某体育中心超低水泥用量混凝土对结构耐久性的影响分析.pdf

第 3 7卷 第 l 2期 建筑结构 2 0 0 7年 l 2 月 某体育中心超低水泥用量混凝土对结构耐久性的影响分析 法永生 李 东 ( 上海 大学 土木工程 系 上海 2 0 0 0 7 2 ) 提要 在混凝土配合 比设计中， 规范规定了最小水泥用量以保证混凝土耐久性。通过某体育中心工程中出 现的问题 ， 分析该工程混凝土配合比及各胶凝材料用量对结构耐久性的影响， 特别是对影响结构耐久性 的原 因做出分析。着重从原料的生产和使用层面上分析影响混凝土耐久性的因素及原因， 从耐久性的角度评价水 泥和混凝土的质量， 可对解决此类问题提供借鉴。 关键词 水泥用量 混凝土强度混凝土耐久性 粉煤灰磨细矿渣 D u r a b i l i t y A n a l y s i s o f C o n c r e t e w i t h L o w C e me n t D o s a g e o f a S t a d i u m C e n t e r P r o j e c t F a Y o n g s h e n g ，L i D o n g( C i v i l E n g i n e e ri n g D e p a r t m e n t o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： On t h e mi x r a t i o d e s i g n o f c o n c r e t e，t h e s p e c i fic a t i o n r e g u l a t e s t h e mi n i mu m c e me n t d o s a g e i n o r de r t o me e t t h e n e e d o f d u r a b i l i t y、 I t t rie s t o a n a l y z e t h e i n flu e n c e o f c o n c r e t e mi x r a t i o a n d c e me n t i n g ma t e r i a l di s c h a r g e s t o s t r u c t u r e d u r a b i l i t y ，e s p e c i a l l y a n a l y z e s t h e r e a s o n s t h a t i n fl u e n c e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y I t als o a n a l y z e s t h e f a c t o r s a n d r e a s o n s t h a t i n f l u e n c e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e f r o m t h e v i e w p o i n t o f r a w ma t e ri a l p r o d u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n ，a n d e v a l u a t e s t h e q u ali t y o f c o n c r e t e i n t e r ms o f d u r a b i l i t y as p e c t ，wh i c h ma y b e a n e x c e l l e n t r e f e r e nc e f o r t he s o l u t i o n t o s i mi l a r p r o b l e ms Ke ywo r d s： c e me n t d o s a g e；c o n c r e t e s t r e n g t h；d u r ab i l i t y o f c o n c r e t e；fly a s h；b l a s t f u r n a c e s l a g 1 工 程 概 况 某体育 中心占地 4 1 9 公 顷 ， 投资 8 5 亿元 。其 中 体育场建筑面积1 2 3 1 2 5 m ， 能容纳3 6 0 0 0 名观众 ， 其 基 底为直径 3 1 8 6 m的圆形 ， 面积为9 5 6 6 m 。其在平面布 局上采用外圈圆套椭 圆的对称布 置形式 ， 主体建筑看 台部分地上 3层 ， 地下 2层 ， 为钢筋 混凝土 框架结 构 ， 屋盖为大跨度钢结构 和索膜结 构 ， 与看 台部分钢筋混 凝土结构体系相互独立 。体育场上部屋盖结构 的荷 载 主要 由轴间沿环 行均匀布 置 的 4 0根预应 力混凝 土大 斜柱来承担 ， 且 属于高 强度等级 的大体积 混凝土 。该 工程共浇筑混凝 土 8万 多 r n 3 ， 可 以说混凝 土工程质量 的优劣对整个工程质量有着举 足轻重 的影响。 2 体育 中心商品混凝土设计及使用情况分析 2 1所用原材料基本情况 工程混凝土结 构设计 的配料 中 ， 某 公 司生产 的 P 4 2 5 R型水 泥 ， 经检 验其性 能符 合 硅 酸盐水 泥 ， 普 通硅酸盐水泥质量标准 ( G B 1 7 5 ) 的要求 ； 区中砂 ， 细 度模数为 2 33 0， 含泥量小于 1 ， 技术 要求经 检验 符合 普通 混凝土 用砂质 量标 准及实验 方法 ( J G J 5 2 ) 的规 定 ； 连续级 配为 5 2 5 m m的花 岗岩碎石 ， 含泥量 小于 1 ， 经 检验技 术要求 符合 混凝土用碎石或 卵石 质量标准及 实验方 法的规 定 ( J G J 5 3 ) 的规定 ； 级磨 细粉煤灰 ； 宝山钢铁公 司 的 $ 9 5型矿渣 微粉经 检验符 合矿粉国家标准 G B J 1 8 0 4 6 -2 0 0 0 ； 萘 系缓凝 高效减水 48 ( a ) 平面 ( b ) 立 面 图 I 体育场平面及立 面图 剂 WS N 3 0 ， WS N 4 0 ； Z L膨胀剂 。 2 2所用混凝土的基本情况 结构混 凝土 的强度 等级主 要有 ： C 2 5 ， C 3 5 ， C 3 5 o 6 ， C 4 0 ， C 4 0 p 6 ， C 5 0 ， C 5 0 p 6 ， C 6 0 。其 中 p 6指 抗 渗混 凝 土 ， C 2 0主要用于构造柱 和一些临时设 施 ； C 3 5主要用 于梁 板 、 柱底 ； C 4 0主要用 于 柱 ； C 5 0主要 用 于承 台 ； C 6 0主 要用于预应力大斜柱。在混凝土 中采用大掺量粉煤灰 并且采用粉煤灰 、 微细矿 粉的“ 双掺” 措施 ， 最大粉煤灰 掺量为 5 0 左右 ， 矿渣微粉 掺量 1 0 左右。实际抽样 检查 中 ， 对于各等级混 凝土 的强度按混 凝土 强度 检验 维普资讯 http:/ 评定标准 ( G B 5 0 2 0 4 -9 2 ) 的统计 方 法评 定均 合格。按 体育场实际使 用环境来 看 ， 工程 混凝土 结构 的环境类 别 主要是一类和二类 a ， 在实 际抽样 检查 中， 对 于部分 处于一类使用环境 下的浇筑 部位 ， 其 实际水 泥最小用 量 为 1 7 4 k g m 3 ， 对 于部分 处于二 类 a使 用环 境下 的浇 筑部位 ， 其实 际水 泥最 小 用 量 为 1 9 2 k g m 3 。然而 ， 按 混凝土结构设计规 范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ) 和 普通混凝 土配合 比设计规 程 ( J G J 5 5 -2 0 o o ) 及相关规程 的要求 ， 在一类 、 二类 a使用 环境下结 构最小 水泥 用量分 别 为 2 2 5 ， 2 5 0 k g m 。显然 ， 该 工程混凝土的水泥用量不足 。 目前在混凝 土中大量掺加粉煤灰 、 矿渣 ， 粉煤灰和 矿渣是工业废渣 ， 价格低廉 ， 混凝土中掺人这些掺合料 可以节省水泥 ， 降低造价 ， 而且在钢筋混凝土 中掺人粉 煤灰 和矿渣 ， 在一 定程度上能改善混凝土 的内部结构 、 提高混凝土的耐久性 ， 有着 良好的技术性 、 经济性和社 会效益 。正是出于这种 考虑 ， 混凝 土供应 方使用 了超 量的粉煤灰及矿渣 微粉掺合 料取代 了部分 水泥用量 ， 造成实际的水泥用 量低于规 范规定 的最小水 泥用量 。 普通混凝土配合 比设计 中之所 以提出最小水泥用量 的 要求 ， 其 目的是为了保证混凝土耐久性 ， 满足混凝土拌 合物 工作性的重要技术 措施 。 3 掺粉煤灰、 矿渣微粉对混凝土强度及耐久性影响 在实测中发现 ， 超量 掺加 的粉煤灰及 矿渣微 粉并 没有 降低混凝土 的强度 ， 反 而使得混 凝土强 度有所增 加 ， 见 表 1 。 虽然 最终 混凝 土 的强 度满 足设 计 要求 ， 但是过低 的水泥用量还 是 给混 凝 土 带 来 了 不 利 影 响。通过大量试验 得到 的 混凝土龄期与混凝 土立方 体抗压强度 的关系 曲线 见 图 2 图2 混凝土抗压强度与龄期的关系 由图 2可见 ， 掺加粉煤灰 、 微细矿粉 的混凝土早期 ( 3 d ， 7 d ) 强 度 明显 比基 准混 凝 土的强 度 低。直到 2 8 d 强度 才赶上甚至超过基 准混凝土 ， 证明 了掺加粉煤灰 、 部分混 凝土 的配合 比及 2 8 d 。 5 6 d强度情 况 表 1 强 度 J ( k g m ) 水 胶比 掺量 ( ， 强 度 ( M P a ) 等 级 水 水泥 盼 煤 灰 旷 渣 徽 糟 砂 石 子 A D A D 矿 渣徼 鞫 盼 煤 灰 28 d 5 6 d l7 8 2 0 8 9 4 8 9 7 6 5 l 0 加 8 8 0 4 5 5 2 2 5 3 0 2 4 4 3 0 4 6 2 05 l7 8 2 5 3 9 4 4 5 7 6 6 l 0 3 2 8 8 0 4 5 5 2 2 5 l 5 2 4 4 1 6 4 4 6 l7 5 2 3 0 9 3 9 9 7 4 0 l 0 3 7 7 3 0 4 15 I 7 4 3 0 2 2 4 6 6 5 2 9 G 40 l7 5 2 8 0 9 3 4 q 7 4 l 1 0 鲫 7 3 0 4 1 5 1 7 4 l5 2 2 4 9 7 5 0 4 l7 2 2 8 2 8 8 I2 1 6 8 5 l o 4 3 9 6 0 3 S l 9 5 3 0 l 8 5 9 0 6 4 4 fS 0 17 2 3 4 3 8 8 6 0 6 8 6 1 9 6 0 3 S l 9 5 l 5 1 8 6 0 9 6 2 5 l 6 8 3 2 9 9 0 4 l4 6 2 4 l 0 5 6 l 4 0 0 3 0 2 5 0 3 0 l 6 7 I 5 7 2 2 G l6 8 4 0 0 9 0 7 I 6 2 6 l 0 5 9 l 4 0 0 3 0 2 5 0 l 5 I 6 7 0 5 7 4 ， 4 注 ： A D为外加剂。 微细矿粉的混凝 土有着早期强度 不足的缺点。如果施 工时不 注意 出现施工超 载等情 况 ， 可能会 引起混凝 土 的早期开裂 ， 给结构耐久性带来隐患。 4 大掺量粉煤 灰、 矿渣微 粉对混 凝土耐 久性 的其他 影 响 设计人员往往 比较 重视混凝 土的强度 ， 而对混凝 土的耐久性 重视不够 ， 影响混凝土耐久性 的因素很多 ， 除了因为设计不 当、 施工质量不合格等人 为因素外 ， 还 有混凝 土的碳化 、 混凝土的冻融破坏 、 混凝 土的碱集料 反应 、 氯离子 的侵蚀 和钢筋锈 蚀等 。由于该体 育 中心 所处地 区年平均气 温达到 2 0 左右 ， 所 以暂 不考虑反 复冻融对混凝 土耐久性 的影响。 4 1抗碳化性能 混凝土的碱度 与渗透性是影响其碳 化速率的两个 本质因素。研 究 发现_ 4 J ， 粉 煤灰 掺量 为 5 0 、 矿 渣 粉 掺量为 1 0 时 ， 混凝土的碳 化深度 比单 掺 6 0 的粉煤 灰要低得多 ， 即采用粉煤灰与矿渣粉的复 掺技术 ， 可显 著缓 和单掺粉煤 灰时混 凝土抗碳 化能力 的下降 ； 或在 保持抗碳化性 能不降低 的情况 下 ， 可提 高混 凝土 中掺 合料的总量 ， 降低水 泥用量 。 4 2抗碱集料反应性能 在混凝土配料 中加入粉煤灰等活性材料 可有效降 低混凝土的碱度 ， 抑制碱集料反应 。许多研究 l 5 表明 ， 粉煤灰越细 、 氧化硅 含量越 高、 晶体越 多 ， 越利 于抑制 碱集料反应 的发 生 ， 而且粉煤 灰从 4 0 7 0 的大掺 量研究显示 ， 随着粉煤灰掺量的增加 ， 可更 为有 效地 降 低 因为碱集料反应引起 的膨胀 。 4 3抗 氯离子侵蚀性能 对于粉煤 灰 、 矿渣微粉等混合 材料 ， 尤 其是 大掺量 粉煤灰 、 矿渣 微粉混合材料抑制氯离子扩 散的机理 ， 目 前还在研究 中 ， 但 比较普 遍的研究 结果认 为扩散过程 与材料 的孔结构 ， 即空 隙率 、 孔分 布 、 孔 的连 通性有着 十分密切的关 系。 选取工程 中矿 渣 微 粉 掺 量 分 别 为 1 5 ， 3 0 的 C 5 0混凝土进行实验室检测 ， 电通量分别 为 3 8 4库 、 3 6 9 库 ， 说明具有较低的氯离子渗透性 。 4 4抗渗透性 能 掺加粉煤 灰 、 矿渣 微 粉对 渗透 性 的影 响 ， 与粉煤 灰 、 矿渣微粉品质 、 掺 加方法 、 养护龄期 等有关 。但 总 体上说 ， 这些掺人料 提高了混凝土的密实性 ， 减少了混 凝土的大孔数量 ， 具 有 良好 的抗渗能 力。国际及行 业 标准在混凝土的抗渗 要求上 主要是通过控制水胶 比及 水 泥的最小用量进行 控制。 4 5抗钢筋锈蚀性能 掺加粉煤灰 、 矿渣微 粉能提高混 凝土 中钢筋 的抗 49 维普资讯 http:/ 锈蚀能力 。对大掺量 粉煤灰 、 矿 渣微粉混 凝土 的碱度 研究_ 4 J 发 现 ， 即使 粉煤 灰的掺 量达到 7 0 ， 混 凝 土的 p H值仍达 1 2以上 ， 高 于钢 筋混凝 土结 构允许 的碱 度 值 l 1 5 0 ， 高 于 钢 筋 表 面钝 化 膜 破 坏 的 临 界 值 p H= l 1 5 0 ， 说明掺粉煤灰混凝土 中的钢筋 仍能形成致 密的 钝化膜 。这与以前普遍认为的在混凝土 中掺加粉 煤灰 会对钢筋造成不 良影 响的观点恰好 相反 。 4 6需要注意 的问题 通过以上分析 ， 在满足混凝 土强度的条件 下， 用大 掺量粉煤灰 、 矿 渣微粉替 代部分水 泥对该工程 混凝 土 结构的耐久性起 到 了积极 的作用 ， 但针 对该 工程混凝 土结构的设计及应用 ， 提出以下建议 。 ( 1 ) 掺加大量粉煤 灰 、 矿渣微 粉时 ， 应 适 当增 加混 凝土保 护层厚度 以改善混凝 土的抗碳化性。 ( 2 ) 粉煤灰 中的粗 颗粒可在混凝 土 中起 到稳 定体 积的作用 ， 有利于保证混凝土的体积安定 性 ， 故不必过 于追求细度 。另外 ， 粉煤 灰 中的残碳 将严 重影响粉 煤 灰制品的强度 ， 降低 制品的抗裂性 、 抗 冻融 性 、 抗 渗性 ， 大大降低粉煤灰 活性 ， 故应重点控 制粉煤灰 的烧 失量。 粉煤灰混凝土 应用技术规 范 ( G B J T I 4 6 - 1 9 9 0 ) 中规 定用于混凝 土掺和料 的粉煤灰烧失量不得超过 5 。 ( 3 ) 在粉煤灰 、 矿 渣微粉混凝 土搅拌 时 ， 由于粉煤 灰 、 矿渣微粉遇水易粘结成 团， 因而应与水泥同时投料 并拌匀 ， 然后再加 水搅拌 ， 搅 拌时间宜 延长 ， 其潮 湿养 护时间也应适 当延长。 ( 4 ) 大掺量粉煤灰 、 矿渣微粉 引起 的混凝 土早期强 度的降低可通过掺加减水剂 ， 减小水胶 比而获得补偿 。 5 结 语 为了满足混凝 土结 构耐久性要 求 ， 要保 证水泥用 量满足规范规定 ， 充分发挥粉煤灰 、 矿渣微粉等掺合料 的有利作用 ， 还可采取 以下措施 ： ( 1 )在满足 水泥 最小用 量的前 提下 ， 严 格控 制水 灰比和水 泥用量 ， 改 变 以往 “ 水 泥用量 越 多耐 久性 越 好 ” 的观念 ， 在保 证拌和物具 有 良好工作性 的前提下 ， 满足 流动性要求。应根据工程所处的环境合 理选择水 泥品种 ， 选用质量 良好 、 技术条件合格 的砂 、 石骨料 ， 采 用合理粒形和级 配参数 。强化施 工管理 ， 混凝 土搅拌 均匀 、 振捣密实 ， 加强养护 。 ( 2 ) 要有足够的保护层厚度 。保护层 厚度与耐久 性之间密切相关 ， 混凝 土的高碱度 可使钢筋 表面形成 钝化膜 ， 对钢筋 有保护 作用 。混 凝土保 护层可 以阻止 外界腐蚀介质 氧气和水分 的渗入 ， 保护 效果与混 凝土 的密实度和保护层的厚度密切相关 。 ( 3 )重视对骨料 的要 求。骨料的物理耐久性 反映 在其体积的稳定性 不随环境 改变 ， 骨料体 积 因环境 因 素改变而导致混凝土破坏属 于骨料的不稳性 。 ( 4 )使用 高性能混凝土 。高性 能混凝土早期 下沉 和硬化收缩小 、 干缩 小 、 水化放热 低 ， 因而 可提高混凝 土的抗裂缝能力。 ( 5 )建立 完善 的 混凝 土 耐久 性 检 测 系统 和 数据 库 ， 定期进行观 测 、 检查 ， 使 之能够 比较 客观地 反映使 用环境下混凝 土的主要 破坏 因素 及其实 际运行状态 ， 对混凝 土的劣化 状态做 出科学评价 ， 以便及 时对结构 耐久性 问题做 出判断 ， 并据此 采取切实 有效 的维 修措 施 ， 延长 混凝土结构的使用寿命 。 参 考 文 献 1 陈磊 粉煤灰混 凝土超强 原因分析 J 粉煤 灰综合 利用 。 2 0 0 2 ( 3) 2 刘数华 粉煤灰在混 凝土中的强度效应 试验研究 J 粉煤灰综 合利用 ， 2 0 0 3 ( 5 ) 3 宋岩丽 粉煤灰效应 及其对混凝土性 能的影 响 J 山西建筑 ， 2 0 0 3 ( 1 I ) 4 候永生 粉煤灰对混凝 土性能的影响 J 建筑技术与应用， 2 0 0 5 ( 2 ) i s 董维佳 ， 吴景晖 混凝土的碱集料反应及粉煤灰 的抑制作用 J 粉 煤 灰 2 0 01 ( 2) ( 上 接第 5 4页 ) 当地 习惯做 法 、 有关 超 限 的规范 要 求等 不 同因素 ， 总 之 ， 把握好规范与现实情况之间的尺度是非常重要的。 7 结 语 由于地震设 防烈度较低 ， 工程基本 由风荷 载控 制 ， 所 以不同的抗震性 能 目标 相对 比较 容易达 到 ， 这也是 方案设计时 能够把 目标 2和 目标 3作 为工程初步性能 目标 的原 因， 通过 采用钢管 混凝土柱 和提高抗震 措施 等有效手段 ， 使工程超高层 结构达到 了性 能 目标 D或 接近 目标 C的要求 ， 这对于今后 保证工程 的大震安 全 度或将来本地区抗震设 防烈度发生变化时具有很 现实 的意义。另外 ， 由于地震作用的不确定性 ， 在对超 限结 5 0 构进行性能设计的同时还应特别注重概念设计 。 致谢 ： 工程在 设计 审查过程 中得 到王 亚勇老 师的 指导， 在此表示感谢 。 参 考 文 献 I 徐培福 复杂高层建筑结 构设计 M 北京 ： 中国建 筑工业出版 社 ， 2 0 0 5 2 戴 国莹 ， 王亚勇主编 房屋建筑抗 震设计 M 北 京： 中国建筑 工业出版社，2 0 0 5 3 高层民用建筑钢结构技术规程( J G J 9 9 -9 8 ) S 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ，1 9 9 8 4 高层建筑混凝土结构技术规程( J G J 3 -2 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 2 5 超 限高 层 建筑 工 程 抗震 设防 专项 审 查 技术 要 点 s 建 质 【 2 0 0 6 】 ， 2 2 0号 维普资讯 http:/