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高强度 自密实混凝土试配与分析 T ria l P r e p a r a t i o n a n d An a l y s i s o f Hi g h S t r e n g t h Se l f - Co mpa c t i n g Co nc r e t e 俞剑飞 上海国际建设总承包有限公司2 0 0 0 9 2 摘 要 ： 太原湖滨广场综合项目高强度混凝土经过了 2 次试配 ，对在不同配比下的混凝土和易性、强度性能进行比较 ， 并且分析了掺合料对混凝土强度的影响。试验结果表明，使用第 2次试配方案的混凝土，其各种性能均满足施工设计 要求 ，取得了良好效果。 关键词 ： 高强度混凝土配合比 强度性能 和易性 掺和料 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 2 3 2 - 0 3 1 工程概 况 太原湖滨广场综合项 目位于 山西省太原市迎泽 区， 北 临迎泽大街， 西邻青年路 ， 西南紧靠迎泽公园， 是集会议、 商 业、 酒店、 办公为一体的综合性建筑 ， 占地面积 4 8 4 1 2 m ， 总建筑面积约 1 9 6 8 0 0 m ， 地上部分 由 4 7 层塔楼及 4 层裙 楼组成， 地下部分为 3 层地下室。裙房以框架结构为主， 主 楼为核心筒一矩形钢管混凝土框架的结构形式。本项 目混 凝土的难点之一 ，即矩形钢管混凝土柱中采用了高强度自 密实混凝土 ， 强度等级为 C 6 0 ， 属于高强度混凝土。 2 工程难点及要求 本工程矩形钢管混凝土柱施工采用 自密实的施 工方 法， 利用混凝土的自重及 良好的流动性能使其 自密实成型， 此方法对混凝土的流动性、 黏聚性都有较高 的要求。另外， 矩形钢管柱 内部结构复杂 ， 柱 内焊有加劲板 ， 用以加强梁柱 节点、 柱牛腿节点等部位 ， 但混凝土浇筑 时， 此加劲板容易 导致其附近的某些角落混凝土浇筑不密实 ，即使 留有排气 孔也很难保证此部位混凝土不会遗留气泡 ， 影响密实性 ， 因 此对混凝土的流动性提出了更高要求( 图 1 ) 。 考虑到上述因素， 设计单位对混凝土的坍落度、 扩展度 提 出了一定要求 ： 坍落度应控制在 2 3 0 m m - 2 5 0 m m ， 扩展 度为 5 5 0 m m 6 5 0 m m 。 3 混凝土试拌要求 C 6 0高强度混凝土在太原地区已经多次使用， 当地的 作者简介： 俞建飞( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 本科， 助理工程师。 作者地址 ： 上海市控江路 1 6 8 8 号 l 1 楼( 2 0 0 0 9 2 ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 2 1 4 2 3 2 J 2 0 l 2 3 B Im 曲 图 1 矩形钢冒柱内鄙结构 大型搅拌站都能够供应 ， 但是， 这么高强度的 自密实混凝土 在太原还较少应用，由于本项目钢管混凝土柱施工对混凝 土的强度和流动性提出的新要求 ，所以本项 目决定对混凝 土进行试配。 考虑到试验的条件和现场施工及养护的条件存在差异 可能影响混凝土质量和强度 ， 试配时， 本项 目参照设计强度 的 1 1 倍 ， 即 6 6 M P a ， 对混凝土的试拌结果进行考察。流动 性方面 ， 结合类似工程经验 ， 采用混凝土坍落度、 混凝土流 动到 5 0 0 m m扩展度的时间 以及最终扩展度等数据进行 考察。 4 材料准备 利用太原本地资源 ， 选取 以下材料进行混凝土配比： ( 1 ) 水泥 ： 取用太行水泥 ， 水泥品种 P 0 4 2 5 ， 2 8 d强 度 5 6 7 M P a ， 细度 3 2 9 m g k g 。 ( 2 ) 砂 ： 豆罗水洗砂 ， 表观密度 2 6 4 0 k g m s ， 堆积 密度 1 4 6 0 k g m ， 细度模数 2 7 ( 2 6 3 0 ) ， 孔 隙率 4 4 ， 含水率 3 6 ， 含泥量 1 8 ( 2 茗 ) ， 泥块含量 0 4 ( 0 5 鬈 】 。 ( 3 ) 石子 ： 泥屯碎石 ， 表观密度 2 6 6 0 k g l m 3 ， 堆积 密度 1 4 7 0 k g m 。 ， 针片状含量 3 4 名 ( 5 ) ， 压碎指标 9 5 鬈 ， 含泥量 0 2 名 ( 0 5 ， 泥块含量 O ( O 2 名 ) ， 粒径 5 m m - 2 5 m m ， 孔 隙 率 4 5 ， 直径小于 2 5 m m ， 且石子强度必须到位。 ( 4 )掺合料 ： 矿粉 ， 9 5 级 ， 密度 2 9 5 g c m 。 ， 比表面积 4 3 8 m q k g。 ( 5 ) 外加剂 ： 聚羧酸减水剂 ， 掺 量为胶 凝材 料总量的 1 6 5 。 5 第 1 次混凝土试配 第 1 次混凝土试配 ，主要是依据当地搅拌站的经验进 行的。 ( 1 ) 混凝土配合 比见表 1 。 衷 1 第 1 次混凝土试配配合比 k e rn。 外加剂掺量 组号 水泥 水 砂 石子 矿粉 S D I B防 U N F 一 5 B减 U E A T微 冻剂( 4 ) 水剂( 3 8 ) 膨胀剂( 1 2 1 一l 4l O 1 6 2 5 7 5 1 O 7 O l o 5 2 3 6 5 0 1 2 4 0 l 6 6 5 7 5 1 0 7 O l 2 0 2 2 4 l 一 3 4l 0 l 6 2 5 5 1 O 7 O l 0 5 2 2 4 7 5 O 1 H 4 4 7 0 l 6 6 5 7 5 l O 7 0 1 2 0 2 7 1 ( 2 ) 和易性情况用坍落度方法测定分析见表 2 。 裹 2第 1 次混凝土试配和易性情况 组 砂率 坍落度 扩展度到达 最终扩展 试拌情况 号 ， I r n m 5 0 0m m时间 ， s 度 ， ln m 描述 l l 3 4 9 5 2 0 0 2 2 8 5 6 0 黏稠 I 一 2 3 4 9 5 2 2 5 1 5 4 6 l 5 l 一 3 3 4 9 5 2 3 O 1 6 2 6 o o l - 4 3 4 9 5 2 O 5 2 1 5 5 8 O 黏 稠 加 了减水剂的 2 组在流动性方面表现稍微突 出，混凝 土 流 动 到 扩 展 度 5 0 0 m m的 时 间 分 别 为 1 5 4 S和 1 6 2 S ，最终扩展度分 别为 6 1 5 m m和 6 0 0 m m ，坍 落度为 2 2 5 m m 和 2 3 0 m m ， 基本符合设计提 出的自密实性能要求。 ( 3 )由于 试 拌 所 留 的 试 块 是 非 标 准 的 1 0 0 m il l X 1 0 0 m mX 1 0 0 m m的试块 ， 试压得出的强度 ， 应乘 以 0 9 5的 换算系数， 才可得到标准试块的强度参考值。 强度情况如表 3所 示 。 裹 3 第 1 次 混凝土试配强度性能 换算强度 ， M P a 组号 水胶比 3d 7 d 2 8 d 1 一l O 3 1 3 3 4 4 3 9 5 9 6 1 2 0 2 8 3 6 2 4 5 9 6 4 2 l 一3 0 - 3 l 3 0 6 4 6 6 5 5 8 l 4 O 2 8 3 1 8 4 9 O 5 7 2 此次试拌 的强度并不理想 ， 4 组试拌 的混凝土 ， 仅有组 号 1 - 2 的强度达到了 C 6 0 混凝土的设计强度 ， 但是没有达 到本项目需要的 6 6 M P a 。 ( 4 ) 第 1 次试拌情况分析。影响混凝土强度的因素有 很 多， 比如水泥的强度、 水胶比、 掺合料的采 用、 养 护、 龄期 等。专家到搅拌站指导混凝土试拌 ， 经过仔细分析 ， 确定水 灰 比以外 ，所采用的掺合料是导致混凝土强度缺陷的主要 因素之一。 根据 普通混凝土配合 比设计规程 ， 在配制高强 度混凝土时 ， 宜复合掺 用粒化高炉矿渣粉、 粉煤灰和硅灰等 矿物掺合料 ， 而第 1 次试拌采用的掺合料仅仅是矿粉。 通常认为 ， 混凝土强度与矿粉的细度有一定关系： 粒径 小于 1 O m的矿粉颗粒参与 2 8 d前龄期的混凝土强度 ； 1 0 m - 4 5 Il l 的参与后期强度 ； 而大于 4 5 m的颗粒则 很难水化。 矿粉细度越细 ， 活性越高 ， 其早期活性 明显较高 ， 7 d强度可赶超对比的普通混凝土 ， 而后期强度继续增加 ： 但是矿粉研磨越细 ， 混凝土会很黏稠 ， 不利于混凝土的流动 性。 粉煤灰对于高强度混凝土则有不同的意义 ，根据有关 文献记录 ， 控制水胶比在 0 3 6以下时 ， 即使掺入 占胶凝材 料总量 5 0 的 级粉煤灰 ， 混凝土的 6 0 d强度也有可能达 到 6 0 M P a以上。理论上， 为了获取更高的经济效益 ， 可以加 大粉煤灰 的掺量、 减少水泥 用量， 这样并不会减少混凝土的 强度。 虽然早期强度在常温下尚不够理想 ， 但后期强度得到 较大增长( 养护温度越高 ， 强度增长越显著 ) 。同时 ， 粉煤灰 还具有可 以改善和易性 、降低水化热等许多其他方面的优 点。 所以， 矿粉与粉煤灰复合掺入 ， 不但可以缓解混凝土的 黏稠 问题 ， 而且可以提高混凝土的密实度、 和易性 ， 增加减 水效果 ， 增加混凝土强度。最终 ， 本项 目决定先从 以下几个 方面进行改进 ， 进行第 2 次试拌 ： 本次试拌拟采 用 2 种水胶 比， 即 0 3 1 和 O 2 8 ， 根据 普通混凝土配合 比设计规程 中提 出的混凝土水胶 比要求 为 0 2 8 0 3 3 ， 故选取推荐水胶 比下线值 0 2 8 。 掺合料方面， 同时加入粉煤灰和矿粉。 提高砂率 ， 增加混凝土坍落度值 ， 改善混凝土和易 性。 6 第 2次试拌 ( 1 ) 根据专家意见 ， 我们修改了混凝土配合 比( 表 4 ) 。 表4 第 2 次混凝土试配配合比 k g ， m 。 组号 水泥 水 砂 石子 矿粉 二级粉 外加剂掺量 煤灰 S D - I B 防冻剂f 4 1 ) 聚 羧酸减水剂 ( 1 6 5 1 j 5 】 2 - I 4 1 O l 6 2 6 1 5 1 O 6 o 9 5 7 0 2 5 9 2 - 2 41 0 l 6 2 6 2 0 l O 5 0 9 5 7 0 2 4 O 2 3 加O 1 5 8 6 3 O l O 6 o 8 0 8 0 9 2 ( 掺量 1 6 5 ) 2 - 4 4 1 5 1 5 5 6 4 5 1 O 5 O 6 5 8 0 8 7 ( 掺量 1 5 5 ) ( 2) 和易性方面结果见表 5 。 ( 3 ) 强度结果见表 6 。 l m -r 第 3 4 卷第3 期 l 2 3 3 表 5第 2次混凝土试配和易性情况 组 砂率 坍落度 扩展 5 0 0 m m 最终扩展 号 ， m m 时间 ， s 度 I m m 描述 2 一 l 3 6 7 2 2 2 5 2 0 9 5 7 O 黏滞性大， 对泵送有一定影响 2 2 3 7 1 3 2 4 o 2 0 - 2 6 2 5 有一定黏滞性 ， 和易性一般 2 3 3 7 2 8 2 3 5 l 2 3 6 2 0 泌水， 临时少放水 1 4 0m L 2 4 3 8 O 5 2 4 5 l 3 2 6 4 5 流动性较好 表 6 第 2次混凝土试配强度性能 换算强度 MP a 组号 水胶 比 3 d 7 d 2 8 d 2 - 1 O2 8 4 0 8 5 7 O 6 8 6 2 2 O 2 8 4 6 9 5 6 1 71 1 2 3 O2 8 3 7 8 5 2 4 6 8 8 2 4 O2 8 4 2 2 61 9 71 7 ( 4 ) 试拌过程如下 ： 在 2 - 1 组和 2 - 2 组加入粉煤灰之 后 ， 我们发现混凝土的性质表现 出黏滞性大、 流动性不好 、 不利于现场混凝土的施工。 根据 自密实混凝土应 用技术规 程 ， 高效的聚羧酸减水剂( 减水效率 2 8 以上 ) 的保塑性较 好 ， 可改善混凝土的收缩性能， 在一定程度上可弥补 自密实 混凝土收缩大的缺陷。于是 ，我们按照胶凝材料总量的 1 6 5 掺量进行 了 2 3组试验 ， 发现有泌水现象 ， 减少了用 水量 1 4 0 m L 。混凝土拌合物的坍落度， 可用增减高效减水 剂来调整，但是增加高效减水剂用量，可能引起拌合物离 析、 泌水或缓凝 ； 也可增加砂率和减小砂的细度模数来克服 离析、 泌水现象。 所以， 我们再次提高了砂率 ， 同时减少高效 减水剂 的掺量 ， 进行了 2 - 4组试验 ， 最终改善 了泌水的问 题 ， 使混凝土扩展度达到 5 0 0 m m的时间 为 l 3 2 s ， 最终 扩展度为 6 4 5 m m ， 坍落度为 2 4 5 m m ， 流动性试验结果达到 了设计要求， 保水性、 黏聚性也比较好。 7试 配结果探 究 为什么胶凝材料同时使用两种掺合料比仅掺入矿粉的 混凝土强度高呢? 我们根据有关研究揭示 了这一规律。 这是 因为矿渣粉对混凝土的早期强度有利 ，而粉煤灰对混凝土 后期强度有利 ，所以复合使用两种掺合料混凝土较单掺粉 煤灰和矿渣粉混凝土性能好。 有关研究表明， 粉煤灰玻璃结 构 网络 中( S i O ) 合度高 ， 较难 为混凝 土的碱 ， 即 C a ( O H ) 激活 ， 因此纯粉煤灰混凝土试样硬化体强度不高。 矿渣玻璃 机构 网络 ( S i O ) _ 聚合度低 ， 易被碱激发 ， 水化速度较粉煤 灰快 ， 先期形成的水化产物对粉煤灰的水化有诱导作用。 因 此 ，同时使用矿粉和粉煤灰 ，则混凝土硬化的强度有所增 加。同时，由于粉煤灰中的活性成分与硬化水泥浆体中的 C a ( O H ) 2 发生二次反应 ( 即“ 火山灰效应” ) 所形成的水化产物 填充 了混凝土的孔隙令混凝土的结构致密 ，使其后期强度 较仅掺矿粉的要高得 多，因此同时使用 2 种掺合料比单掺 2 3 4 I 2 o l 2 3 B 词 血 g 矿粉或粉煤灰的混凝土力学性能要好。 第 2 次试配 中 ， 2 - 4组的混凝土 2 8 d强度 折算后为 7 1 7 M P a ， 满足本项 目对于施工的要求。我们又按照规范要 求， 采用 2 4组的配合比， 又进行了 6 次重复试验 ， 并进行 了强度验证 ， 其试验结 果都高于 6 6 M P a ， 满足了本 项 目对 混凝土的强度要求。另外 ， 混凝土流动性好 ， 不离析 ， 坍落 度、 扩展度值也符合设计要求， 最终我们确定 了混凝土的配 合比。 8结语 现场 自密实混凝土浇筑时，我们抽取 了 6 个罐车的混 凝 土进行坍 落度 扩展度试 验 ，结 果表 明 ，坍 落度 均在 2 4 0 m m 2 6 0 m m之间 ， 扩展度在 6 0 0 m m 6 5 0 m m之间 ； 最 终混 凝土 2 8 d强度均 大于设 计强度 要求 ，在 6 8 M P a 7 0 M P a ； 混凝土和易性良好， 各方面均满足设计要求。 同时， 我们作出了如下总结和改进建议 ： ( 1 ) 从经济效益角度考虑， 采用高效减水剂时， 可以保 持水灰比不变 ， 节约水泥用量， 并保持混凝土强度不变 ： 另 外 ， 可以增加粉煤灰的掺量 ， 使其更多地替换水泥 ， 同时又 不减少混凝土的强度。 ( 2 ) 有时现场施工条件不足 ， 自密实混凝土需在高抛 的条件下进行施工 ，混凝土的黏聚性便是使其不离析 的重 要保证 ， 而混凝土的流动性和黏聚性 ( 即大流动性能和抗分 离稳定性 ) 恰恰是一对矛盾 ，混凝土的流动性能增大的同 时， 其泌水、 离析的可能性也在不断增大 ， 所 以， 在考虑混凝 土流动性的同时，还应该通过 V 形漏斗试验法测定其黏稠 性和抗离析性能， 必要时还可以考虑适当采用添加黏塑剂 ， 调整混凝土流动性能和离析性能的矛盾关系。 ( 3 ) 试配的过程与现场施工的实际过程存在差异。混 凝土从搅拌站发出，至混凝土到达现场开始放料 ，需要近 1 h ， 有时现场施工也可能存在异常情况 ， 到场的混凝土不 能及时浇筑而滞留， 致使混凝土坍落度 、 扩展度损失 ， 甚至 离析。这种塌落度、 扩展度的经时损失值不宜太大 ， 否则也 会影响混凝土施工的和易性。在混凝土中添加的高效减水 剂或粉煤灰 ， 对增大混凝土的经时损失是有影响的 ， 具体应 该通过试验的方式确定损失率 ， 再对减水剂、 粉煤灰的量进 行调整 ， 以确定满足 自密实要求、 经时损失又小的配合 比。 ( 4 )检查坍落度 、 扩展度情况 ， 或进行 U形箱填充试 验 ， 以检查其填充性能。 尤其要对停 留时间过长的混凝土容 易造成离析的情况进行检查， 不合格的混凝土坚决不用。 参考 文 献 1 1 中国建筑科学研究院J G J 5 5 -2 0 0 0 普通混凝土配合比设计规程 S 】 北 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 1 2 】 中国建筑标准设计研究院， 清华大学 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6自密实混凝土应用 技术规程 s 】 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 6