西部高原地区普通强度等级混凝土高性能化技术研究.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONCRE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 3 No 2 F e b r u a r y 西部高原地区普通强度等级混凝土 高性能化技术研究 王龙 志 ， 王桂玲 ， 张会冰 ( 1 山东建泽混凝土有限公 司， 济南 2 5 0 1 0 1 ； 2 中建八局技术中心 ， 上海 2 0 0 1 2 0 ) 摘要 ：以 中国建筑玉树援 建项 目为依托 ，开展 了高原 高海拔地 区普通强度等级 混凝土的高性能化的研 究工 作。 从 混凝 土原材料 、 工作性 能、 耐久性能等方面进行 了混凝土配合 比的设计 ； 从 混凝 土原材料 质量、 原材料供应、 坍 落度控制 、 生产设备 功率等方 面分析 了混凝土生产 中应 注意的事项 ； 根 据 当地 气候条件 、 环境条件 、 机械设备条件 、 人 员身体条件等影响 因素 ， 对混凝土运输 中应注意的事项进行 了说 明。 关键词 ： 高原 高海拔 ； 配合比 ； 生产 ； 施 工 ； 耐久性 Ab s t r a c t ： R e l y i n g o n Y u s h u r e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t s i n Q i n g h a i P r o v i n c e ，t h e mi x t u r e d e s i g n ，p r o d u c t i o n a n d t r a n s p o r t a t i o n o f c o n c r e t e i n t h e p l a t e a u h i g h alt i t u d e s a r e c a r r i e d o u t F r o m t h e c o n c r e t e r a w ma t e ri a l s ， w o r k p e r f o r ma n c e ， d u r a b i l i t y a n d o t h e r a s p e c t s t h e mi x p r o p o rt i o n d e s i g n o f c o n c r e t e i s p r o c e e d e d e a t t e n t i o n i s s u e s o f c o n c r e t e p r o d u c t i o n i s a n a l y z e d f r o m t h e a s p e c t s o f c o n c r e t e r a w ma t e ria l q u ali t y ， r a w ma t e ria l s u p p l y ，s l u mp i n g c o n t r o l ， p r o d u c t i o n e q u i p me n t p o we r Ac c o r d i n g t o the l o c a l c l i ma t i c c o n d i t i o n s ，e n v i r o n me n t al c o n d i t i o n s ，e q u i p me n t c o n d i t i o n s ，b o d y c o n d i t i o n s a n d o t h e r f a c t o r s ，t h e c o n c r e t e t r a n s p o r t a t i o n ma t t e r s n e e d i n g a t t e n t i o n a r e d e s c ri b e d Ke y wo r d s ： P l a t e a u h i g h a l t i t u d e s ； Mi x p r o p o r t i o n ； P r o d u c t i o n ； C o n s t r u c t i o n ； Du r a b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 0 1 - 0 5 0前 言 混凝土作为人类使用量最大 的建筑材料 ， 已有 近百年 的历史 。随着我 国西部大开发的进行 ， 混凝 土除了满足我国东部低海拔地 区发展的需求外 ， 西 部高原高海拔地区对混凝土的需求量也逐年增加 。 然 而 ， 混凝土性能要求随着环境 、 工程机械 、 气候 、 运输条件 、 地材 的变化 而变化 ， 尤其是在高原地 区 气候恶劣 ，对混凝土的耐久性及抗冻性要求很高。 本文从保证工程 质量 、 保护环境等 角度 出发 ， 以中 建玉树援建项 目为依托 ， 通过一系列优化措施对普 通混凝土进行高性能化 ， 针对玉树高原地区的特点 配制适应 当地施工 的高原普通强度等级 的混凝土 ， 使普通强度等级 的混凝 土达 到高寒 高原地 区对混 凝土高性能 的要求 ， 并 总结出一套高原地区普通混 凝土高性能化的生产经验 ， 对保证高原高寒地 区普 通强度等级混凝土的质量具有重要 的借鉴意义。 在高原昼夜温差大 、 干热 、 干冷 的气候环境下 ， 本文 以实现普通混凝 土高性能化为 目的 ， 通过对原 材料 的优选 和质量控制 、 配合 比优化 、 生产过程控 制 ， 合 理的养护及施工工艺等一系列措施 ， 使生产 的混凝土拌合物不仅具有 良好 的施工性能 ， 而且混 凝土硬化体 的内部结构得到改善 ，强度及抗渗 、 抗 冻等级均高于原基准混凝 土 ， 具有较高的抗冻耐久 性 。 1 原材料优选 1 1 水 泥 水泥应选用 4 2 5级 以上 、 水化热相对较高的普 通硅酸盐水泥 ， 其性能应符合 G B 1 7 5 ( 通用硅酸盐 水泥 中的相关规定。因玉树高原当地一年 中一半 以上 时间为严寒环境 ， 对于水泥混凝土而言 ， 提 高 早期强度至关重要。 水泥选用西宁产 P 0 4 2 5级水 泥 ， 此水泥早期强度高 、 后期 强度增长快 的特点符 合高原地区对混凝土基本力学性能的要求 ， 且对 当 地外加剂适应好 。表 1为水泥的基本性能指标情 况 。 1 2 粉煤灰 粉煤灰选用西宁产 级灰 ， 其各项性能指标见 表 2 1 】 o 一1 一 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 表 1 P O 4 2 5级水泥性能指标 抗压强度 MP a 抗折强度 MP a 凝结时间 m i n 安定碱含 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 初凝 终凝 性 量 1 3 集 料 高原地 区的砂石料品质相对较差 ， 而且有很 多 都具有较高的碱活性 ， 因此 ， 原材料的选择及检验 分析非常重要 ， 尤其是直接影响到混凝土配合 比参 数设计和混凝土质量的细度模数 、针片状含量 、 坚 固性及碱活性等技术指标。宜选用级配 良好的中、 粗砂 ， 避免使用细砂 ； 可以使用坚 固性及碱活性 良 好 的碎石或卵石 ， 若使用卵石时 ， 应避免使用针片 状含量较大的卵石。 选择 当地砂场细集料 ， 采用当地采石场粗集料 ( 河 卵石 二次 破碎 形成 的 5 3 1 5 m m 连续 粒径 碎 石) ， 为保证混凝土质量 ， 要求碎石针片状含量不得 超过 8 。表 3为集料性能指标情况 。 表 3 混 凝 土的 集 料 性 能 细集料 5 - 1 6 m m碎石1 6 3 1 5 mm碎石 1 4 外加剂 外加剂宜选用具有低温 、 早强 、 耐腐蚀 、 减水率 高、 引气效果好的高效 复合 防冻泵送剂 ， 本文外加 剂选用西宁某公司生产 的 M 高效复合 防冻泵送 剂 ( 防冻早强成份为亚硝酸钠及三乙醇胺) ， 掺量为 4 5 ； 内掺膨胀剂为 E A A I型， 掺量为 1 0 。 2配合 比设计 2 1 配合 比设计控制要点 ( 1 ) 低水胶 比 应严格遵守“ 最小单位体积用水量定则” ， 只要 混凝土拌合物能满 足施工工艺对工作性 的要求 ， 用 水量应尽量降低。为达到混凝土的低渗透性以保证 其耐久性 ， 无论设计强度是多少 ， 高性 能混凝土 的 水胶比一般都不大于 0 4 2 。严格控制水胶 比是保证 高性能混凝土质量的关键。 一 2 一 ( 2 ) 最大堆积密度 优化混凝土中的集料级配设计 ， 获取最大堆积 密度 和最小孑 L 隙率 ，从而尽可能减少水泥浆 的用 量 ， 达到降低含砂率 、 减少用水量及胶凝材料用量 ， 提高混凝土耐久性的目的。 ( 3 ) 掺加适量 的超细矿物掺合料 掺加适量的超细矿粉及超 细粉煤灰可显著改 善混凝土界面过渡区的性能 ， 提高混凝土的密实性 及耐久性 。 ( 4 ) 复合型高效外加剂 复合 型高效减水剂应具有高减水率 、高 引气 率 、 早强等性能 ， 可显著提高混凝土的抗冻耐久性 。 控制现场施工时预拌混凝 土含气量 ， 夏季 ： 含气 量 宜控制在 3 5 - 5 O ； 冬季 ： 含气量宜控制在 4 0 6 0 。此外 ， 掺加适量的膨胀剂有助于缓解混凝土 由于温度变化引起 的内部应力 ， 提高混凝土抗冻耐 久性及抗渗性能。 ( 5 ) 适 当提高混凝土的配制强度 高原地区干热 、 干冷的气候条件对混凝土的强 度增长是极其不利的。在夏季干热环境下 ， 为降低 环境 因素对强度的影 响 ，进行混凝土配合 比设计 时，配制强度应视施工水平和养护情况适 当增大。 在冬季干冷环境下 ， 建议 C 3 0强度等级的混凝土水 胶 比不大于 0 4 2 ， 粉煤灰掺量不大于 3 0 。 2 2 配合 比设计方法 依据 J G J 5 5 2 0 1 l 普通混凝土配合 比设计规 程 设计出普通混凝土配合 比 ； 根据以上控制要点 及 当地气候和现场实际情况优化配合 比； 高原高寒 地 区应考虑到混凝土配合 比的抗冻 耐久性及其抗 渗耐久性 。得出初步配合 比后 ， 必须根据不 同的冻 土地段 、 不 同环境条件 、 不 同温度范围等具体要求 进行试验验证 ， 继续优化混凝土配合 比。 2 3 配合 比设计实例 ( 1 ) 基准配合 比设计 以 C 3 5 F 1 0 0 P 8抗冻抗渗泵送混凝土为例 ， 首先 根据 J G J 5 5 2 0 1 1 设计 出基准配合 比2 】 ， 在此基础 上 ， 根据施工地环境条件 、 耐久性要求等因素 ， 对混 凝土配合 比进行调整。 表 4为 C 3 5 F l O O P 8抗冻抗渗 泵送混凝土的基准配合 比。 ( 2 ) 配合 比优化 高原地区由于空气稀薄 ， 导致机械设备功率有 不同程度 的下降， 对混凝土的生产及泵送造成不利 王龙志 ， 王桂玲 ， 张会冰 西部高原地 区普通强度等级混凝土高性能化技术研究 影响。胶凝材料为纯水泥时 ， 混凝土不易泵送 ， 且纯 水泥对外加剂的吸附性较强 ， 致使混凝土的坍落度 损失增 大。为了改善混凝土 的和易性 、 提高其耐久 性能 、 降低混凝土生产成本 ， 加入适量 的优质粉煤 灰成 为首选 。然而 ， 加入粉煤灰对混凝土的早期强 度有一定 的影 响 ， 因此 ， 寻找粉煤灰在混凝土 中的 最佳掺量尤为重要。图 1 、 图 2分别为粉煤灰掺量对 混凝土抗压强度及 1 h坍落度损失的影响。 5 0 4 5 4 0 矮 3 5 3 0 2 5 4 5 4 0 3 5 篓3 0 2 5 2 0 O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 粉煤灰掺量， 图 1 粉煤灰掺量对混凝 土抗 压强 度的影响 0 2 4 6 8 1 O l 2 l 4 l 6 l 8 2 U Z 2 Z 4 粉煤灰掺量， 图 2 粉煤灰掺量对混凝土坍落度 的影 响 加入粉煤灰后混凝土的和易性明显改善且混 凝土的初始坍落度明显增大 ， 每 m 。 混凝土用水量可 减少 3 - 5 k g 。 从图 1 可 以看 出， 掺加粉煤灰后混凝土 的早期强度随粉煤灰掺量 的增加而降低 ， 但后期强 度均能满足设计要求 。考虑到 当地的严寒气候 ， 确 定以 1 5 质量 比的粉煤灰等量取代水泥 ， 既不影响 混凝土的早期强度 ， 又能保证后期强度。表 5列出 了掺加粉煤灰后的混凝土配合 比。同时 ， 由于受粉 煤灰 的微集料效应 、 形态效应等影响 ， 混凝 土更加 密实 ， 从而提高了混凝土 的抗渗性 、 抗冻性 ， 也提高 了施工现场混凝土的和易性 3 。 表 5 掺粉煤 灰后 的混凝土配合 比 k g m 混凝土 中水泥石 内孔 隙 自由水 的存 在是混凝 土产生冻害的主要原 因， 孔 隙中的 自由水 由于反复 冻融 ， 对混凝 土孔 隙壁不断产生胀压力 ， 最终使混 凝土破坏。要提高混凝土的抗冻融能力 ， 首先必须 使混凝土内部尽可能密实 ， 这就要求混凝土水灰 比 要尽可能的小 。非引气混凝土要达到较高的抗冻能 力 ， 水灰 比应小于 0 3 0 ， 但采取这种方式抗冻 ， 不但 不经济而且 高水泥用量产 生的水化热容 易引起混 凝土裂缝。加入适量的引气剂 ( 十二烷基苯磺酸钠 ) 可改善混凝土 内部气泡尺寸 、分布等微观特征 ， 从 而提高混凝土的抗冻性 。引气混凝土是通过混凝土 中的气泡缓 冲冻融载荷 ， 这些微小封闭的小气泡互 不连通 、 均匀地分布在混凝土 中 ， 当孔隙内 自由水 冻结 时 ， 气泡被压缩 ， 大大减轻冰冻给混凝土带来 的胀压力 ， 可大幅提高混凝土的抗冻性能4 。对于这 类抗冻性混凝土 ，可从外加剂及掺合料着手解决 ， 如何找到适宜 的引气量是配制抗冻混凝土的关键 。 图 3 、 图 4是含气量 2 、 4 、 6 的混凝土经 2 0 0次 冻融循环对其相对动弹模量和质量损失率的影响。 从图 3 、 图 4可以看 出 ， 与 2 、 6 含气量的混 凝土相 比，含气量为 4 的混凝土的相对动 弹模量 保持情况最好 、 质量损失率最小 ， 说 明在此情况下 ， 混凝土含气量为 4 时抗冻性能最好 。这是 因为含 气量低 时 ，没有足够 的气泡缓解水冻融 时的膨胀 压 ； 含气量高时， 可看作混凝土内部缺陷增多 ， 混凝 土强度 降低 ， 导致混凝土没有足够抵抗膨胀压 的能 一 3 一 2 0 1 3年第 2 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 9 5 9 0 8 U 1 0 0 l 2 U l 4 U l 6 U l 8 U 20 0 冻融循环次数 次 图 3 冻融循环 次数对混凝土相对动弹模量 的影 响 力。 为进一步提高混凝土耐久性能 ， 在混凝土中掺 加 1 0 的膨胀剂 。掺人膨胀剂后的混凝土配合 比及 性能指标见表 6 。 从表 6中数据可以看出， 混凝土抗 冻性得到提高 ， 这是 因为加入膨胀剂后 ， 有效地补 偿了混凝 土的温度 收缩 、 干燥收缩等 ， 提高 了混凝 5 0 45 堡 篥4 o 鞲 3 5 3 O 2 5 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 O 2 O O 冻融循环次数 次 图 4 冻融循环次数对混凝 土质量损 失率 的影 响 土 的密实度 ； 同时 ， 混凝土密实度 的提高也使混凝 土的抗渗性得到改善翻 。 通 过 以上各 种配 合 比优 化措 施 ，优 化 后 的 C 3 5 F 1 0 0 P 8抗冻抗渗泵送混凝土的施工配合 比为表 6配合 比，即水泥： 粉煤灰： 砂： 石： 外加剂： 膨胀剂： 水= 3 3 7： 5 9： 7 1 2 ： 1 06 8： 1 9 8 ： 4 4 ： 1 8 2 表 6 掺膨胀剂的混凝土配合 比及相关性能 3 混凝土生产的控制要点 ( 1 ) 设备硬件要过硬 ， 搅拌出来的混凝土应符 合拌合物的匀质性指标要求和计量误差要求 ； 要有 可依据 的生产控制规程和操作规程 ； 要将质量责任 进行界定和细化 ， 各司其职 ， 各尽其责 ， 层层把关。 ( 2 ) 原材料的稳定性是保证混凝土正常生产 的 关键 ， 本工程施工地区原材料极不稳定 ， 由于水泥 来 自西宁地区， 运距长 、 运输时间基本在 2 3 d ， 这对 于混凝土生产和水泥检验很不利 ， 为此多准备 了水 泥存储罐 ， 新进场 的水泥不得立即使用 ， 先存人备 用罐 内， 待检验合格后方可使用。 ( 3 ) 为应对缺氧环境及机械设备功率降低的情 况， 采用生产用气分级分类供气系统： 主操作系统 单独用一台空压机并联一台储气罐， 上料系统单独 用一台空压机并联一 台储气罐 ， 这样极大的保证 了 设备 的正常运转 、 延长 了设备 的使用寿命 、 缩短 了 设备的生产运转时间、提高生产效率达 2 0 以上 、 降低了因气压不足对混凝土生产的影响。由于玉树 一 4 一 地 区经常下雨且紫外线特别强 ， 对砂 、 石料进行 了 覆盖 ， 避免 了雨淋 ， 减少了混凝 土配合 比调整 的复 杂性 。 ( 4 ) 电流差法控制混凝土出机坍落度 。通过混 凝土坍落度值与搅拌机电流差值关联曲线 ， 对预拌 混凝土出机坍落度进行有效监控 ， 可实现有效的生 产过程控制和出厂检验 ， 方便快捷 ， 可操作性强。 ( 5 ) 在高原生产混凝土 ， 应按每 5 0 m 一次的检 验频率 ， 通过测试新拌混凝土的含气量 、 坍落度 和 泌水率 ， 控制混凝土拌 和质量 ， 将混凝土的坍落度 、 含气量和泌水率调整到合理范围内， 从而确保进行 大范围、 全面施工时混凝土的上述过程控制指标能 控制在规定 的范围内， 从而对混凝土的长期耐久性 能实施有效预控O 4混凝土的运输 低温季节时 ， 为了保证混凝土 的和易性和温度 要求 ， 需将混凝 土罐车罐体用保温罩包裹 ； 高原地 区工作人员容易疲劳 ， 运输过程 中容易出错 ， 因此 ， ；。 ： 含 删 赣臀靛罂 王龙志 ， 王桂玲 ， 张会冰 西部高原地区普通强度等级混凝土高性能化技术研究 制定了限时工作的规定 ，有效 降低了事故 的发生 。 运输过程 中为了减少混凝土的坍落度损失 ， 要持续 旋转运输罐罐体 ， 到工地卸混凝土时需将运输罐旋 转 1 2 mi n ，以减少路途颠簸对混凝土匀质性 的影 响 。 5混 凝土 的浇 筑 采用泵送法施工时 ，每次泵送前进行试运转 ， 试运转正常后先泵清水湿润管路 ， 再泵送湿润砂浆 ( 泵人不少于 1 节管节的水泥砂浆量 ) ， 进一步湿润 管道 。作为润滑管道用的砂浆泵送到管道终端时排 出模外 ， 不泵入主体工程模 内。管道经充分润滑后 才正式泵送混凝土 ， 开始泵送时慢速转动 ， 观察泵 压及各部分运转情况 ， 待确认工作正常后再以常速 泵送 。泵送保持连续 ， 必要时可 降低泵送速度 以维 持泵送 的连续性 。浇筑时尽量延长振捣时间 ， 增加 混凝土的密实性。 6混凝土的养护 玉树高原地 区昼夜温差 大 ， 干冷 、 干热 的气候 条件对混凝土强度的增长是极其不利的 ， 不能够充 分发挥混凝土的抗压作用。 在干热环境下 ， 混凝土成型后必须加强保湿养 护 。早期采用补水养护 ， 在混凝土结构表面包裹 层蓄水物质 ( 如麻袋片) ， 再用不透水 的塑料薄膜包 裹 ， 严格封闭。养护期内 ， 要对蓄水物质定 时注水 ， 保持湿润状态 ， 时间不少 于 1 4 d ， 确保混凝土早期水 化质量。后期剥离塑料薄膜 时， 要立 即在混凝 土结 构表面喷涂一层保湿剂 ， 以封闭混凝土 内部残余水 分不被蒸发 ， 保证混凝土后期水化的继续进行 。 在干冷环境下 ，大体积混凝 土浇筑完成收面 后 ， 应 以保温性 良好 的棉被等材料覆盖表 面 ， 利用 其本身水化反应产生的水化热达到保 温的 目的 ， 棉 被等材料 的覆盖时 间应不少 于施 工规范规定 的混 凝 土养护时间。小体积混凝土浇筑完成收面后 ， 应 以气密性 良好 的塑料薄膜等材料及 时进行 表面覆 盖 ， 并在持续保温结束 、 暖棚拆除后 ， 在塑料薄膜等 材料外增加保温性 良好 的棉被等材料覆盖表面 ， 棉 被 等材料的覆盖时 间应不少于施工规 范规定 的混 凝土养护时间。无论是大体积混凝土 ， 还是小体积 混凝土( 构件 ) ， 都不宜直接洒水养护。 低温季节施工 时 ， 应采用温度控制技术 ， 在 混 凝土养护过程 中进行温度测试与控制 ， 防止 出现温 度应力裂缝 。 7 结束语 ( 1 ) 高原高寒地 区混凝土配制 的核心是配合 比 的设计 ，由于该地 区对混凝 土抗冻耐久性要求较 高 ， 在设计出基准配合 比后 ， 应根据具体施工环境 、 施工部位对配合 比进行优化。 ( 2 ) 在混凝土生产过程 中， 需严格控制进场原 材料质量 ， 拌制时必须按规定测定新拌混凝土含气 量 、 坍落度 和泌水率等指标 ， 确保进行大范围 、 全面 施工时混凝 土的上述控制指标能控制在 规定 的范 围内 ，从 而对混凝 土的长期耐久性 能实施有 效预 控 。 ( 3 ) 由于高原高寒地 区特殊 的气候状 况 ， 混凝 土的运输 、 浇筑及养护工艺需进行合理的控制。应 重视混凝土前期 的保温保湿养护 ， 并进行温度的测 试及控制。 ( 4 ) 高原高寒地 区混凝土 的配制及施工是一个 系统工程 ， 各个环节相互 关联 ， 忽视任何一个环节 都有可能导致混凝土质量不合格 ， 若 出现问题后再 进行加固或返工 ， 施工难度大 、 成本 高 ， 因此 ， 高原 高寒耐久性混凝土必须做好生产及施 工各个环节 的质量预控。 参考文献 ： 【 l 】 崔鑫， 张海霞， 李亚真 关于粉煤灰需 水量 比测试 方法 的 几点 思考 J 混凝土， 2 0 1 3 ， 1 2 中国建筑科 学研究 院 J G J 5 5 2 0 1 1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 1 1 3 赵庆 新， 孙 伟， 郑 克仁， 等 粉煤 灰掺量 对高性 能混 凝土 徐 变性能的影 响及其机 理 J 硅 酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 4 6 451 4 张士 萍， 邓 敏， 吴 建华， 等 孔结 构对混凝 土抗 冻性 的影 响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 6 ) ： 5 6 - 5 9 5 高培伟 ， 吴胜 兴， 邓 敏， 等 掺膨胀 剂后碾 压混 凝土 的抗 冻特性研究 J 河海大学学报：自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 2 ) ： 】 8 6 -】 8 9 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 1 - 0 8 作者简介： 王龙志( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 高级工程师。 通 讯地址 ：济南市高新 区崇 华路世纪财富 中心 C座 C 2 入 口 7 01室 联 系电话 ： 1 3 3 6 1 0 1 6 3 9 6 E- ma i l ： 3 5 7 4 2 2 8 1 5q q c o m 一 5 一