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摘要:介绍混凝土高耐久性指标和要求,从原材料选择、配合比设计方面阐述高耐久混凝土的配制和质量控制思路。
关键词:混凝土 高耐久性 配制
从上世纪中期以来,混凝土成为了使用最广泛的建筑材料之一。以往工程中都比较重视混凝土的强度而容易忽视混凝土的耐久性,但调查显示[1~5],许多国家的混凝土构筑物都受到不同程度的侵蚀与破坏,严重的导致强度下降,结构破坏甚至倒塌。采用高性能混凝土替代传统混凝土结构物和建筑,改善混凝土耐久性能,延长混凝土构筑物使用寿命,研制并应用高耐久混凝土,不仅能够大大提高项目的投资效益,而且功在当代,利在千秋,具有深远的经济效益和社会效益。
1 混凝土高耐久性的指标和要求
1.1 考虑当地环境要素,为确保混凝土构筑物100年设计使用寿命的要求,依据环境作用等级,确定混凝土耐久性所涉及到的抗冻、碱集料反应等的设计指标为:①混凝土56d电通量:C35~C45<1500库仑;C50<1000库仑。②混凝土的抗冻等级(56d)≥F300。③混凝土的抗裂性应通过对比试验。④混凝土首选非碱活性骨料。若使用碱活性骨料,混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3。
1.2 高耐久性混凝土要求的原材料品质、配合比参数限值如下:①混凝土强度等级≥C35。②严格控制水泥用量:C35胶凝材料用量≥320kg/m3、≤400kg/m3,水胶比≤0.5;C40水胶比≤0.45;C50水胶比≤0.36。③混凝土中的最大氯离子含量为0.08%。④大体积混凝土避免采用高水化热水泥,优先采用双掺技术。
2 高耐久混凝土的配制思路
针对混凝土的耐久性指标和要求,应以配合比设计为重点,尽可能降低混凝土的单位用水量,实现低水胶比和低浆体用量[6],并将单位用水量作为控制混凝土耐久性的一项首要控制手段,贯穿于混凝土生产的过程控制和施工管理。如下分别从原材料选择、配合比设计方面阐述高耐久混凝土的配制和质量控制。
2.1 原材料优选
2.1.1 水泥。细颗粒较多的水泥,水化后在混凝土内部产生微小毛细孔,可以使有害孔隙减小,从而提高混凝土的抗渗性,但需注意水泥细度的增加对降低水灰比不利,使混凝土抗裂性下降。配置混凝土时,优先采用水化热低的普通硅酸盐水泥。对水泥技术指标的要求:除基本技术指标满足国家标准(GB175-2007)对普通硅酸盐水泥的要求外,在细度上要求水泥不宜过细。此外还控制对体积安定性有较大影响的游离石灰、三氧化硫和氧化镁的含量,以及水化速度快、水化热高、需水量大、体积收缩大的铝酸三钙含量,严格控制水泥的碱含量(以Na2O计)不大于0.6%,熟料中C3A含量不大于8%。
2.1.2 粗、细骨料。配制高耐久性的混凝土的骨料应满足下列要求:
①质地均匀坚固,粒形和级配良好、吸水率低、空隙率小。②处于冻融循环下的工程混凝土,宜进行骨料的坚固性试验,坚固性试验的失重率要低于5%(细骨料)和8%(粗骨料)。③对于可能处于干湿交替或者冻融循环下的混凝土,粗、细骨料中的含泥量应该分别低于0.7%和1%。④在氯盐环境作用下的混凝土,不宜采用抗渗性较差的岩质如某些花岗岩、砂岩等作为骨料。⑤对于重要的钢筋混凝土工程应严禁使用海砂。⑥粗、细骨料中硫化物及硫酸盐含量均小于0.5%,氯离子含量均小于0.02%。
针对以上要求,配置混凝土选用的细骨料应为级配良好、质地均匀坚固、吸水率低的天然中粗砂,级配区为Ⅱ区,控制其细度模数在2.6~2.9之间。粗骨料应为级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小、吸水率小的洁净碎石,粒径5~31.5mm(C50为5~25mm),特别控制其吸水率小于1.0%,压碎值指标小于10.0%,针片状含量小于8.0%,坚固性指标小于5.0%。在满足泵送及施工的条件下,尽量扩大粗骨料最大公称粒径(优先选用5~31.5mm),因为粗骨料粒径越大,级配越好,孔隙率越小,总表面积越小,每方混凝土的砂浆和水泥用量越小,水化热就随之降低,此为配制高耐久混凝土的关键。
2.1.3 外加剂。在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,应尽可能降低用水量,减少水灰比,使混凝土的总孔隙、特别是毛细管孔隙率大幅度降低。加入减水剂后,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,阻止了水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起了润滑的作用,同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来,增加了混凝土的流动性,改善了拌合物的和易性,从而达到减水的目的。许多研究表明,当水灰比降低到0.38以下时,消除毛细管孔隙的目标便可以实现,而掺入高效减水剂,完全可以将水灰比降低到0.38以下。
高耐久性混凝土的配制应选用减水率高、坍落度损失小、适量引气,能明显提高混凝土的耐久性且质量稳定的外加剂。一方面它与水泥及各种矿物掺合料之间有良好的相容性,另一方面混凝土中掺入减水剂后使混凝土工作性能有了明显的改善,减少拌合用水量,降低水泥用量,从而降低了水化热,赋予混凝土高密实度和优异的施工性能。泵送混凝土可同时添加缓凝剂,延缓凝结时间,避免因凝结时间过早导致混凝土层间缝隙的产生,从而使混凝土防水、抗裂和整体强度提高,同时也改善混凝土的和易性,减少运输过程中的坍落度损失。
2.1.4 掺合料。优先采用双掺技术,利用不同矿物成分的协同优势,以改善新拌和硬化混凝土的性能,并使高性能混凝土更经济和更生态。粉煤灰和矿粉在混凝土配合比中的应用,一方面由于其颗粒呈圆球状,加入到混凝土中后能起到润滑作用,可显著地改善混凝土的和易性,大大改善混凝土工作性能;同时在满足强度要求下可替代部分水泥,以降低水化热,减小混凝土的温度应力,从而增加地铁混凝土的抗裂性能;另一方面由于粉煤灰和矿粉的火山灰反应,进一步改善混凝土内部的孔结构,使混凝土中总的孔隙率降低,孔结构进一步细化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,混凝土收缩值也相应减小。 2.2 优化配合比设计 混凝土配合比设计的参数值(设计的目标强度值、水胶比、工作性、最小胶凝材料用量、抗渗等级、抗冻等级、56d电通量、氯离子含量、总碱含量等)同时满足JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》、CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、CECS220:2007《混凝土结构耐久性评定标准》、《地铁混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建[2005]157号)中相关配合比要求的所有规定。
采用低水胶比、双掺掺合料(矿粉和粉煤灰)或者单掺掺合料、添加引气减水剂的设计思路。在完成初步配合比计算后进行试配并调整确定,保证强度达到设计要求,同时满足施工和易性要求。
3 结语
提高混凝土的耐久性对于当前实现可持续发展战略,更好地利用资源、节约能源和保护环境,都具有十分重要的意义,这需要我们研究原材料及配合比对混凝土性能,特别是耐久性能的影响,来更好的延长混凝土构筑物使用寿命。
参考文献:
[1]American Society of Civil Engineering(ASCE),2001 Report Card for America’s Infrastructure,2001.
[2]M EHTA P K.Concrete durability: fifty year’s progress[A].Proceeding of 2nd International Conference on Concrete Durability[C].ACISP126-1,1991:1-33.
[3]A performance specification for durable concrete[J].Construction and Building Materials,1996,10(5):375-379.
[4]混凝土结构的耐久性综合调查报告[R].混凝土结构耐久性综合调查组,1990.1.
[5]全国水工混凝土建筑物耐久性及病害处理调查报告[R].水利水电科学研究所,1986.
[6]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.
作者简介:达海清(1981-),女,青海互助人,助理工程师,研究方向:混凝土配合比设计与混凝土性能。
关键词:混凝土 高耐久性 配制
从上世纪中期以来,混凝土成为了使用最广泛的建筑材料之一。以往工程中都比较重视混凝土的强度而容易忽视混凝土的耐久性,但调查显示[1~5],许多国家的混凝土构筑物都受到不同程度的侵蚀与破坏,严重的导致强度下降,结构破坏甚至倒塌。采用高性能混凝土替代传统混凝土结构物和建筑,改善混凝土耐久性能,延长混凝土构筑物使用寿命,研制并应用高耐久混凝土,不仅能够大大提高项目的投资效益,而且功在当代,利在千秋,具有深远的经济效益和社会效益。
1 混凝土高耐久性的指标和要求
1.1 考虑当地环境要素,为确保混凝土构筑物100年设计使用寿命的要求,依据环境作用等级,确定混凝土耐久性所涉及到的抗冻、碱集料反应等的设计指标为:①混凝土56d电通量:C35~C45<1500库仑;C50<1000库仑。②混凝土的抗冻等级(56d)≥F300。③混凝土的抗裂性应通过对比试验。④混凝土首选非碱活性骨料。若使用碱活性骨料,混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3。
1.2 高耐久性混凝土要求的原材料品质、配合比参数限值如下:①混凝土强度等级≥C35。②严格控制水泥用量:C35胶凝材料用量≥320kg/m3、≤400kg/m3,水胶比≤0.5;C40水胶比≤0.45;C50水胶比≤0.36。③混凝土中的最大氯离子含量为0.08%。④大体积混凝土避免采用高水化热水泥,优先采用双掺技术。
2 高耐久混凝土的配制思路
针对混凝土的耐久性指标和要求,应以配合比设计为重点,尽可能降低混凝土的单位用水量,实现低水胶比和低浆体用量[6],并将单位用水量作为控制混凝土耐久性的一项首要控制手段,贯穿于混凝土生产的过程控制和施工管理。如下分别从原材料选择、配合比设计方面阐述高耐久混凝土的配制和质量控制。
2.1 原材料优选
2.1.1 水泥。细颗粒较多的水泥,水化后在混凝土内部产生微小毛细孔,可以使有害孔隙减小,从而提高混凝土的抗渗性,但需注意水泥细度的增加对降低水灰比不利,使混凝土抗裂性下降。配置混凝土时,优先采用水化热低的普通硅酸盐水泥。对水泥技术指标的要求:除基本技术指标满足国家标准(GB175-2007)对普通硅酸盐水泥的要求外,在细度上要求水泥不宜过细。此外还控制对体积安定性有较大影响的游离石灰、三氧化硫和氧化镁的含量,以及水化速度快、水化热高、需水量大、体积收缩大的铝酸三钙含量,严格控制水泥的碱含量(以Na2O计)不大于0.6%,熟料中C3A含量不大于8%。
2.1.2 粗、细骨料。配制高耐久性的混凝土的骨料应满足下列要求:
①质地均匀坚固,粒形和级配良好、吸水率低、空隙率小。②处于冻融循环下的工程混凝土,宜进行骨料的坚固性试验,坚固性试验的失重率要低于5%(细骨料)和8%(粗骨料)。③对于可能处于干湿交替或者冻融循环下的混凝土,粗、细骨料中的含泥量应该分别低于0.7%和1%。④在氯盐环境作用下的混凝土,不宜采用抗渗性较差的岩质如某些花岗岩、砂岩等作为骨料。⑤对于重要的钢筋混凝土工程应严禁使用海砂。⑥粗、细骨料中硫化物及硫酸盐含量均小于0.5%,氯离子含量均小于0.02%。
针对以上要求,配置混凝土选用的细骨料应为级配良好、质地均匀坚固、吸水率低的天然中粗砂,级配区为Ⅱ区,控制其细度模数在2.6~2.9之间。粗骨料应为级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小、吸水率小的洁净碎石,粒径5~31.5mm(C50为5~25mm),特别控制其吸水率小于1.0%,压碎值指标小于10.0%,针片状含量小于8.0%,坚固性指标小于5.0%。在满足泵送及施工的条件下,尽量扩大粗骨料最大公称粒径(优先选用5~31.5mm),因为粗骨料粒径越大,级配越好,孔隙率越小,总表面积越小,每方混凝土的砂浆和水泥用量越小,水化热就随之降低,此为配制高耐久混凝土的关键。
2.1.3 外加剂。在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,应尽可能降低用水量,减少水灰比,使混凝土的总孔隙、特别是毛细管孔隙率大幅度降低。加入减水剂后,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,阻止了水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起了润滑的作用,同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来,增加了混凝土的流动性,改善了拌合物的和易性,从而达到减水的目的。许多研究表明,当水灰比降低到0.38以下时,消除毛细管孔隙的目标便可以实现,而掺入高效减水剂,完全可以将水灰比降低到0.38以下。
高耐久性混凝土的配制应选用减水率高、坍落度损失小、适量引气,能明显提高混凝土的耐久性且质量稳定的外加剂。一方面它与水泥及各种矿物掺合料之间有良好的相容性,另一方面混凝土中掺入减水剂后使混凝土工作性能有了明显的改善,减少拌合用水量,降低水泥用量,从而降低了水化热,赋予混凝土高密实度和优异的施工性能。泵送混凝土可同时添加缓凝剂,延缓凝结时间,避免因凝结时间过早导致混凝土层间缝隙的产生,从而使混凝土防水、抗裂和整体强度提高,同时也改善混凝土的和易性,减少运输过程中的坍落度损失。
2.1.4 掺合料。优先采用双掺技术,利用不同矿物成分的协同优势,以改善新拌和硬化混凝土的性能,并使高性能混凝土更经济和更生态。粉煤灰和矿粉在混凝土配合比中的应用,一方面由于其颗粒呈圆球状,加入到混凝土中后能起到润滑作用,可显著地改善混凝土的和易性,大大改善混凝土工作性能;同时在满足强度要求下可替代部分水泥,以降低水化热,减小混凝土的温度应力,从而增加地铁混凝土的抗裂性能;另一方面由于粉煤灰和矿粉的火山灰反应,进一步改善混凝土内部的孔结构,使混凝土中总的孔隙率降低,孔结构进一步细化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,混凝土收缩值也相应减小。 2.2 优化配合比设计 混凝土配合比设计的参数值(设计的目标强度值、水胶比、工作性、最小胶凝材料用量、抗渗等级、抗冻等级、56d电通量、氯离子含量、总碱含量等)同时满足JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》、CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、CECS220:2007《混凝土结构耐久性评定标准》、《地铁混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建[2005]157号)中相关配合比要求的所有规定。
采用低水胶比、双掺掺合料(矿粉和粉煤灰)或者单掺掺合料、添加引气减水剂的设计思路。在完成初步配合比计算后进行试配并调整确定,保证强度达到设计要求,同时满足施工和易性要求。
3 结语
提高混凝土的耐久性对于当前实现可持续发展战略,更好地利用资源、节约能源和保护环境,都具有十分重要的意义,这需要我们研究原材料及配合比对混凝土性能,特别是耐久性能的影响,来更好的延长混凝土构筑物使用寿命。
参考文献:
[1]American Society of Civil Engineering(ASCE),2001 Report Card for America’s Infrastructure,2001.
[2]M EHTA P K.Concrete durability: fifty year’s progress[A].Proceeding of 2nd International Conference on Concrete Durability[C].ACISP126-1,1991:1-33.
[3]A performance specification for durable concrete[J].Construction and Building Materials,1996,10(5):375-379.
[4]混凝土结构的耐久性综合调查报告[R].混凝土结构耐久性综合调查组,1990.1.
[5]全国水工混凝土建筑物耐久性及病害处理调查报告[R].水利水电科学研究所,1986.
[6]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.
作者简介:达海清(1981-),女,青海互助人,助理工程师,研究方向:混凝土配合比设计与混凝土性能。