高性能混凝土用水量剖析.docx

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高性能混凝土用水量剖析

一、高性能混凝土用水量

摘要：

本文阐述了高性能混凝土用水量的取值原则，对高性能混凝土用水量的计算及实现高性能混凝土低用水量的技术途径进行了探讨

关键词：

高性能混凝土用水量　高效减水剂

1　高性能混凝土用水量的取值原则

1.1　保证高性能混凝土工作性需要

　　混凝土工作性特性是流动性，主要取决于混凝土单位用水量。

我国现行混凝土设计规范中混凝土用水量的取值是依据混凝土坍落度和石子最大粒径确定的。

设计高性能混凝土配合比时，用水量仍以满足其工作性为条件，按规范所列经验数据选用。

1.2　根据混凝土强度等级设定最大用水量

　　高性能混凝土的早期开裂问题已引起国际混凝土界的关注。

由于高性能混凝土水胶比低，混凝土水化引起的早期自收缩有时达到混凝土总收缩的50%，因而对于早期（甚至在初凝后）养护不当的高性能混凝土，常出现早期开裂。

解决问题的主要途径是：

采取多种手段，加强早期湿养护；降低胶凝材料用量，减小混凝土总收缩值。

对于后者，最有效的办法是降低单位用水量，常通过掺用高效减水剂来实现。

在这方面，美国学者，设定高性能混凝土中水泥浆与集料的体积比为35∶65，对不同强度等级的混凝土设定用水量。

日本学者则设定：

C50～C60混凝土，单位用水量为165～175kg/m3；C75以上混凝土，单位用水量为150kg/m3，对C75混凝土，强度每增加15MPa，每立方米混凝土用水量减少10kg。

2　高性能混凝土用水量的计算

2.1　计算公式

　　对于密实的混凝土，胶凝材料浆的体积应略多于集料的空隙率。

根据吴中伟先生的研究结果，砂石配合适当时，集料最小空隙率为：

　　　　α=（视密度-体积密度）/视密度　　　　　　　　　　　　　

（1）

α通常在20～22%之间。

在进行混凝土配合比计算时，根据原材料与工作性的要求，决定胶凝材料浆量的富余值（β）。

对于大流动性混凝土，富余值为9～10%［1］。

　　1立方米高性能混凝土中胶凝材料的重量J（kg）由式

（2）计算：

　　　　　　　　　　　　n

　　　　J=1000（α+β）/（∑Pi/γi+水胶比/1）　　　　　　　　　

（2）

　　　　　　　　　　　i=1

式中　Pi——胶凝材料各组分占胶凝材料总量的百分数；

　　　γi——胶凝材料各组分的密度，g/cm3。

则高性能混凝土用水量W（kg/m3）的计算公式为：

　　　　W=J×水胶比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

2.2　计算外加剂减水率

　　对于不掺减水类外加剂的混凝土，其用水量可参照JGJ55中的规定取值。

借助于数值分析方法可知：

混凝土单位用水量对粗集料最大粒径的偏导数与粗集料最大粒径的乘积是该偏导数与粗集料最大粒径的线性组合；单位用水量与坍落度成线性关系。

经数学推导，可得到使用碎石和卵石的混凝土用水量W1和W2计算公式如下：

　　W1=182.441+50Z/11+1.11D-73.611g（D/4.086-2.671）　　　（4）

　　W2=174.091+5［Z/7］+50Z/11+1.005D-1001g（D/10）　　　　（5）

式中，D为粗集料最大粒径（mm）；Z为坍落度表征值，当坍落度为10～30、30～50、50～70、70～90mm，Z分别为1.3、3.5、5.7、7.9；［Z/7］为取整函数。

　　当混凝土坍落度小于等于70～90mm时，外加剂减水率u（%）计算公式如下：

　　　　u1≥100（W1-W）/W1　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　　　u2≥100（W2-W）/W2　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　对于大流动性混凝土和泵送混凝土，先计算坍落度70～90mm时的用水量，再计算对应于此用水量的减水率u0，将计算结果加10～12即为所需减水率。

3　实现低用水量的技术途径

3.1　掺用高效减水剂

　　高效减水剂是高性能混凝土必不可少的组成材料，其有效组分的适宜掺量为胶凝材料总量的1%以下，并应控制引气量。

合适的高效减水剂有：

（1）磺化三聚氰胺甲醛树脂高效减水剂。

该品种减水剂减水分散能力强，引气量低，早强和增强效果明显，产品性能随合成工艺的不同而有所不同。

（2）高浓型高聚合度萘系高效减水剂。

低聚合度的萘系减水剂，引气量大，不宜用于高性能混凝土。

（3）改性木质素磺酸盐高效减水剂；（4）复合高效减水剂，包括缓凝高效减水剂。

为使混凝土用水量达到140～170kg/m3，外加剂减水率不得小于25～30%。

减水剂用量可按表1建议掺量选用。

　　表1　　　　　高效减水剂建议掺量（%C）

外加剂

掺量

HPC等级

密胺系SM

0.5～1.0

C50～C80

萘系N

0.5～1.0

C50～C80

SM+缓凝剂

0.5～1.0

C60～C80

N+缓凝剂

0.5～1.0

C60～C80

改性M+N

0.7～1.0

C60～C80

M+N+缓凝剂

0.8～1.0

C80

SM+N

0.8～1.0

C80以上

SM+N+缓凝剂

0.8～1.0

C80以上

　　必须注意，市售某些品牌的萘系减水剂，引气、泌水偏大，减水率满足高性能混凝土要求，但水泥用量大，混凝土性能差，不宜选用。

SM系减水剂，因合成条件不同，对混凝土坍落度经时变化的影响也不同，选用时应予重视。

3.2　掺用活性磨细材料

　　活性磨细材料又称矿物外加剂，用于高性能混凝土具有显著的优越性，和高效减水剂共同使用，既可减少混凝土用水量（矿物外加剂具有一定的减水分散作用），又可节省水泥，降低混凝土成本，提高混凝土性能。

3.3　严格选材

　　与普通混凝土相比，高性能混凝土的石子最大粒径通常小于25mm（C50混凝土石子最大粒径可放宽到31.5mm）；砂的细度模数宜为2.6～3.0［1］；磨细矿渣细度应在4000cm2/g以上，或选用Ⅰ，Ⅱ级粉煤灰。

在实际应用中应将重点放在砂石原材料的选用上，因为往往施工单位不能保证石子具有连续级配，砂的细度模数有时达不到2.6。

对于前者，可用两种或两种以上石子配合使用来加以解决，而对于后者，应尽量满足要求，以使砂石最小混合空隙率在20～22%之间。

　　作者曾做过这样一个试验：

用ISO法测定的P.Ⅱ42.5级硅酸盐水泥，5～16mm及16～31.5mm碎石，FM等于2.8砂，Ⅰ级粉煤灰，SM高效减水剂（掺量为胶凝材料的0.6%），配制C50混凝土。

当单独使用16～31.5mm石子时，混凝土配合比为：

C+FA480kg/m3，砂kg/m3，石子1150kg/m3，水167kg/m3。

当用两种石子混合使用时，混凝土配合比为：

C+FA400kg/m3，砂756kg/m3，5～16mm石子397kg/m3，16～31.5mm石子737kg/m3，水160kg/m3。

试验结果表明，砂石及其配合，对混凝土配合比影响较大。

4　结束语

　　高性能混凝土的应用已较普及，但应用技术尚待完善。

本文提出高性能混凝土用水量的问题，旨在与混凝土工程技术人员共同探讨高性能混凝土的配合比及材性，交流应用经验，以利推广。

二、粉煤灰对钢筋混凝土耐久性的影响及其应用

粉煤灰在国内已经应用多年。

但一般只把它当作一种*S济”的掺合料，试验方法、使用规定均以代替”为出发点，以适应于水泥的条件来检验粉煤灰的效应，所以得出的结论总是掺量有限，多了不利。

泵送混凝土使粉煤灰从*S济”掺合料走向了幼能”材料，但离充分发挥粉煤灰作用还有一定的距离。

随着国内外对粉煤灰的大量研究及工程应用实践，结果表明，在钢筋混凝土中掺入粉煤灰能改善混凝土内部结构、大幅提高混凝土的耐久性，其有着良好的技术性、经济性与社会意义之统一’11已不仅只是经济”掺和料）。

正是基于粉煤灰对提高混凝土耐久性的良好应用前景，本文根据国内外研究情况，阐述粉煤灰对钢筋混凝土耐久性的影响及机理，并对其应用进行探讨。

1抗渗透性

    向混凝土中掺入粉煤灰，能够改善混凝土界面结构，使其渗透通道比基准混凝土的弯曲;粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙C-S-日凝胶）能填塞水泥石中的毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，增大了渗透阻力;同时其孔径分布与基准混凝土也不同，掺粉煤灰混凝土大孔数量较少，其渗透系数也较小，具有良好的抗渗能力。

有文献报道’刁，高掺量粉煤灰混凝土的渗透系数可低至1.6x10-’45.7x10-13m/s。

随着混凝土龄期增长，粉煤灰的火山灰活性进一步发挥，粉煤灰混凝土的抗渗性能提高更大。

2.抗冻融性

    掺粉煤灰混凝土具有良好的抗冻融性能。

其对混凝土抗冻融性的影响有以下3个方面，们活性效应固定了氢氧化钙，使之不致于因浸析而扩大冰冻劣化所产生的孔隙。

2）形态效应能使混凝土用水量减少，明显有利于减少孔隙和毛细孔。

6）填充效应可使截留空气量和泌水量减少，并使孔隙细化，有助于使引气剂产生的微细气孔分布均匀，从而大大改善了混凝土的抗冻性能。

有试验表明’31，采用I级粉煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术，所制备的C50粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性，能经受300次（慢冻法）冻融循环。

加拿大的MalhotraV.M.etal通过试验141发现，50次冻融循环后，高掺量粉煤灰混凝土有轻微的表面剥落，经300次冻融循环后，其出现的膨胀不会对混凝土造成危害，经1000次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态。

还有研究’5]发现，混凝土的抗冻性随粉煤灰掺量的增加而提高。

如果在粉煤灰混凝土中加入引气剂，其抗冻性会大幅提高。

3.抗碳化性

    对混凝土的碳化作用有两方面的影响。

口）如用粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氢氧化钙数量必然减少，同时粉煤灰二次水化反应（主要吸收Ca（OH）:

生成水化硅酸钙，均导致混凝土碱度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，这是不利的一方面。

2）粉煤灰的微集料填充效应，能使混凝土孔隙细化，结构致密，在一定程度上能延缓碳化的程度，但是对防碳化扩散来说，是达不到钢筋混凝土的要求的。

对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。

如研究’6]发现，当粉煤灰掺量等于或小于40、复掺矿渣粉至总量为60%,70%和80%时，混凝土碳化深度均比单掺60%粉煤灰混凝土的要低;粉煤灰掺量为50%、矿渣粉掺量为10%时，混凝土的碳化深度也比单掺60%粉煤灰的要低得多。

即使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情况下，可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用月巨。

4.抗氯离子渗透能力

    掺粉煤灰混凝土有较强的抗氯离子渗透能力。

混凝土中掺入粉煤灰，能够改善水泥石的界面结构，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙C-S-H凝胶）填塞了水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，且C-S-H凝胶会吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

大连理工大学通过掺有矿物掺和料的混凝土扩散性能试验’71发现，在相同水胶比条件下，添加30%-45%的粉煤灰后，混凝土的氯离子扩散系数明显低于基准混凝土，说明掺粉煤灰可以明显的提高混凝土结构抗氯离子渗透能力。

进一步研究发现，同时掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯离子渗透能力优于单掺粉煤灰混凝土，在硅灰掺量为3%的情况下，双掺粉煤灰和硅灰比单掺硅灰时的混凝土抗氯离子渗透能力更强，而硅灰掺量在4%和5%时，单掺硅灰比双掺时好。

5.抗硫酸盐能力

    美国工程实践表明，抗压强度或其它情况相同时，混凝土的粉煤灰含量越高，其抗硫酸盐的能力越强。

英国建筑物科学研究院也建议用粉煤灰提高混凝土的抗硫酸盐能力’81。

研究发现，在混凝土中掺入粉煤灰，口）能减少水泥用量