗透的能力,对混凝土抵抗氯离子渗透能力进行评价。试件为直径100mm、高度51mm圆柱体。我们依据通过混凝土试件的总电量来评价混凝土抗Cl渗透的能力,电量越小,混凝土抗Cl渗透的能力越大,密实性越高。试验结果表明,矿物掺合料显著提高了混凝土抗Cl渗透的能力,使通过混凝土的总电量均小于500℃,另这说明混凝土有很高的抗Cl渗透的能力,掺粉煤灰的高性能混凝土具备优越的抗氯离子侵蚀能力。混凝土的抗渗性能试验见表7。

随时间的推移Cl渗透能力随混凝土龄期的延长而减小,混凝土密实度逐渐提高,抵抗氯离子渗透的能力也逐渐增强。

六、工程应用情况

在某大桥基础灌注施工中,混凝土集中搅拌,混凝土罐车运输,浇灌时采用泵送施工工艺,经低应变检测的桩基均达到Ⅰ类桩质量等级;施工矩形空心桥墩、空心桥台,混凝土拌合物和易性好、可泵性良好,墩台身表面平整光滑,无气孔,无裂缝,墩台身质量全部达到《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》要求。

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