高性能混凝土及其典型配比

灰比 。 ④化学激发粉煤灰活性 ,当粉煤灰掺量较大时 ,通过高 效减水与化学激发 (适宜适量的激发剂) 复合措施 ,可显著提高 掺粉煤灰混凝土的早期强度 。
4 硅 粉
硅粉是冶炼硅金属和硅铁合金产生的副产品 。硅粉的主要 成份是颗粒极细 (0. 1～0. 2 μm) 无定型二氧化硅 ,与粉煤灰类 似 ,硅粉能与水泥水化产生的氢氧化钙起反应生成水化硅酸钙 。 由于硅粉的二氧化硅含量非常高 (通常可用于混凝土的硅粉的 二氧化硅含量高达 85 %以上) 且颗粒极细 ,因此具有极高的火 山灰活性 。此外 ,当它均匀地分布于水化产物中时 ,其极细的颗 粒还具有良好的微填充效应 。上述两个特性导致了混凝土的强 度和耐久性的显著提高 。尽管硅粉对强度发展贡献显著 ,但对 早期水化热的影响甚微 ,因而特别适于配制水泥用量相对高的 高性能混凝土 。
对于配制 C60 级以上的混凝土而言 ,通常必须使用超塑化 剂以使混凝土的水灰比降低至 0. 3 左右甚至更低 。上述两种超 塑化剂均可使用 ,一般 ,当剂量相同时 ,萘系超塑化剂的减水效 果略好 ,但另一方面 ,密胺树脂系超塑化混凝土的坍落度损失相 对略小 。目前 ,许多超塑化剂都或多或少复合有其它类型的外 加剂 (如调凝剂 ,缓凝或早强) 以取得满足具体工程对混凝土性 能的要求 。
尽管超塑化剂具有上述的用途与功效 ,但在应用过程中有 些问题尚需关注 。当超塑化剂剂量过大时 ,则可能引起混凝土 泌水 、离析 、过量引气或缓凝以及降低早期强度等 ,尤其是使用 和引气剂或缓凝剂复合的超塑化剂时 ,使用者必须考虑到工程 的具体要求 ,通过试验确定最优的剂量并评估超剂量时可能产 生的影响 。
1 概 述
长期以来 ,衡量混凝土性能一直以抗压强度作为主要依据 , 但许多混凝土结构 ,尤其是处于严酷环境中的结构 ,由于其耐久 性较差已经或正在遭受严重的损坏 。因此 ,混凝土结构的耐久 性目前已日益受到关注 。
除了强度和耐久性以外 ,混凝土的其它性能也正在受到较 多关注 ,一方面 ,工程上要求混凝土具有较高的强度 ;另一方面 , 又要求它的水化热 、收缩和徐变应尽可能低 。同时还应有较高 的流动度 ,较高的早期强度 、较高的弹性模量和较高的抗拉强度 等等 。
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人 民 长 江
2001 年
2。
国家
中 国 美 国 加拿大 挪 威
然而 ,粉煤灰的火山灰活性反应 ,通常在水泥水化后期才显 示出来 ,故掺粉煤灰混凝土的强度发展较慢 ,相对于同强度等级 的普通混凝土而言 ,粉煤灰混凝土具有相对低的早期强度和相 对高的后期强度 。同理 ,它的凝结时间一般也较长 ,这种缓凝效 果既有优点也有缺点 ,优点是降低早期水化热并减少坍落度损 失 ,缺点是相对高的模板应力和相对长的可拆模时间 。
另一个问题是超塑化混凝土通常会表现出较快的坍落度损 失 ,尤其当施工现场温度较高 ,湿度较低时 。为补偿这一缺陷 , 通常可考虑采用下述措施 :
(1) 略微增大超塑化剂的剂量 ; (2) 加入少量的缓凝剂 ; (3) 尽可能在施工现场混凝土入仓前加入超塑化剂 ,或在 搅拌运输过程中分阶段加入 ;
收稿日期 :2000 - 10 - 09 作者简介 :刘 洵 ,女 ,深圳市水务局 ,工程师 。
3 粉煤灰
粉煤灰是燃煤发电厂产生的并通过某种方式回收的工业废 料 ,它含有能与水泥水化产生的氢氧化钙起反应进一步形成水 化硅酸钙的活性二氧化硅 ,这种反应称之为火山灰活性反应 。 因此 ,在混凝土中外掺粉煤灰通常将提高混凝土的强度 ,如果保 持强度等级不变则水泥用量可适当降低 。实际上 ,粉煤灰常用 于部分取代水泥 ,这将不仅导致混凝土的成本降低 ,而且显著降 低其早期水化热 。对于大体积混凝土和水泥用量较高的高强度 混凝土 ,掺用粉煤灰对于降低早期水化热 ,避免由此引起的混凝 土早期热裂非常重要 。
美 国
N
ASTM C618 - 84 F
C
英 国
Ⅰ3
BS3892 - 82
日 本
J ISA6201 - 77
前苏联
Ⅰ3
TOCT2518 - 83
澳大利亚
AS1129 - 71
70 70 50
SiO2 > 45
(A ,B) (C) 70 50
10 12 6
7
2 400

5
2 800
为了表征不仅具有较高的强度而且具有较好的全面性能的 混凝土 ,一个新的术语“高性能混凝土”( High Performance Con2 crete) 于 20 世纪 80 年代末问世且现在已被广为接受 。高性能混 凝土可以定义为具有下述性能的混凝土 。
(1) 高强和高流动度 ; (2) 高耐久性 (低的介质渗透性) ; (3) 高尺寸稳定性 ( High Dimensional Stability) (高刚度和低 收缩 、徐变应变) ; (4) 高抗裂性 (低水化热和热裂危险) 。 显然 ,仅仅提高水泥用量不可能配制出高性能混凝土 。为 避免混凝土产生高的水化热和收缩 、徐变应变 ,不仅水泥量而且 水泥浆的体积必须限制不超过某一界限 。随着这些限制的引 入 ,要满足高性能混凝土的严格要求 ,仅仅使用水泥 、集料和水 将是非常困难的 。通常需要使用化学和矿物外加剂 。在各种类 型的外加剂中 ,最有效和常用的是超塑化剂 (高效减水剂) 、粉煤 灰 (或矿渣) 和硅粉 。目前用这些材料配制的高性能混凝土已被 成功地应用于高层建筑 ,大跨度桥梁 、海洋工程结构 ,易遭受废 弃物侵蚀的储料罐等 。本文主要介绍配制高性能混凝土的重要 组分 、性能及其典型配合比 。
粉煤灰的品质取决于燃煤的类型 ,煤的燃烧条件和灰的收 集方式 ,不是所有的灰源都适合于混凝土工程 。表 1 列出了有 关国家对用于混凝土中的粉煤灰品质规范 。就配制高性能混凝
土而言 ,应尽可能选择品质最优的粉煤灰 ,在使用新灰源之前 , 通常必须开展试验研究以论证该种粉煤灰是否适用并综合评估
掺粉煤灰混凝土的性能 。
到目前为止 ,仅有为数不多的国家颁布了硅粉 (可作为火山 灰质材料在混凝土中使用的) 品质规范 ,其主要规范指标列于表
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(A) (B) (C) 15 7 5
8
34 (45μm) 34 (45μm) 34 (45μm)
12. 5 (45μm)
25 (45μm)
15 (80μm)
50 (45μm) 10 (150μm)
注 :N 为天然火山灰 ;F 为低钙粉煤灰 ;C 为高钙粉煤灰 ; Ⅰ3 为用于结 构混凝土的粉煤灰 ; (A) 为烟煤粉煤灰 ; (B) 为无烟煤粉煤灰 ; ( C) 为褐煤粉煤灰 。
第 32 卷 第 6 期 2001年 6 月
文章编号 :1001 - 4179 (2001) 06 - 0036 - 03
人 民 长 江 Yangtze River
Vol. 32 ,No. 6 June , 2001
高性能混凝土及其典型配比
刘 洵
(深圳市水务局 ,广东 深圳 518000)
粉煤灰的掺量范围较宽 ,对于低到中等强度的大体积混凝 土 ,即使掺入占总胶凝材料量 50 %的粉煤灰也已取得了相当满 意的效果 。然而 ,对于通常的结构混凝土而言 ,许多规范都限制 粉煤灰的最大掺量为 30 % ,这主要是为避免缓凝过量和早期强 度过低 ,就配制高性能混凝土而言 ,推荐的掺量一般为 15 %～ 30 %。
表 1 用于混凝土工程的粉煤灰的主要品质指标
标准名称
粉煤灰 SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 类 型 最小值 ( %)
最大烧 失量 ( %)
细度 最小比表面 最大筛 积 (cm2/ g) 余量 ( %)
中 国
Ⅰ
GB1596 - 91 Ⅱ
Ⅲ
5
12 (45μm)
8
20 (45μm)
15
45 (45μm)
超塑化剂的掺量取决于超塑化剂的类型 、水泥的类型和用 量 ,所期望的减水率与坍落度以及是否与其它外加剂联合掺用 。 通常 ,超塑化剂的掺量 (以固量计) 约为水泥重量的 1 %即能配 制出自流性混凝土 。如果流动性要求不变 ,则可降低水灰比以 提高混凝土的强度和耐久性 ,超塑化剂的用量与水灰比降低百 分率间的关系如图 1 所示 。减水效果还与超塑化剂的加入方式 有关 ,如果超塑化剂能滞后水泥 、集料和拌和水 2～3 min 加入 , 大量的超塑化剂分子吸附在水泥初始水化相之间从而取得相对 高的流动度 ,或者说在流动度保持不变的前提下取得相对高的 减水率 。
掺用粉煤灰还能明显改善新鲜混凝土的性能 。首先 ,由于 粉煤灰的颗粒形态效应 (球形玻璃体) ,它通常能提高混凝土的 流动性 。因此 ,对于给定的流动度 ,则能减少拌和用水或减水剂 的用量 。其次 ,优质粉煤灰的细度较小 ,可明显改善新鲜混凝土 的粘聚性 、降低泌水和离析 。这些流变性质的改善对于泵送混 凝土施工尤为有利 。
如果使用粉煤灰等量取代水泥 ,则混凝土 28 d 以前的强度 一般将会降低 ,这一问题可通过下述方法加以解决 。 ① 超量取 代 。即粉煤灰的掺量比所取代的水泥量稍大 ,超量系数 (粉煤灰 的掺量与被取代的水泥重量之比) 取决于粉煤灰的活性 ,通常介 于 1. 2～2. 0 之间 。 ②加入少量的硅粉 ,由于硅粉具有较高的火 山灰活性 ,能显著提高混凝土的早期强度 ,一般 ,如果粉煤灰的 掺量不超过 30 % ,通过复掺约 5 %的硅粉即可补偿早期强度的 降低 。 ③使用高效减水剂较大幅度地降低粉煤灰混凝土的水
掺用粉煤灰可明显降低混凝土的渗透性从而改善混凝土的 耐久性 ,普通混凝土的渗透性部分原因是由于混凝土中的可溶 性的氢氧化钙被溶解并可能从硬化混凝土中滤出 ,从而留下易 被液体或气体介质侵入的孔隙 。由于粉煤灰的火山灰活性反 应 ,混凝土中的氢氧化钙被部分消耗于二次水化反应从而使氢 氧化钙滤出现象大大减轻 。此外 ,粉煤灰的火山灰活性反应产 物有助于填充水泥浆体中水化水泥颗粒间的孔隙 。因此 ,掺粉 煤灰混凝土的渗透性明显低于同强度等级的普通混凝土 。
2 超塑化剂 (高效减水剂)
超塑化剂主要有两个类型 ,即萘磺酸盐甲醛缩合物和三聚 氰胺磺化缩合物 (密胺树脂) 。与普通减水剂的作用机理相似 ,
掺入超塑化剂主要是为了降低新鲜水泥浆体中水泥颗粒间的内 摩阻力 ,从而提高水泥浆体的流动性 。然而 ,和普通减水剂相 比 ,它的塑化效果要好得多 ,且可使用较高掺量而不引起过多引 气或缓凝等副作用 。因此 ,超塑化剂能更显著地降低混凝土的 水灰比 ,从而提高混凝土的物理 、力学性能与耐久性能 。
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第6期
刘 洵 :高性能混凝土及其典型配比
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图 1 超塑化剂掺量与水灰比的关系
(4) 选用 C3A 含量相对低的水泥品种 ; (5) 尽可能避免或降低混凝土入仓前后的水份蒸发 。 最后还应注意到 ,当使用超塑化剂降低了水泥用量或水量 时 ,由于水泥浆体减少而可能导致新鲜混凝土由于粗集料相对 增多而和易性差 。为避免这一点 ,通常可在配合比设计时略微 增大砂率以补偿水泥体积的减少 。
摘要 :随着现代混凝土外加剂和掺合料技术的发展 ,配制高性能混凝土技术基础已经具备 。高性能混凝土不仅 只是具有较高的强度 ,而且还应具有良好的耐久性 ,较高的抗热裂性能以及较高的尺寸稳定性等 。配制高性能 混凝土最有效的几种组分是超塑化剂 、粉煤灰或矿渣 、硅粉 。简要论述了这些材料的主要性能和使用方法 ,为 配制高性能混凝土提供一些实用性的引导 。 关 键 词 :高性能混凝土 ; 外加剂 ; 掺合料 ; 材料性能 ; 典型配比 中图分类号 : TU528. 31 文献标识码 : A