高强流态混凝土的研究与工程应用

高强流态混凝土的研究与工程应用王子明王志宏裴学东成卓越董清崇（武汉工业大学北京研究生部）（中建一局六公司）[摘要]本文介绍了针对河北省重点工程--燕都大酒店设计采用的高性能混凝士的技术和施工要求，用石家庄地区525'普通硅酸盐水泥、当地常用的砂石，配制C60、C65级高强流态混凝士的试验研究结果。在燕都大酒店工程的梁、楼板、墙板和柱子等结构部位使用高强流态混凝土约3万m3。对高温季节施工时高强流态混凝士的塌落度经时损失控制，冬季施工时与高强混凝士相适应的防冻剂选择进行了讨论。提出高强流态混凝士配合比设计时，应充分考虑各组分的体积比例，特别是水泥浆的体积比例，以获得良好的和易性，力学性能和体积稳定性。一．前言混凝土材料一直向着轻质、高强、高耐久方向发展。本世纪八十年代，日本东京冈村甫教授等提出了高性能混凝士的概念，并研究出工作性好，施工时只需轻微振捣或免振的自密实混凝士，从而保证混凝土具有良好的物理力学性能和长期耐久性。此后，高性能混凝士受到了各国混凝土材料研工作者和建筑施工界的高度重视，被称为是跨世纪的建筑材料。对于高性能混凝土的理解，由于各国研究的方向不同，所谓的高性能含义也尽不相同，但其基本内容包括良好工作性、高强度，高耐久性和耐腐独性，好的体积稳定性等。便如美国ACI规定高性能混凝土的抗压强度要大于55Mpa，且具有较高的耐化学腐独性；加拿大对大掺量粉煤灰高性能混凝土及其应用研究较多；日本则更重视好的工作性和耐久性。目前，从我国高性能混凝土的研究与应用来看，高性能主要体现在良好的工作性和高强度方面。例如具有代表性的工程深圳国贸大夏采用的C60流态泵送混凝土，八.五重点工程北京西安站也采用了C60泵送混凝土，用量达4000m3。上海、沈阳等地也都有成功使用高强泵送混凝土的实例。C60级高强流态混凝土仍处在研究与试用阶段，加之我国地域广阔、各地原材料及施工管理水平相差很大，很多问题需要从理论和实践上进行不断研究。二．工程概况燕都大酒店是河北省重点工程，该工程结构设计跨度大，混凝土强度等级高，基础以上至+4760m以下梁、板、柱混凝土强度均为C60，各楼层后浇带混凝土强度设计等级为C65，整下工程C60混凝土用量超过3万m。地下部分工程中C60钢盘混凝土柱由于设计承重较大，设计钢盘绑扎密集，且按照施工组织要求，采用定型柱模，柱子模板一次支成，中间不留施工洞口，因而要求C60级新拌混凝土具有很好的和易性和自密实性。施工时采用国产中联版混凝土输送泵进行混凝土泵送施工，要求C60级新拌混凝土具有很好流动性和流动性保持能力，在90min内混凝土塌落度基本上不损失。为保证C60高强大流态混凝土施工的顺利进行，中建一局六公司与武汉大学北京研究生疗联合成立了高性能混凝土课题研究组结合石家庄地区原材料特点及施工管理水平，进行了大量实验室和现场模拟研究，取得了良好的结果。为今后河北省推广应用高性能混凝土提供了经验和示范作用。三．原材料1．水泥选用质量稳定的回转窑生产的525普通硅酸盐水泥，综合运输、质量、生产和成本等因素，选用下述3种水泥作为试验用水泥和施工备选水泥。C1：冀东525R普通硅酸盐水泥C2：邯郸525R普通硅酸盐水泥C3：石家庄市水泥厂525普通硅酸盐水泥上述3种水泥的化学成分、胶砂强度列表1、2。2．砂选用石家庄市本地正定产河砂，细度模数为2.6-2.9，含泥量0.8%，表现密度ds=2.62g/cm3，吸水率2%，松散容量Ys=1510kg/m3。3．石子试验选用两个石厂的石子，都是单粒径级配碎石，粒径为10-20mm，视比重dg=2.65g/cm3，松散容重Yg=1400kg/m3，石子粒形较好，针片状含量低。石子的压碎指标7%。4．泵送剂选用北京创之星技术发展集团生产的TOP403高强泵送剂和石家庄本地产HF-3泵送剂。主要成分都是B-萘磺酸盐甲醛缩合物，要求缩合度为9-11，塑化效果好，引气量低，塌落度损失小，增强效果明显。5．掺和料用纯水泥，特别是邯郸525R普通硅酸盐水泥配制高强混凝土时，新拌混凝土黏度大，和易性差，塌落度损失不易控制，水化放热集中。为综合改善新拌混凝土的和易性和硬化混凝土的体积稳定性，试验采用了内蒙赤峰电厂的I级粉煤灰，涿州通达建筑材料厂的磨细矿渣，比表面积为4500cm3/g，以及湖北产硅灰，其化学成分如表4所示。四．试验结果与讨论1．水泥品种的选择水泥作为胶结材料，由于其化学和矿物成分不同，对于混凝土硬化前的可施工性和硬化后的物理力学性能及耐久性有重要影响。所以，水泥质量的好坏是决定混凝土能否达到高强、高性能的差键。冀东525普通硅酸盐水泥是北方地区在配制高强混凝土时经常采用的质量较好的水泥，用它配制C60级大流态混凝土质量较易控制和保证。但由于价格较贵和运输问题，施工单位希望采用本地的邯郸水泥厂的525普通硅酸盐水泥，或石家庄水泥厂产普通525硅酸盐水泥。从配制高性能混凝土角度选用水泥，除要求水泥具有较高的胶砂强度以外，更重要的是要求水泥矿物组成中C3A和C4AF含量不能太高，碱含量要尽量低。上述几种水泥配制混凝土试验结果如表4。结果表明，3种水泥强度指标都能满足要求，同样条件下C3表现出更好的工作性。2．新拌混凝土和易性和塌落度损失泵送混凝土的塌落度损失问题是一直困扰工程施工的重要问题目前，虽然有一些措施控制新拌混凝土的塌落度损失，但由于我国水泥品种复杂，加上不同厂家的水泥的化学和矿物组成有较大区别，还没有一个统一有效的方法解决各种塌落度损失问题。采用高效减水剂与缓凝剂复合是实用可行的控制塌落度方法，选择适当缓凝剂的品种与掺量是解决问题的关键。选择缓凝剂的类型应以水泥的矿物成分和石膏的性质为依据。我们通过选择合适缩合度的减水组分与特殊的缓凝组分，并采用了优质掺和料，有效地控制的塌落的损失。部分试验结果如表5。燕都大酒店工程混凝土泵送全部采用国产中联片泵，C60混凝土塌落度损失快堵泵现象，有时，混凝土出机后3小时入泵，仍能顺利泵送。泵送过程中，混凝土混合物均匀稳定、流动性好，无离析分层现象，最大泵送压力不超过20-21Mpa左右。从现场泵送效果来看，C60混凝土完全可以用国产输送示进行泵送。3．高性能混凝土配合比设计问题近几年大流态高强混凝土的研究不断深入，应用范围逐渐扩大，C50-C60级大流态高强混凝土的配合比已悄是神秘的技术。在有关高强混凝土的文献中，多数是在试验基础上提出高强混凝土的配合比设计原则和各种原材料的用量范围，还没有一种统一的适用于各种材料的方法。一个设计合理使用效果也好的配合比在另一个地区或另一个工程中可能完全不适用。综合我国经常采用的高强、高性能混凝土设计方法和ACI提出的高强混凝土设计方法，在设计高性能混凝土时，以下几点引起注意和进一步研究。（1）以假定容重法设计高性能混凝土配合比时，应反向计算各组材料的体积之和（包括含空气体积）是否为1m3，如超出或不足应加以修正。特别是在采用掺合料（粉煤灰、矿渣和硅灰）等取代水泥后，由于掺和量的比重与水泥不同，取代后胶结材的体积发生变化，此时，应根据胶结材体积之变化调整砂子用量以保持总体积不变。（2）为保证新拌混凝土具有良好的和易性、硬化混凝土的强度与耐久性，设计基础配合比时应计算混凝土中水泥浆体积分数。水泥浆体积过大（400L），新拌混凝土虽流动性好，但易产生离析，硬化混凝土体积变形大；水泥浆体积过小（310L）造成新拌混凝土和易性变差。表5中混凝土配比用体积表示时见表6，水泥浆体积Vp=Vc+VFA+VSO+VSF+Fa，砂浆体积Vm=Vp+Vs石子空隙体积Vk=G×(1-Yg/dg)/Yg。砂浆拨开系数K=Vm/Vk。水泥浆体积约为350L，石子拨开系数在1.5-1.8之间，与美国P.K.Mehta教授提出的水泥浆与骨料体积比应与35：65相一致。（3）高性能混凝土设计是以绝干状态原材料为基础，实际加水量等于计算拌和水扣除砂、石全部含水量。由于不同砂石含水状态和吸水率不同，相同配合比采用不同原材料时，新拦混凝土的和易性和硬化混凝土强度会表现出明显区别。考虑到砂石内部的水分对新拌混凝土的流动性无任何贡献，所以，扣除砂石含水时应只扣除其饱和面干以外的含水。实际上，美国、日本等国家的混凝土配合比设计都是以饱和面干状态为准。两种扣除拌和水的方法的结果使水灰比相差0.02-0.04之多，对低水灰比（≤0.35）混凝土而言，这对流动性和强度的影响都是不可忽略的。4．高性能混凝土冬季施工用防冻剂高强流态混凝土在冬季施工时应如何考虑防止冻害，保证混凝土质量是个新问题。高强混凝土的特点是早强、高强，常混下C60级混凝土3天强度可达40-60Mpa，而且新拌混凝土的水灰比低，游离水分少，不象普通混凝土那样容易受到冻害，因此，普通混凝土用防冻剂不宜用于高强混凝土。常用混凝土防冻济（防冻泵送剂）含有较多盐，如亚硝酸钠、硫酸钠等，这些盐在防止新拌混凝土受到冻害的同时，碱带入混凝土中，容易引起碱集料反应。另外，作为防冻组分的盐对混凝土的后期强度有不利影响，盐越多后期强度下降约大，见表7。在燕都大酒店C60混凝土冬季施工中，使用的防冻泵送剂中只有适量的防冻组分，保证了混凝土冬季施工质量，又保证高强混凝土后期强度正常发展，也消除了发生碱集反应的隐患。结果见表8。五．结论1．针对燕都大酒店高强高性能混凝土试验研究结果与工程实践表明，石家庄地区的原材料完全可以配制出质量稳定的C60级高强流态混土。消除了设计、施工单位对C60大流动性混凝土使用的疑虑，为今后本地区使用高强流态混凝土起到模范和促进作用。2．燕都大酒店工程C60级高强、高性能混凝土成功地应用在结构的柱、梁、楼板、墙板、突破了以前高强混凝土用于梁、柱等小截面构件的局限，表明C60级高强流态混凝土能够在结构上广泛使用。3．采用优质粉煤灰、磨细矿渣或硅灰配制高性能混凝土，有利于新拌混凝土的和易性，容易控制混土，有利于新拌混凝土的和易性，容易控制混凝土的塌落度损失，改善硬化混凝土的体积稳定性。冬季施工应采用高强混凝土专用的冻泵送剂。4．高强高性能混凝土的施工必须有一套严格完整的质量保质体系。首次使用C60级大流动性混凝土的施工单位最好与有关科研单位合作以保质施工质量。