浅谈高性能混凝土的配制机理及应用前景.pdf

水利建设与管理 2 0 1 0年第 1 期 4 1 浅 谈 高 性 能 混 凝 土 的 配 制 机 理 及 湛影超 ( 河北省水利工程局 石家庄0 5 0 0 2 1 ) ( 岗南水库管理局 石家庄0 5 0 0 2 1 ) 【 摘要】 本文中高性能混凝土主要由水泥、 粉煤灰、 矿粉等多种胶材和外加剂及骨料组成， 通过调整组分之间的关 系、 组分的种类， 得到高性能混凝土。通过研究配置的不同标号、 组分的混凝土发现， 其性能得到不同程度的提高， 但 成本并没有增加， 即性价比提高。随着国家基础建设的大力开展， 高性能混凝土将得到更加广泛的应用。 【 关键词】 高效混凝土粉煤灰矿粉羧酸系高效减水剂 机理作用 l 概述 在工程施工 中没有特殊要求 的混凝土胶材主要是水 泥、 粉煤灰 ， 或只有水泥一种胶材 ， 矿粉用到 的较少 ， 只有 在 配置高性能混凝土时水 泥 、 粉煤灰 、 矿粉才共 同使用 。 高性能混凝土指混凝 土达到 2 8天或设计龄期后具有较 高的强度 、 抗冻性 、 抗渗性 、 抗腐蚀性 、 抗 冲刷等性能 ， 在 液 态时混凝土拌和物就密度高 ， 流动性 、 粘聚性 、 保水性 好 。 高性能混凝土主要用水利工程的复杂环境 、 公路桥梁 工程的大跨度梁扳、 T型薄腹梁等。 配置高性能混凝土的 技术途径是在水泥中掺人粉煤灰 、聚羧酸系减水剂和优 质 的活性矿物掺合料( 即矿粉 ) 。 粉煤灰、 矿粉作为混凝土 的掺合料 ， 掺人混凝土中不仅可以节省水泥用量 ， 大幅度 降低水灰 比，从而提高混凝土强度 ，降低胶凝材料水化 热 ， 而且可以改善混凝土的绝热温升 ， 使混凝土的结构更 密实 ， 从而减少裂纹的出现 ， 提高抗渗 、 抗冻及抗海水酸 及硫酸盐等的化学侵蚀能力，还具有抑制碱一集料反应 等效果 。 但是人们却忽略了高性能混凝土性价 比的优势。 南水北调 中线京石应 急供水工程段 S 8 标试验室结合该 工程所用配 比对多组分胶材混凝土的性能和性价 比进行 了研究对 比，得出这种混凝土将得到更加广泛应用的结 论。下面以鹿泉鼎新水泥 ， 上安电厂 I I 级粉煤灰、 河北晶 金实业有限公司生产 的 S q 5 矿粉 ， 河北省外加剂厂生产的 高效羧酸减水剂 D H ， ， 和奈 系高效减水剂 D H ， ，正定 中 砂 ， 井陉粗骨料为原料为实验对象 。 2 粉煤灰的作用机理和性能 ， 大量的实践证明： 掺用粉煤灰的混凝土， 其长期性能得 到大幅度的改善 ， 对延长结构物的使用寿命有重要意义。 硬 化混凝土是一种复杂的、 多相的复合材料， 它的结构主要包 括三个相骨料、 硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区。 粉煤灰主要有以下几方面的作用 ： a 填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层 ，由于 粉煤灰 的容重只有水泥的 2 3左右 ， 而且粒形好( 质量好的 粉煤灰含大量玻璃微珠) ， 能填充得更密实， 在水泥用量较 少 的混凝土中尤其显著。 b 对水泥颗粒起物理分散作用 ，使其分布得更均匀。 当混凝土水胶比较低时 ， 水化缓慢的粉煤灰可以提供水分 ， 使水泥水化得更充分。 c 粉煤灰和 富集在 骨料颗粒周 围的氢氧化钙结晶 发 生火山灰反应 ， 不仅生成具有 胶凝性质 的产 物 ， 而且 加强 了薄弱的过渡 区， 对改善混凝土的各项性能有显著 作用 。 d 粉煤灰延缓了水化速度 ， 减小了混凝土因水化热引 起的温升 ， 对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。 掺人粉煤灰 的混凝土早期强度降低 ，但强度增长期 长 ， 后期强度高 。 掺人大量粉煤灰 的混凝土不仅强度发展 效果 良好 ， 而且各种耐久性能也十分优异 。 由于能够 明显 降低水化温升 ，也大大减小了混凝土早期 出现开裂 的危 险。可 以说 ， 若非早期强度要求非常高 ， 掺粉煤灰混凝土 能够满足各种工程条件 ，尤其是对侵蚀性严酷的环境要 求 ， 它是一种高性能混凝 土。 在使用大掺量粉煤灰混凝土时 ，需要注意以下施工条 件和事项： t出 t幽 - 时 耵 + + 4 2 湛影超等 浅谈 高性能混凝 土的配制机理及应用前景 a 配制混凝土的骨料级配良好 ， 以减小空隙率 ， 利于水 胶比降低， 保证使用效果。 b 必须采用强制性搅拌机拌和这种混凝土 ， 以保证其 均匀性， 由于它比较粘稠， 在出机口、 罐车进料 口、 人泵 口以 及摊铺过程要采取相应措施 。 c 混凝土坍落度应控制得比普通混凝土小；浇筑后要 及早喷洒养护剂或覆盖外露表面，但一般情况下无需喷雾 或浇水养护。 d 气温过低时 ， 要采用保温养护措施 ， 且适当延缓拆模 时间， 使混凝土硬化和强度发展满足施工需要。 3 矿粉的作用机 理和性能 矿粉是 以高炉水淬矿渣 为主要原料经干燥 、 粉磨处 理 而制成的超细粉末材料 ， 是制备高性 能水泥和混凝土 的优 质混合材 ， 因其来源稳 定 ， 故化学成分也相应 比较 稳定 ， 矿粉疏松多孔 ， 化学成分与普通硅酸盐水泥非常 接 近 ，女 H 含 C a 0 3 0 4 2 、 S i 0 2 3 5 3 8 、 A I l2 0 1 0 1 8 、 Mg O 5 1 4 ， 它 自身具 有水硬性 ， 当有硅酸盐水 泥激发 时 ，其活性 得 到更 充分 的发 挥 。下 面以鼎新 P 0 4 2 5水泥配制 C 3 5 1 2 0 +_ 3 0泵送混凝土为例说 明矿 粉对混凝 土强度的影响。 配 方 1 ： 掺 3 0 矿粉 ，配方 2： 掺 2 0 矿粉 ， 配 方 3 ： 不掺矿粉 。具体配方见表 1 。 表 1 配 方 组 成 单位 ： k g 项目 水泥 矿粉 粉煤灰 外加剂 中砂 石子 水 配方 1 2 8 0 1 2 0 7 0 8 0 7 2 0 9 5 5 1 9 7 配方 2 3 2 0 8 0 7 0 8 0 7 2 0 9 5 5 1 9 7 配方 3 4 o o 7 0 8 0 7 2 0 9 5 5 1 9 7 由配方 1 、 配方 2 、 配方 3得到的混凝土试块在不同养 护条件 、 不同龄期的抗压强度见表 2 。 从表 2 可以看出， 前期强度不掺矿粉比掺矿粉的要高 ， ， 后期则低于掺矿粉的混凝土； 而且掺 3 0 矿粉的混凝土不 表 2 各配方的各龄期混凝土强度 单位： MP a 龄 期 龄 期 龄 期 配方 1 配方 2 配方 3 7 d 2 8 d 5 6 d 7 d 2 8 d 5 6 d 7 d 28 d 5 6 d 标准养护 2 5 6 3 8 6 4 0 7 标 准养护 2 3 7 3 6 4 3 8 9 标准养护 2 7 6 3 5 9 3 8 2 同条件养护 2 9 8 4 1 8 4 5 1 同条件养 护 2 7 0 3 8 2 4 3 6 同条件养护 3 1 8 3 6 6 4 2 9 管是标准养护还是同条件养护，龄期的抗压强度值均高于 掺 2 0 矿粉的混凝土 ， 矿粉混凝土强度发展对养护温度 比 较敏感 ， 温度越低对其强度发展越不利。 矿粉作为混凝土的掺合料 ， 具有以下优点 ： a 混凝土掺用矿粉可降低水泥用量， 节约成本 ， 降低水 化热 ， 减少由于水化热而产生的温度裂缝 ， 这在大体积混凝 土中尤为突出。 b 掺入矿粉可延长混凝土的凝结时间， 使坍落度损失 小 ， 对夏季施工有利。 c 掺矿粉可以增加拌和物的粘聚性和流动性 ，不易分 层离析 ， 可塑性好。 d 使混凝土的结构更密实， 从而提高抗渗性及抗海水 酸及硫酸盐等的化学侵蚀能力， 还具有抑制碱一 集料反应的 效果等。 e 混凝土掺用 矿粉可 以利用工业废 料 ， 有益于保 护环境 。 4 羧酸系高效减水剂的作用机理和性能 以不同强度等级混凝土配比及不同的外加剂掺量来说 明萘系高效减水剂 D H 和羧酸系高效减水剂 D H。 ， 对混凝 土强度和成本的影响， 见表 3 。 4 1 C 1 5混凝土配 比性能、 成本分析 C 1 5混凝土配比中，应用聚羧酸的成本 比用萘系的要 高， 在此不再讨论。 4 2 C 2 5 混凝土配 比性能、 成本分析 C 2 5 混凝土各成本配比强度发展曲线见图 1( 图中， 横 坐标为 3天、 7天、 2 8天龄期 ，纵坐标为各龄期抗压强度达 到设计强度 的百分 比。图 2同 ) 。 在 C 2 5 混凝土配比中，应用聚羧酸成本 “ 结果 4 ” 为 湛影超等， 浅谈 高性 能混凝土的配制机理及应用前景 4 3 表 3 强 度 W7 C S g F # t, J t l 剂类型用 初始塌 R 3强度， 设 R 7强度， 没 R 2 8强度 设 混凝土成本 落度 计 强度 比 计强度 比 计强度 比 结 果 等 级 ( k g ) ( k g ) ( k g ) ( k g ) ( k g ) 量， 掺量 ( k g ) ( 元 m ) ( mm) ( MP a ) ( MP a ) ( Mn ) 1 8 O 1 5 O 8 6 8 1 0 6 2 1 0 0 DH 3 2 5 0 1 O l 8 O 7 5 5 0 1 0 8 7 2 1 5 3 1 0 2 1 8 8 8 6 结果 1 Cl 5 1 6 3 1 3 O 9 0 2 1 0 5 5 1 3 0 D Hl 3 2 0 8 0 - 8 1 8 5 9 0 6 O 1 2 4 ， 8 3 1 6 8 1 1 2 1 9 4 - 3 3 结果 2 1 8 O 2 2 9 7 9 7 1 0 5 6 9 8 D H 7 1 0 1 7 0 1 5 5 6 2 1 9 8 7 9 2 9 2 l 1 7 2 l 5 3 8 结果 3 C 2 5 1 6 3 1 8 5 8 6 7 1 0 6 5 1 o 0 D H1 3 2 2 8 0 8 1 7 5 1 5 8 ， 6 3 2 0 o ， 8 0 3 0 5 1 2 2 2 1 1 1 8 结果 4 1 6 5 2 0 3 7 5 4 1 1 3 O 1 0 8 D Hl 3 2 4 9 0 - 8 1 8 0 1 6 8 ， 6 7 2 2 2 ， 8 9 3 4 2 1 3 7 2 1 5 7 0 结果 5 1 8 O 2 8 2 7 1 2 1 1 2 0 7 l D H0 5 3 1 0 1 6 0 2 2 0 6 3 2 6 6 ， 7 6 3 5 7 1 0 2 2 3 O 3 4 结果 6 C 3 5 1 8 O 2 3 7 7 6 6 1 0 7 8 1 o o D Hl 3 2 6 9 0 8 1 9 O 2 2 1 ， 6 3 2 7 0 7 7 3 6 4 1 0 4 2 2 7 - 3 O 结果 7 1 7 0 2 4 8 7 6 o 1 0 5 0 9 8 D Hl 3 2 7 7 0 8 1 8 5 2 3 1 ， 6 6 3 0 8 8 8 4 2 7 1 2 2 2 2 9 9 8 结果 8 一成本2 1 5 3 8 ( 萘系) - -I I - - 成本2 儿 1 8 ( 聚羧酸) J 或本2 1 5 7 ( 聚羧酸) 3 图 1 C 2 5混凝土各成分配比强度发展 曲线 2 1 1 1 8 元 ， 配比的 3天、 7天强度 比萘系配比高 1 ， 2 8天强 度高 5 ， 水泥用量减少 4 4 k g ， 成本 比萘系减少了 4 2 0元 ； 结果 3 成本 2 1 5 7 0 元的配比强度比萘系的 3 天高 5 ， 7天 高 1 0 ， 2 8 天高 2 0 ， 水泥用量减少 2 6 k g ， 初始坍落度增大 了 1 0 mm， 而总成本仅上升了0 3 2元。 4 3 C 3 5混凝土配比性能、 成本分析 C 3 5 混凝土各成本配比强度发展曲线见图 2 。 l 4 0 1 2 0 l ( M J 8 O 6 0 4 0 2 O 0 。 ， 一成本2 3 0 3 4 ( 萘系 ) +ff ax ,z 2 2 7 3 ( 聚羧酸) - 一 成本2 2 9 9 8 ( 聚羧酸 ) 3 7 图 2 C ,3 5混凝土各成分配 比强度发展 曲线 C 3 5混凝土中， 应用聚羧酸结果成本 2 2 7 3 0元的配比， 其成本比萘系配比低 3 0 4元， 其 3天强度与萘系的基本一 致 ， 7天和 2 8天强度则高 2 左右 ，水泥用量减少 4 5 k g , 初 始坍落度增大了 3 0 m m； 结果 8 成本为 2 2 9 9 8 元的配比， 各 龄期强度均比萘系配比高， 2 8天则高出 2 0 ，水泥用量减 少 3 4 k g ， 初始坍落度增大了 2 5 m m ， 可操作性显著提高 ， 而 成本比萘系的减少了 0 3 6元。 由此可得出以下结论： a 与萘系相比， 聚羧酸系高效减水剂具有更小的掺量 、 更大的混凝土减水率和更高的强度提高幅度。 b 聚羧酸系高效减水剂完全可以替代萘系减水剂 ， 做 出更好性能的混凝土。 e J R c A型聚羧酸系高效减水剂与粉煤灰等掺合料 的匹配性很好 ， 可以在掺聚羧酸系减水剂的混凝土中更多 量地使用活性优质的矿物掺合料。 d 不只在高强度等级混凝土中使用 ，还要在中低强 度等级混凝土中推广应用 ，以充分发挥聚羧酸系减水剂 的优势 。 5 结语 通过对粉煤灰 、矿粉 、羧酸系减水剂的性能分析可 知 ： 只要把它们按一定 比例组合起来 ， 就可配制成用于特 定场合下的高性能混凝土 ， 以满足工程施工的需要。 粉煤 灰 、 矿粉 、 羧酸系减水 剂不只用于配制高强度混凝土 ， 还 可 以在不增加成本的前提下配制高性能的低强度等级混 凝土 ， 提高性价 比， 这种低强度等级混凝土将有更好的应 用范围和前景 。