浅析客运专线HPC原材料的要求

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高性能混凝土是一种新型高科技混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土,它以耐久性作为设计的主要指标。

与普通混凝土相比较不仅在原材料强度上有特殊要求而且在耐久性上有更高的要求。

1 水泥中的有害物质
水泥是混凝土中,也是高兴能混凝土中最重要的一种胶凝材料,他的各种化学物质在混凝土中造成性能和强度的严重影响。

1.1游离CaO 的影响
1.1.1产生原因
水泥中CaO为无色圆形颗粒,水泥熟料矿物主要是在高温下固相反应生成,反应的完全程度受到生料的配比,细度和混合均匀程度,烧成温度及烧成带停留时间等条件的影响,氧化钙与氧化硅、氧化铝、氧化铁的化学反应不可能很完全,或多或少地将剩余一些氧化钙未被吸收化合。

1.1.2对高性能混凝土的影响熟料中的游离氧化钙经1400℃～1450℃高温煅烧(俗称死烧石灰),结构致密,且被包裹在熟料矿物中,水分子很难进入其颗粒内,所以,遇水反应缓慢,其水化反应式为:Ca O +H 2O =C a O(O H)2,Ca O 与水反应生成CaO(OH)2时,固相体积增大到1.98倍,如果这个过程在水泥硬化之前完成,则对混凝土不会产生危害。

但水泥中的游离氧化
钙在常温下水化作用缓慢,至水泥混凝土硬化后较长一段时间(一般需3至6个月)内才能完全水化。

水化后由于固相体积增大一倍,在已经硬化的水泥石内部产生局部膨胀,会使水泥凝土强度大大下降,严重时导致建筑物开裂或崩溃。

1.2MgO 的影响
熟料中M gO 含量不得超过5.0%。

限制M gO 含量主要是防止后期膨胀引起开裂。

1.3C L-对钢筋混凝土影响
C L-侵入也可使钢筋表面钝化膜迅速破坏。

根据钢筋锈蚀区的分布将钢筋锈蚀分为两类:其一,裂缝处锈蚀。

构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝,或因干缩、湿度应力、碳化、碱集料反应等产生非结构性裂缝。

当环境中的水、氧、CL-沿裂缝侵入时,造成裂缝处的钢筋产生锈蚀。

其二,普遍锈蚀。

当混凝土碳化至钢筋表面时,一旦存在水、氧、CL-等条件时,首先在裂缝处出现钢筋坑蚀,进而发展为钢筋横向的环状锈蚀,最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。

成片的锈蚀因其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。

水泥厂多采取提高C3A和C3S以及比表面积的措施来提高水泥的强度,同时带来另一方面的结果则是水化热增大、流变性能变差(和外加剂的相容问题)、抗化学腐蚀性下降、收缩增大、开裂敏感性增加。

而且早期强
度高而后期强度增长率减小。

不同水泥厂生产的相同强度等级和品种的水泥,甚至同一水泥厂不同批量的水泥,其与外加剂的相容性和开裂敏感性可能会有很大的差异。

有的水泥厂产品实际强度比标称强度高出许多,被大多数用户认为是“好水泥”。

但活性越大的水泥储存性能越差,因此常有42.5水泥和52.5水泥的28天实测强度差不多的现象,出于价格的考虑,42.5水泥比52.5水泥销路好。

但是强度的大幅度提高,降低了水泥的抗裂性。

因此单纯以强度评价水泥和混凝土的“好”“坏”是传统思维造成的误区。

应当把这种观念转变成:对水泥强度来说,不仅要求达到下限要求,而且更要注意不超过某一上限,抗裂性比强度更重要;最重要的是质量均匀。

遇水以后水化速度最快,放热量最大,而且强度不高。

1.4水泥的碱含量
碱含量过高(碱含量>0.8%)的水泥或碱含量过低(碱含量<0.5%)的水泥,也容易与外加剂产生不适应。

水泥中碱主要来源于所用原材料,特别是石灰和粘土。

含碱量过高或过低的水泥,在某些品种外加剂加入时,会引起水泥中石膏溶解度变化,使水泥矿物成分C 3A水化速率加快,需水量增大,工作度损失也变快。

这时加入可溶性Na 2SO 4,能够提高其与外加剂的适应性。

粉煤灰、矿粉的掺入能够与水泥的水化产物Ca (OH )2发生二次反应,降低混凝土的碱度,使外加剂与水泥的适应性有所改善。

C 3A虽对早期强度贡献较大,但水化热是其他矿物水化热的数倍。

因此C 3A含量较大的早强水泥容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。

2 矿物外掺料对混凝土的影响
在配制混凝土时加入较大量的矿物掺合料,可降低温升,改善工作性,增进后期强度,并可改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力。

混凝土中掺入适量的矿物掺合料,由于截断了水分迁移的通道,通常能减小泌水和离析现象,尤其能改善水泥浆-集
料的界面区的均匀性;一定程度上能减少
浅析客运专线H P C 原材料的要求
周代会
(中铁二局第四工程有限公司 成都 610
300)
摘 要:强调高性能混凝土的原材料选择必须围绕其配制上的低水胶比的特点,满足其耐久性和力学性能的要求。

关键词:高性能混凝土 原材料 影响中图分类号:U215文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)01(b)-0063-02
图1 C 3A 含量对水泥的标准稠度需水量的影响
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混凝土流动性的损失,有利于浇筑和振实;较低的水硬活性颗粒均匀分布在水泥浆中可起微集料作用,成为水化产物的沉积核心。

普通混凝土对矿物细掺料的品质要求,除限制其有害组分含量和一定的细度等以外,主要看重于其强度活性。

但高性能混凝土需要很低的水胶比,首选需水量小的矿物细掺料。

因此,对用于高性能混凝土的矿物细掺料品质的要求,除限制有害组分含量外,主要是活性和需水量。

对粉煤灰等燃煤废弃物还要限制其含碳量,因为粉煤灰含碳量的指标比细度更重要。

含碳量高的粉煤灰需水量大,对混凝土的流变性、强度和变形都有不利的影响。

常用主要活性矿物细掺料有粒化高炉矿渣、粉煤灰、磨细石灰石粉等。

3 粉煤灰
电厂煤粉炉烟道气体收集的粉末称为粉煤灰。

按煤分为F类、C类。

F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。

C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集起来的粉煤灰,其氧化钙含量一般大于10%。

不能用于硫酸盐侵蚀环境下的混凝土。

粉煤灰按照级别分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三个级别。

3.1粉煤灰对混凝土的影响
在配制混凝土加入粉煤灰,可降低温升,改善工作性,增进后期强度,并可改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力。

粉煤灰是一种呈玻璃态实心或空心的球状微颗粒,比水泥粒子小得多,比表面积极大,表面光滑致密,其成分主要是活性氧化硅或氧化铝。

3.2对粉煤灰的技术指标要求
由于粉煤灰的水化反应比水泥慢,被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿,所以砼早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。

随着时间的推移,粉煤灰中活性部
分SiO
2和Al
2
O
3
与水泥水化生成的Ca(OH)
2
发
生反应,生成大量水化硅酸凝胶。

粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一样伸入颗粒空隙中,填充空隙,破坏界面区Ca(OH)
2
的择优取向排列,大大改善了界面区,促进了砼后期强度的增长。

微集料密实填充及颗粒形态效应:均匀分散在砼中的粉煤灰颗粒不会大量吸水,不但起着滚珠作用,而且与水泥粒子组成了合理的微级配,减少填充水数量,影响系统的堆积状态,提高堆积密度,具有减水作用,使新拌砼工作性优良,硬化砼微结构更加均匀密实。

而且,不会发生泌水离析现象,可施工性和抹面性好,抗渗性、抗冻性好。

3.3交互作用
水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会
产生物理、化学的交互作用。

例如,水泥水
化生成的Ca(OH)
2
是粉煤灰的活性激发剂,
而被激发了的粉煤灰一但水解,降低液相
碱度,又会进一步促进未水化水泥水化。

又
如砼坍落度经时损失的原因之一是随着水
化反应的进行,高效减水剂的浓度降低,由
于粉煤灰水化反应缓慢,吸附在其上的高
效减水剂在短时间内不会起作用,之后才
随粉煤灰的水化得以逐渐释放,因此新拌
粉煤灰砼的坍落度经时损失小。

目前生产的水泥含碱量不断提高,粉
煤灰的使用大大节约水泥熟料,抑制碱-骨
料反应;水泥中C3A含量少,水化产生的热
量少,减少了砼构件由于内外温差过大而
引起其表面开裂的危险;粉煤灰水化消耗
大量Ca(OH)
2
,砼不耐蚀成分减少,因而耐
化学侵蚀性比普通砼强得多。

同时徐变、干
缩等变形性能也优于普通砼。

综上所述,大掺量粉煤灰高性能砼具
有令人满意的工作性、耐久性,力学性能也
能达到设计要求,尽管早期强度低,但后期
强度高,强度储备大。

4 用水量
H PC的关键技术之一是拌和用水大大
降低的情况下获得大流动性,使硬化混凝
土具有高强度和高密实性。

必须选用高效
高性能减水剂破坏水泥粒子的絮凝结构,
使水泥颗粒分散。

拌合水的大大减少使水
泥粒子间距缩小,因此得到比普通混凝土
密实得多的水泥石结构,伴随着孔隙率的
降低可以获得非常高的抗压强度。

通常在
掺有掺和料的时候应采用水胶比的概念来
表征H P C的性能。

5 外加剂
外加剂主要指无需取代水泥而外掺小
于5%的化合物。

外加剂主要是有机的、无
机的,也有复合型的。

用于高性能混凝土
的外加剂有减水剂、缓凝剂、引气剂等。

其
中高效减水剂是高性能混凝土必要的组
分。

正是因为高效减水剂的出现,才使得
混凝土的水胶比能降得很低却仍有很好
的工作性,高性能混凝土的实现才成为可
能。

因外加剂的掺量都很少,故使用外加
剂时应当延长搅拌时间,以得到均匀的混
凝土拌合物。

选择外加剂应考虑其与水泥
及矿物掺和料的相容性、砼工作性的维
持、减水率、砼泌水特性、抗砼离析性、砼
凝结特性、砼孔结构改善特性和H P C的体
积稳定性要求。

6 与普通混凝土相比
高性能混凝土的强度对界面更敏感。

用小粒径石子时,水泥浆体和单个石子界
面的过渡层周长和厚度都小,难以形成大
的缺陷,有利于界面强度的提高。

同时,粒
径越小,石子本身缺陷的几率越小。

对于某
些集料,当水泥用量增加或水胶比降低到
一定程度后,强度不再提高,这显然不是混
凝土的强度已完全开发,也不是石子的强
度不够,而是达到了水泥浆体与这种石子
界面粘结强度的极限。

因此,基于增强界面
的要求和碎石匀质性的考虑,高性能混凝
土应使用最大粒径较小的石子。

高性能混凝土要用中粗砂,尤其当石
子级配较差时,砂子以偏粗为好,混凝土的
工作性最好,抗压强度最高。

应严格控制砂
中粉细颗粒的含量和含泥量。

砂子的粗细
不能只看细度模量,有时细度模量虽然大,
但粒径在5mm以上和0.3m m以下的砂子都
过多,级配就很差。

最好的砂要求0.6mm筛
的累计筛余大于70%,0.3mm筛的累计筛余
为85%～95%,而0.15mm筛的累计筛余大于
98%。

对砂的其他质量要求应符合普通混凝
土用砂石标准中的规定,尤其要避免含有
云母和泥土,并在施工中严格执行。

7 结语
高性能混凝土的原材料选择必须围绕
其配制上的低水胶比的特点,满足其耐久
性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳
定性以及经济合理性等性能的要求。

参考文献
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准铁建设.铁建设[2005]160号.
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铁建设[2005]157号.
[3]客运专线铁路桥涵工程施工技术指南.
TZ213—2005.
[4]姚艳,王玲,田培.高性能混凝土[M].北
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