C30大体积高流态高性能混凝土设计

C30大体积高流态高性能混凝土设计分享转载复制地址转播到微博赞转载自聽↘夜罙ㄋ2011年02月27日09:21阅读(3)评论(0)分类：...0举报字体：中▼1前言大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1米的部位（某些边长不到1米的混凝土实体如预计会出现因水泥水化热导致裂缝问题，亦应按大体积混凝土考虑）。工业建筑中的大型设备基础、逐渐增多的高层建筑的基础和机场跑道等都属于大体积混凝土[1]。与一般的混凝土相比较，大体积混凝土具有形体庞大、混凝土用量较多、工程条件复杂、施工技术和质量要求高、混凝土绝热升温高和易收缩等特点。因此，大体积混凝土除必须具有足够的强度、刚度和稳定性以外，还应满足结构物的整体性和耐久性等方面的特殊要求。大体积混凝土经常出现的问题不是力学上的结构强度，而是混凝土温度裂缝。如何防止大体积混凝土的温度裂缝，一直是工程技术界长期关心和共同研究的重要课题。本文从提高混凝土的早期施工性能及硬化后的长期耐久性，兼顾经济成本角度出发，利用氨基磺酸盐系、萘系减水剂及缓凝、引气和浆体稳定组分复配出高效泵送剂，利用泵送剂降低水胶比、推迟水化热峰出现时间。用大掺量矿渣和粉煤灰取代水泥以降低水化热，并实验得出矿渣和粉煤灰的最佳掺量比例；根据大体积混凝土的特点采用最佳浆骨比法设计了C30大体积高流态高性能混凝土，建立了一条普通混凝土高性能化的技术路线。2原材料实验所用的主要原料:氨基磺酸盐系减水剂(AS，浓度38%),潍坊产；萘系减水剂(FDN，浓度35%),莱芜产；山铝P.O42.5水泥，淄博产；缓凝剂(H1、H2、H3、H4),天津产；引气剂（A1）,上海产；石子(5～10mm、10～20mm两种)，东营市郊产；中砂，东营市郊产。3试验结果与讨论3.1高效泵送剂的复配3.1.1减水组分种类及掺量随着工程技术的发展，工程实践中对新拌混凝土的工作性以及长期的耐久性要求越来越高，尤其对于高流态高性能混凝土，必须使用高效减水剂，高效减水剂主要起两方面的作用：a)减少水泥用量,在混凝土中掺入高效减水剂后,可降低混凝土单方水泥用量。由于水泥用量的减少,从而降低了水泥水化释放的热量,使混凝土内部热峰值降低,不仅减小了温度应力,而且减小了由于混凝土内外温差过大引起混凝土开裂的可能性。b)减少用水量,在混凝土中掺入高效减水剂后,可大大降低混凝土的水灰比,提高混凝土的坍落度和施工时的和易性。由于用水量的减少,减小了由于混凝土中水份的蒸发引起的混凝土干燥收缩开裂的可能性,同时也增强了混凝土的密实性和抗渗性[2]。目前，常用的减水剂为氨基磺酸盐系(AS)和萘系等高效减水剂(FDN)。氨基磺酸盐系高效减水剂分子结构中疏水基短，分支较多，活性基团极性强、分散性好。其在水泥颗粒表面呈现锯齿状或螺旋状的立体吸附，产生一定的空间位阻，zeta电位的经时变化小，因而具有掺量小、坍落度(流动度)经时损失小、对水泥的相容性好等特点[3],但是市场价格较高。萘系减水剂成本低、减水率高，但饱和点掺量较高、控制坍落度损失差。综合考虑减水剂的性能与经济成本，用氨基磺酸盐系与萘系减水剂复配。结果如图1、图2所示，当AS与FDN按6:4复配时，净浆初始流动度大，两小时后流动度仍在增长。饱和掺量为1.6%左右。图1AS与FDN不同比例复配时水泥净浆流动度(1.5%c)图2不同掺量时复配外加剂（AS:FDN=6:4）水泥净浆流动度3.1.2缓凝组分种类及掺量的确定缓凝剂可以延缓混凝土的凝结时间和降低水化热。使混凝土的初凝和终凝时间相应延缓5～8ｈ,龄期1～3ｄ的水化热减少,热峰值出现时间推迟,放热峰值的温度降低,从而有效地控制了混凝土的内外温差,减少了混凝土开裂的可能性[4]。如减水剂一样，缓凝剂与水泥也存在着相容性问题。外加剂复配时，必须进行相容性试验，以确定最佳的种类和掺量。在上述复配的减水剂饱和点处掺入不同缓凝剂时，缓凝剂H1与水泥的相容性最好，如图3、图4所示。并且掺加0.08%时水泥净浆流动度经时损失小。初凝9h40min，终凝16h30min，凝结时间可满足大体积混凝土施工要求。故本泵送剂缓凝剂H1掺量0.08%。图3不同掺量H1的水泥净浆流动度图4不同缓凝剂（0.1%c）的水泥净浆流动度3.1.3其它组分的确定为提高大体积混凝土的和易性和耐久性，泵送剂中掺入引气剂（A1）将混凝土含气量控制在3%左右，掺量0.01%,同时加入适量浆体稳定剂以防止混凝土泵送过程中出现离析、泌水现象,提高混凝土的可泵性。通过水泥净浆试验，确定了氨基磺酸盐系、萘系减水剂的最佳比例及掺量、缓凝剂种类及掺量，同时进行混凝土试配得到引气剂和浆体稳定剂的掺量。将上述各外加剂按最佳掺量复合成大体积混凝土用高效泵送剂。3.2掺合料的使用大体积混凝土浇筑完毕后,由于水泥水化热的影响,使混凝土内部温度在3～5ｄ达到峰值,此时若混凝土内部最高温度与外界气温之差超过25℃,在升温阶段和降温阶段,容易发生表面裂缝和收缩裂缝。在升温阶段,由于混凝土内部的温度比较高,混凝土体积大,因此聚集在混凝土结构内部水化热不易散发,使混凝土内部温度显著升高,而混凝土表面则散热较快,这样形成较大的内外温差,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,如果此时产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土表面产生表面裂缝。在降温阶段,由于混凝土逐渐散热,而产生收缩,此时会产生较大收缩应力(拉应力),如果产生的收缩应力超过此时的混凝土极限抗拉强度就会在混凝土中产生收缩裂缝。因此,大体积混凝土施工过程中要避免由于混凝土内外温差过大(超过25℃)所引起的表面裂缝和收缩裂缝的发生。除了使用外加剂推迟放热峰出现的时间外，还要通过掺入掺合料来减少水泥用量。有资料表明，用粉煤灰取代20%的水泥，可使7d内的水化热下降11%，取代30%的水泥时下降25%。目前工程中常用的掺合料为矿渣和粉煤灰，虽然这两种掺合料在混凝土中作用机理相同，但单掺和复掺时效果区别很大，表1为30%取代水泥的矿渣和粉煤灰掺合比例不同时胶砂抗压和抗折强度结果，从表中可以看出只掺矿渣的强度较高，只掺粉煤灰的强度最低，复掺的强度并不是简单的由高向低变化，而是复掺的效果最好，并且存在一个最佳的比例MSL:MFA≈3.5:1），该处强度最高。这说明复掺的效果不是简单的混合，而是不同种类掺合料表1矿渣和粉煤灰掺合比例不同时的胶砂强度/MPa强度MSL:MFA3d7d28d抗压抗折抗压抗折抗压抗折30:019.64.5530.87.6548.17.1523:720.55.2532.06.6550.17.3218:1218.75.2528.96.6546.97.8112:1817.03.6025.86.0041.66.956:2415.74.0524.16.6540.27.300:3014.23.4521.05.0036.77.00之间产生了积极的、性能互补的作用[5]。本试验按该比例掺加矿渣和粉煤灰。3.3混凝土配合比设计混凝土需要有高的密实度，才能具备良好的抗渗性，从而具备良好的耐久性[6]。本试验采用最佳浆骨比法设计混凝土配合比。其特点是:通过试配确定粗骨料的级配和砂率,获得混合骨料实际最佳填充状态的参数。在此基础上,采用试配法获得最佳浆骨比；采用绝对体积法,并考虑外加剂和掺合料对混凝土主要性能的影响,建立混凝土配合比计算公式；通过计算获得混凝土初步配合比；通过试配、调整得到符合设计要求的最终配合比[7]。3.3.1最紧密堆积的骨料参数确定将5～10mm和10～20mm两种骨料按不同比例互掺，得到紧密堆积时的细骨料与粗骨料比例为1:1；在此基础上用相同方法将砂与骨料互掺，得到最佳砂率为0.39，如图5、6所示。图6不同砂率时的骨料堆积密度图5二级配骨料互掺时的堆积密度3.3.2最佳浆骨比的确定高性能混凝土要具备良好的抗渗性，必须低水胶比。当W/B=0.4时，混凝土中的水泥颗粒全部水化，此时即无毛细水也无未水化颗粒，混凝土具有良好的抗渗性，本试验将水胶比初定为0.4。根据Metha和Aitcin对高性能混凝土的研究，要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度性能,其水泥浆与骨料应有一个最佳体积比,其值为35：65。根据笔者以前试验结果，本试验将浆骨比定为32.5：67.5。知道了原材料的基本参数和浆骨比、水胶比、砂率、含气量,掺合料分别按30%、40%、50%取代水泥（MSL:MFA=3.5:1）,根据公式(1)—(6)就可以确定出初步配合比，为补偿混凝土体积收缩，增加混凝土抗渗性，掺入UEA膨胀剂（掺量8%，膨胀率为0.02～0.04）然后经过试配调整，得到如表2的结果。(1)(2)mC`=mc(1-η)(3)mFA=mcηε(4)(5)(6)式中：X—混凝土浆骨比；α—混凝土含气量；mWw、mc、mC`、mFA、mg、ms`—分别为水、水泥、取代后水泥、掺合料、石和砂的质量,kg；ρc、ρWw、ρFA—分别为水泥、水和混合材料的密度,kg/m3；ρg、ρs—分别为砂子和石子的视密度,kg/m3；η—混合材料取代率；ε—超量取代系数(等量时取1.0)。表2混凝土配合比结果序号原材料用量/（kg/m3）坍落度扩展度抗压强度/MPa水水泥砂石矿渣粉煤灰膨胀剂泵送剂/mm/mm3d7d28d11752746821054912634.01221055033.044.755.9217323368010601213533.81122060023.434.540.5317119367610611504333.6722060026.035.945.6由表2可知，掺合料30%～50%取代水泥时，新拌混凝土的流动性，后期的体积稳定性和力学性能均满足C30大体积高流态混凝土性能要求。从大体积混凝土特点和经济成本考虑，第2、3号配比更好。3.3.3混凝土的热工检验混凝土内部的温度是水化热的绝对温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60～70℃，并且有较长的延续时间。在这种情况下，合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力显得更为重要。大体积混凝土的温度，《GB50204-92混凝土结构工程及验收规范》规定不宜超过28℃；《JGJ3-91钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》规定，浇筑后混凝土内外温差不应超过25℃。就大体积混凝土的温度组成来看，控制混凝土的浇筑温度，就是相应地控制了温凝土的内部的最高温度，并减少了结构的内外温差。同时，还可延长混凝土的初凝时间，改善混凝土的浇筑性能，这对于保证混凝土的施工质量也是十分有利的。大体积混凝土在生产时必须进行热工检测[8]。2号配合比在实际生产时，气温为30℃，水温度为20℃，水泥温度为35℃，矿渣、粉煤灰和膨胀剂温度为25℃，砂（砂含水2%，生产时每立方米用砂694kg）、石温度为30℃。混凝土拌和物温度计算式如下式：T0=[0.9(mceTce+msaTsa+mgTg+mSLTsl+mFATFA)+4.2Tw×(mw-ωsamsa-ωgmg)+C1(ωsamsaTsa+ωgmgTg)-C2(ωsamsa+ωgmg)]÷[4.2mw+0.9×(mce+msa+mg+mSL+mFA)]（7）式中T0—混凝土拌合物的温度，℃；mw、mce、msa、mg、mSL、mFA—分别为每立方米混凝土中水、水泥、砂、石、矿渣、粉煤灰用量，kg；Tw、Tce、Tsa、Tg、TSL、TFA—分别为水、水泥、砂、石、矿渣、粉煤灰温度，℃；ωsa、ωg—分别为砂石的含水率，%；C1、C2—分别为水的比热容KJ/(kgK)及溶解热，KJ/kg；当骨料温度0℃时，C1=4.2,C2=0；当骨料温度≤0℃时，C1=2.1,C2=335。将2号配合比各参数代入（7）式，可算出混凝土拌和物温度为27.6℃。混凝土的浇注温度按（8）式计算：Tj=T0+(Tq-T0)×(A1+A2+A3+……An)（8）式中Tj—混凝土的浇注温度，℃；Tq—混凝土运输和浇注时的室