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高强混凝土和高性能混凝土如何应用外加剂?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-09-28

高强混凝土是国内外研究的热门课题之一,高性能混凝土则是研究热点,选用的外加剂和矿物外加剂(掺合料)应符合相关标准的要求。

一、外加剂选择

(一)减水剂配制高强度混凝土必须使用减水剂,并根据不同的要求辅以助剂配制,其掺量应根据试验确定,多数情况下取推荐掺量的上限。普通减水剂的减水率为5% ~10%,不适于单独配制C60以上的高强混凝土。高效减水剂,如萘系、多环芳烃系和三聚氰胺系,因为它们减水率较大,约18%~25%,这样可在0.5%~2.0%掺量范围内调整用水量。掺高效减水剂对混凝土有很好的早强(3d强度提高40%~70%)和增强(28d强度提高20%~40%)作用,因此配制高强混凝时,一般不掺用早强剂。一些高效减水剂在混凝土中采用同掺法时,其掺量高,坍落度损失大,改为滞水法后往往能降低掺量10%~30%,坍落度损失的情况得到改善。高性能混凝土多数也有很高的强度,要求水灰比能降低到0.3以下,新型高效减水剂(氨基磺酸盐、聚羧酸盐类) 掺量小,减水率高,与水泥相容性好,更容易满足高性能混凝土的要求。

(二)缓凝剂

高强混凝土中掺缓凝剂的作用,其一是控制早期水化,延缓水化放热过程;其二是进一步提高减水作用;其三是提高混凝土强度,并且与掺量成正比。正常掺量(0.02% ~0.10%) 缓凝剂可以提高24h及以后的强度。这是因为高强混凝土配合比设计中一般水泥用量高,用缓凝剂能调整水泥水化速度,降低水化热,使混凝土在预计的温度下符合要求的硬化速度,消除冷接缝,满足浇灌、振捣和脱模时间等工艺要求。缓凝剂与高效减水剂配合使用可减少坍落度损失,已成功地应用在许多工程中。然而,在气温较高时,有些缓凝剂的缓凝作用降低,且温度升高使混凝土后期强度降低,这时应适当增加缓凝剂掺量。如果气温较低,可能对早期(24h) 强度产生不利影响,这时应适当减小掺量。

(三)引气剂

C60高强混凝土并非是高抗冻混凝土,其抗冻性能不能满足F300的要求,但C80,C100等级的高强混凝土具有超常的抗冻性,其抗冻等级可达F1200以上,甚至达F2000以上。高强混凝土冻融破坏的形态与普通混凝土有很大区别,在冻融过程中并不表现相对动弹性模量或重量损失(表面剥落)的逐步增加,而是到某一冻融循环时出现横向裂缝,再发展时,相对动弹性模量徒然下降。由此初步说明高强混凝土的冻融破坏机理与普通混凝土有差别,当高强混凝土采用引气剂改性后,引气高强混凝土比一般的高强混凝土将具有更高的抗冻性。气泡间距系数与高强混凝土的抗冻性没有明显的相关性,但气泡平均半径却在一定程度上反映了高强混凝土的抗冻性,当气泡平均半径小于0.01cm左右时,高强混凝土具有超抗冻的特性。C80以下的高强混凝土抗冻融性等耐久性要求高时,可以使用优质引气剂提高耐久性,含气量应控制标准规定的下限。引气会降低强度,特别是高强混凝土中每引气1%,强度降低5%~7%,应使用减水率大于20%的高效减水剂复合优质引气剂,一般无抗冻要求的高强混凝土可以不使用引气剂。

(四)膨胀剂

高强混凝土中,膨胀剂并不是都要掺加,为了提高混凝土的体积稳定性、密实性、耐久性及补偿收缩,高性能混凝土掺加膨胀剂的量有了较大的增长。

(五)防冻剂

在冬期施工中,高强混凝土中需要掺入防冻剂。常用无机防冻剂掺量较大,对水的化学活性降低较显著,导致混凝土强度增长缓慢和28d验收强度偏低,对高强度混凝土的影响较为显著。由于高强混凝土的水泥用量大,水化热发展快而集中,因此防冻组分掺量可以减少,在气温-5℃左右时可以不用。在较低的负温环境中宜使用掺量小而防冻效果较好的有机防冻组分。

(六)矿物外加剂(掺合料)

尽可能减少高强混凝土的水泥用量,外掺加粉煤灰等矿物掺合料应是配制高强混凝土的重要原则。对不同强度等级的高强混凝土,矿物掺合料的细度和需水量比有不同的要求。配制高强混凝土的矿物掺合料可选用粉煤灰、磨细矿渣、磨细天然沸石岩和硅粉等。高性能混凝土则几乎都使用矿物掺合料,且多数是多种矿物掺合料复合掺加,这些掺合料改善了混凝土的粘聚性和稳定性,混凝土硬化后的性能也得到改善。

(1)粉煤灰:用作高强混凝土掺合料的粉煤灰一般应选用Ⅰ级灰。对强度等级较低的高强混凝土,通过试验也可选用Ⅱ级灰,尽可能选用需水量比小且烧失量低的粉煤灰。

(2)磨细矿渣:用作高强混凝土掺合料的磨细矿渣应符合标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T18736—2002),达到GB/T8046—2000规定的S95等级以上,即符合下列质量要求:比表面积≥3500cm/g;需水量比≤100%;抗压强度比≥100%;烧失量≤3%;Cl≤0.02%。

(3)磨细天然沸石岩:用作高强混凝土掺合料的天然沸石岩应选用斜发沸石或丝光沸石,不宜选用方沸石、十字沸石及菱沸石。磨细天然沸石粉应符合下列质量要求:铵离子净交换量≥110meq/100g(斜发沸石) 或120meq/100g(丝光沸石);细度:0.08mm方孔筛余<10%;抗压强度比≤90%。

(4)硅粉:用作高强混凝土掺合料的硅粉应符合下列质量要求:二氧化硅含量≥85%;比表面积(BET-N2吸收法)≥15000m/kg,平均粒径0.1~0.2μm。Cl-≤0.02%。

(七)外加剂复合使用

使用复合外加剂的目的是降低成本和改善性能。多数高强混凝土都同时使用矿物掺合料和化学外加剂,这些混凝土通常将几种外加剂复合使用。当高效减水剂与普通减水剂或缓凝剂复合用于高强混凝土中时,能够降低坍落度损失率,减少高效减水剂的用量。

二、施工技术

(一)搅拌

拌制高强混凝土不得使用自落式搅拌机。混凝土原材料均按质量计量,计量的允许偏差为:水泥和掺合料±1%,粗、细集料±12%,水和化学外加剂±1%。

配制高强混凝土必须准确控制用水量。砂、石中的含水量应及时测定,并按测定值调整用水量和砂、石用量。高强混凝土的配料和拌合应采用自动计量装置。当需要手工操作时,应严格控制拌合物出机时的均匀性和稳定性。严禁在拌合物出机后加水,必要时可适当添加高效减水剂。

高效减水剂可采用粉剂或水剂,并宜采用后掺法。当采用水剂时,应在混凝土用水量中扣除溶液用水量;当采用粉剂时,应适当延长搅拌时间(不少于30s)。

(二)混凝土运输与浇筑

长距离运输拌合物应使用混凝土搅拌车,短距离运输可利用现场的一般运送设备。装料前,应清除运输车内积水。混凝土自由倾落的高度不应大于3m。当拌合物水胶比偏低且外加掺合料后有较好的粘聚性时,在不出现分层离析的条件下允许增加自由倾落高度,但不应大于6m。浇筑高强混凝土必须采用振捣器捣实。一般情况下宜采用高频振捣器,且垂直点振,不得平拉。当混凝土拌合物的坍落度低于120mm时,应加密振点。

不同强度等级混凝土现浇构件相连接时,两种混凝土的接缝应设置在低强度等级的构件中,并离开高强度等级构件一段距离。当接缝两侧的混凝土强度等级不同且分先后施工时,可沿预定的接缝位置设置孔径5mm×5mm的固定筛网,先浇筑高强度等级混凝土,后浇筑低强度等级混凝土。

当接缝两侧的混凝土强度等级不同且同时浇筑时,可沿预定的接缝位置设置隔板,且随着两侧混凝土浇入逐渐提升隔板,并同时将混凝土振捣密实;也可沿预定的接缝位置设置胶囊,充气后在其两侧同时浇入混凝土,待混凝土浇完后排气取出胶囊,同时将混凝土振捣密实。

泵送高强混凝土的坍落度宜为120~200mm。泵送高强混凝土的工作性可采用扩展度及黏性指标评定。在冬期拌制泵送高强混凝土时,应制定相应的施工措施,以保证混凝土拌合物入模温度高于10℃。

(三)养护

高强混凝土浇筑完毕后,必须立即覆盖养,或立即喷洒或涂刷养护剂,以保持混凝土表面湿润,养护日期不少于7d。为了保证混凝土质量,防止混凝土开裂,高强混凝土的入模温度应根据环境状况和构件所受的内、外约束程度加以限制。养护期间混凝土的内部最高温度不宜高于75℃,并应采取措施使混凝土内部与表面的温度差小于25℃。

三、质量控制

(一)原材料

外加剂使用前,除了对外加剂的质量进行检验外,还要结合工程实际进行试验,主要进行外加剂(特别是高效减水剂)和水泥的相容性试验。配制高强混凝土所用其他原材料应符合下列要求:

(1)水泥:应选用质量稳定、强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。从矿物组成的选择,应为CS高、CA低、含碱量低的水泥,SO含量应保持最佳值,其波动应限于0.20%之内。《高强混凝土结构技术规程》(CECS104—1999) 指出,用于高强混凝土的水泥,其矿物成分中的CA含量不宜超过8%。CA含量较高时,水泥水化加快,与普通混凝土相比,高强混凝土的拌合水较少,水化速度极快的CA和石膏争夺水分,溶解速率和溶解度比CA低得多的石膏在液相中溶出SO2- 更显不足,这样,掺加高效减水剂的拌合物容易出现坍落度迅速损失的现象。用CA含量不同的水泥配制高强混凝土,其他条件相同,达到相同坍落度时,所需水胶比不同,因而强度也不同,CA高的水泥需水量高,配出的高强混凝土强度偏低。在水泥用量相同的条件下,熟料中CA含量高的水泥,如不采取措施,混凝土水胶比很难降得很低。另外,CA的水化产物强度最低,应控制CA的含量。

(2)细集料:高强混凝土中优先选择质地坚硬、级配良好的天然砂。对细集料优化级配,主要考虑的不是对需水量的影响而是物理填充。细度模数低于2.5的砂使混凝土干硬而难于振捣密实;而细度模数在3.0左右时,混凝土的工作性好、抗压强度高。砂的级配对混凝土早期强度没有明显影响,但在后期产生较大影响。连续级配砂比间断级配砂好,混凝土强度高。含泥量不应大于1.5%,配制C70及以上等级混凝土时,细集料含泥量不应大于1.0%,且不允许有泥块存在,必要时应冲洗后使用。细集料的其他质量指标应符合《建筑用砂》(GB/T14684—2001)的规定。

(3)粗集料:应选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石,集料母体岩石的立方体抗压强度应比所配制的混凝土强度高50%以上。粗集料颗粒中,针片状颗粒含量不宜大于5%,不得混入风化颗粒。试验证明含泥量从2.7%降低至0.5%时,强度从69.8MPa提高到82.3MPa。所以,含泥量不应大于1%。配制≥C80等级混凝土时,含泥量不应大于0.5%。同时,粗集料最大粒径不宜大于20mm,粗集料宜采用II级级配。

配制高强混凝土时,选用强度高的集料是极其重要的。粗集料的性能对高强混凝土的抗压强度及弹性模量起决定性作用。用抗压强度190MPa的硬砂岩和辉绿岩制成的混凝土,28d龄期的强度在100MPa以上。而强度低的集料,相同配比河卵石和石灰石(65.2MPa) 制成的混凝土28d强度分别为74.2MPa和83.7MPa。虽然石灰石属于有一定活性的集料,能够提高界面粘结力,其混凝土强度大于本身的强度,但只能用于配制80MPa以下的高强混凝土。当混凝土强度等级在C70~C80时,应仔细检验粗集料的性能。粗集料的吸水率愈低,质量密度愈高,配制的混凝土强度就愈高。粗集料的其他质量指标应符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685—2001)标准的规定。

(4)水:拌制高强混凝土的水,其质量应符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ63—1989)的规定。

(5)外加剂:外加剂除满足混凝土的用水量、坍落度、强度等基本要求外,还应满足混凝土耐久性的要求。在低水灰比的高强混凝土中,要注意防止由外加剂(高效减水剂、硅灰等) 引起的混凝土不正常开裂L9。为了防止发生碱集料反应,当结构处于潮湿环境且集料有碱活性时,每1m混凝土拌合物(包括外加剂)的含碱总量(NaO+0.658KO)不宜大于3kg,如果掺合料掺加量不高,水泥用量在400kg以上,高效减水剂(粉状)的用量常在3.5kg以上,则水泥的碱含量要控制在07%以内。高效减水剂宜选用低碱含量的产品,例如,磺化三聚氰胺甲醛缩合物类、脂肪族羟基磺酸盐类、氨基磺酸盐、聚羧酸盐类、萘系减水剂应选高浓型。水泥的碱含量超过时,应采取降低水泥用量,增加掺合料的比例等措施。为防止钢筋锈蚀,钢筋混凝土中的氯盐含量(以氯离子质量计)不得大于水泥质量的0.2%;当结构处于潮湿或有腐蚀性离子的环境时,氯盐含量应小于水泥用量的0.1%;对于预应力混凝土,氯盐含量应小于水泥质量的0.06%。

(二)配合比

高强混凝土的配合比,应根据施工工艺要求的拌合物工作性和结构设计要求的强度,充分考虑施工运输和环境温度等条件进行设计,通过试配并经现场试验确认满足要求后方可正式使用。高强混凝土的配合比应有利于减少温度收缩、干燥收缩、自生收缩引起的体积变形,避免早期开裂。对处于有侵蚀性作用介质环境的结构物,所用高强混凝土的配合比应考虑耐久性的要求。

混凝土的配制强度必须大于设计要求的强度标准值,以满足强度保证率的要求。超出的数值应根据混凝土强度标准差确定。当缺乏可靠的强度统计数据时,C50和C60混凝土的配制强度应不低于强度等级值的1.15倍;C70和C80混凝土的配制强度应不低于强度等级值的1.12倍。

配制高强混凝土所用的水胶比(水与胶结料的质量比) 宜采用0.25~0.42。强度等级愈高,水胶比应愈低。配制C50和C60高强混凝土所用的水泥量不宜大于450kg/m,水泥与掺合料的胶结材料总量不宜大于550kg/m。因为高强混凝土的胶结料用量高水胶比小,容易产生较大的自收缩L10,配制C70和C80高强混凝土应控制所用的水泥量不大于500kg/m,水泥与掺合料的胶结材料总量不宜大于600kg/m。配制高强混凝土所用高效减水剂的品种和掺量,应通过与水泥的相容性试验粉煤灰掺量不宜大于胶结材料总量的30%,磨细矿渣不宜大于50%,天然沸石岩粉不宜大于10%;硅粉不宜大于10%。宜使用复合掺合料,其掺量不宜大于胶结材料总量的50%。混凝土的砂率宜为28%~34%。当采用泵送工艺时,可为34%~44%。

高效减水剂掺量根据品种、混凝土强度要求的不同而变化,一般为胶结材料总量的0.3%~1.5%。为了提高拌合物的工作性和减少混凝土坍落度在运输、浇筑过程中的损失,可采用复合缓凝高效减水剂、载体流化剂,或滞水后掺、多次添加等方法。

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