高性能混凝土(HPC)配制技术

孙占平

高性能混凝土是指用常规的硅酸盐水泥、砂石等原材料,使用常规制作工艺,主要依靠高效减水剂和活性掺合料配制的水泥混凝土,应具有以下三方面的性能指标:1)高工作度。高性能混凝土拌合物具有大流动性,可泵性,不离析,而且保塑时间可根据工程需要来调整,便于浇筑密实。高性能混凝土应达到(20±2)cm的坍落度。2)高强度。高性能混凝土应具有良好的物理性能,即有较高的强度和体积稳定性,混凝土的28 d抗压强度应达到35 MPa以上,弹性模量应达到30 GPa以上。在混凝土凝结硬化过程中水化热低,内部缺陷少,硬化后体积稳定,收缩变形小。3)高耐久性。高性能混凝土应具有上百年的使用寿命,具结构密实、抗渗、抗冻、抗碳化等,耐久性高。为建造大型建筑物提供了可靠的技术保证。

1 配制高性能混凝土的主要技术途径

为实现混凝土的高性能,即高流态、高强度和高耐久性,混凝土的配合比应符合以下几条原则:

1)低的水灰比,即低的水、胶凝料比。高性能混凝土的配合比配制技术的核心诀窍是将水灰比降至0.2～0.3,用水量为125 L/m3～135 L/m3,而坍落度可达180 mm～200 mm的新拌混凝土。高性能混凝土的配制原则是将水灰比与基材密实度两个要素结合起来,高性能混凝土的最佳水灰比即为0.22左右,低于此限制不能得到高密度的基体。

2)水泥。高性能混凝土使用的水泥必须是:a.标准稠度用水量要低,从而使混凝土在低水胶比时也能获得大流动;b.水泥的水化热要低,以避免因混凝土内外温差大而造成混凝土产生裂纹;c.水泥的强度要高,以保证用较少的水泥获得高强混凝土,中热硅酸盐水泥、调粒水泥、球状水泥等可用来配制高性能混凝土。

3)使用高效减水剂。为了获取高强度、高性能混凝土,胶凝材料用量大,水灰比低,混凝土拌合物粘性大。要获得高工作性,就必须采用高效减水剂,日本称之为高性能AE减水剂,其特点是既有高的减水率(20%～30%),又有控制坍落度损失的性能。目前,我国生产的普通高效减水剂都不同时具有高性能AE减水剂的性能。因此,通常将普通高效减水剂与缓凝剂复合起来使用,高效减水剂的通常掺量为胶结料重量的0.8%～1.5%,最多不宜超过2%。

4)选择高质量的骨料。高性能混凝土对骨料的颗粒级配和最大粒径有更严格的要求。

细骨料应选用石英含量高,颗粒浑圆洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂,细度模数在2.6～3.2之间。

粗骨料应是高强、低吸水率、表面结构粗糙的碎石。粗骨料的最大粒径不宜超过15 mm～20 mm,如混凝土强度等级不是很高可以放宽到25 mm。其针片状含量不宜大于5%;其压碎值宜在10%～15%之间。

5)掺入活性矿物材料。常用的矿物质掺合料主要有:a.硅粉;b.磨细矿渣;c.优质粉煤灰;d.超细沸石粉等。它们的主要活性成分都是二氧化硅。

其主要反应过程为:

xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·nH2O

活性矿物材料的最佳掺量决定于它本身的活性、所要求的混凝土性能以及它的价格等。一般地,配制高性能混凝土时,粉煤灰的掺量为胶结材料总量的15%～35%,低钙粉煤灰的用量要低些,粒化高炉矿渣的掺量为30%～70%,硅粉为5%～10%。

2 施工工艺要求

1)搅拌。搅拌的目的是使混凝土的各组成材料互相分散而达到均匀混合,由于高性能混凝土的粘性大,为了获得高工作性能的混凝土拌合物,宜选用搅拌效率高、均质性好的双锥式搅拌机,并采用如图1所示的搅拌程序。2)浇筑。高性能混凝土的坍落度一般都在20 cm以上,并非就是免振自密实混凝土,不经振捣的高性能混凝土,强度和抗渗等级均有所降低。所以,短时间的振捣是必要和有效的。3)养护。由于高性能混凝土的用水量较少,水化反应迅速,可能使毛细管中断,如养护水不能及时进入混凝土内部,将不会进一步水化,所以,高性能混凝土在早期即应养护。4)计量精度。原材料的计量精度不应超过如下规定:水泥、矿物掺合料:±2%;粗、细骨料:±3%;水、外加料:±1%。

3 高性能混凝土配合比的设计原则

我国一般采用改进的鲍罗米公式来表示混凝土强度与水胶比之间的关系:fc28=K1·R0(C/W-K2)。其中,fc28为混凝土28 d抗压强度;R0为水泥的实际强度;K1,K2分别为经验系数,与骨料、水泥品种等因素有关;C/W为灰水比。

现介绍一种高性能混凝土配合比的设计原则,并经过大量试验证明是简便而有效的。

简述其设计步骤如下:1)配制强度的确定。由于影响高性能混凝土确定的因素多,变异系数大,因此,配制强度应视材料的具体情况适当增大。2)W/(C+M)(M为矿物质掺合料)的确定。对于用碎石配制高性能混凝土的 W/(C+M),可参考同济大学提出的关系式:fc28=0.304fce(C/W+0.62)。其中,fce为水泥的实际强度。高性能混凝土的水胶比变化范围较小,一般为0.27～0.50。3)矿物质掺合料掺量的确定。矿物质掺合料的掺量要视活性二氧化硅的含量大小,一般内掺CX(10%～15%)。活性二氧化硅含量高(如硅粉)取下限,活性二氧化硅含量低(如优化粉煤灰)取上限。4)用水量的确定。用水量的多少要根据混凝土拌合物坍落度的大小和高性能减水剂的效果确定,一般用水量小于175 kg/m3。5)砂率的确定。由于高性能混凝土的水灰比小,胶凝材料用量大,粘度大,混凝土拌合物的工作性容易保证,所以砂率可以适当降低,一般在36%～42%之间选用(见表1)。6)粗骨料的用量。粗骨料的用量可用假定表观密度法确定。高性能混凝土的密度大,其表观密度约为2 450 kg/m3～2 500 kg/m3。例如,某工程要求C60混凝土,原材料为525号硅酸盐水泥,粒径为5 mm～15 mm碎石,河产中砂,细度模数为2.84,混凝土要求施工坍落度为18 cm～22 cm,采用缓凝型高效减水剂AE-1,优质粉煤灰F0,求试验室配合比。解:用假定表观密度法(假定密度为2 450 kg/m3):a.配制强度 fc28=70 MPa。b.确定(W/C)+F。fc28=0.304fce[(C+F/W)+0.62],fce=59.3 MPa,W/(C+F)=0.31。c.用水量 W0=170 kg。d.C+F=170/0.31=548 kg,F=548×15%=82 kg,C=466 kg。e.AE-1=548×1.5%=8.22 kg。f.砂率 Sp=33%,C0+S0+548+170=2 450,S0/(S0+C0)=0.33,S0=572 kg,C0=1 160 kg。

表1 高性能混凝土砂率选用表

4 高性能混凝土设计在工程中的指导作用

工程实践证明,混凝土中适量的掺加硅灰、粉煤灰等,能配制高强高性能混凝土,可大幅度提高混凝土的致密性及耐久性,具有良好的经济效益和社会效益,值得广泛应用推广。高性能混凝土(HPC)的性能因工程条件、环境条件、施工工艺等要求而异,品质稳定的原材料是生产HPC至关重要的前提条件;HPC要具备所要求的性能,必须根据条件的变化,及时变化生产中的参数。应用大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土是发展HPC最可行的途径,不仅能提高混凝土的品质,还能有效地降低生产成本。

通过工程实践的设计应用,说明该设计原则能满足高性能混凝土的性能要求,具有较好的实践指导意义。

[1] 张 凯,张海民.高强混凝土的配制[J].山西建筑,2008,34(22):159-160.