高强高性能混凝土的配制与应用研究.docx

20026第 20 卷第 2 期JOURNAL OF CHANGSHA RAILWAY UNIVERSITYJ un. 2002文章编号 :100022499 (2002) 0220017206高强高性能混凝土的配制与应用研究健 ,周士琼 ,谢友均尹( 中南大学铁道校区土木建筑学院 ,湖南 长沙 410075)摘要 :对掺 PFAC 和高效减水剂的 C80C100 高强高性能混凝土的配制技术和应用进行阐述. 并对 C80C100 高强高性能混凝土的性能进行了研究 ,采用 30 %50 %的粉煤 灰复合超细粉 ( PFAC) 等量取代水泥 ,1m3 混凝土中水泥用量仅 390 kg 左右 ,配制出和易性优良 (坍落度 :210 mm 左右) 的 C80C100 的粉煤灰高性能混凝土 ,并在工程中成功应用.粉煤灰复合超细粉 ( PFAC) 和高效复合减水剂双重作用的结果赋予了混凝土一系列的高 性能 :高工作性 、高强 、低干缩 、高体积稳定性 、优异的耐久性等.关键词 :高强高性能混凝土 ;粉煤灰复合超细粉 ; PFAC ; HPC中图分类号 : TU528 . 31文献标识码 :AInvestigation on Preparation and Application ofHigh Strength Performance ConcreteYIN J ian ,ZHOU Shi2qiong ,XIE You2jun( Civil Architectural Engineering College ,Central South University ,Changsha 410075 ,China)Abstract : This paper presents the compounding technology and application of C80C100 high2perfor2mance concrete containing Ultra2pulverized fly ash composite ( PFAC) and superplacticizer . The properties of C80C100 high2performance concrete are also studied systematically. The experimental results indicatethat this concrete has excellent workability( slump :210 mm or so) ,high strength ,lower drying shrinkage , outstanding volume stability ,durability and so on.Key words : high strength concrete ; high2performance concrete ; HPC ;application ; PFAC前言高性能混凝土 ( HPC) 是一种有高耐久性 、高施工性 、高强度的“三高”混凝土 ,被称为 21 世纪混凝土. 混凝土达到高性能最重要也是最关键的技术手段是使用复合超塑化剂和超细矿物掺合料. 与普通混凝土相比 : HPC 原材料组分增加 ;施工工艺要求严格 ;管理人员及施工操作人 收稿日期 :2001 - 05 - 23基金项目 :建设部科技司项目(96 - 11 - 03)作者简介 :尹 健(1970 - ) ,男 ,湖南洞口人 ,中南大学讲师 ,博士生 1长 沙 铁 道 学 院 学 报2002 年18员自身素质要求高 ,混凝土的内部均匀性 、致密性提高 ; 混凝土拌和物性能 、力学性能 、特别是耐久性能均大大改善和提高. 本研究以 30 %50 %的粉煤灰复合超细粉等量取代水泥 ,1 m3混凝土中水泥用量仅 390 kg 左右 ,配制出和易性优良 ( 坍落度 : 210 mm 左右) 的 C80C100 的 粉煤灰高性能混凝土 ,并在湖南省图书城工程中 ,泵送 78 m 高度应用成功 ,为湖南省以及全国 推广应用 C80C100 粉煤灰高性能混凝土这一新技术提供了参考依据和现场应用经验.试验材料水泥 :韶峰 525 # 普通硅酸盐水泥 ,实测 28 d 抗压强度为 5357 MPa ,坝道 625 # 普通硅酸 盐水泥 ,实测 28 d 抗压强度为 64 MPa ;砂 :湘江河砂 ,级配合格 , 区 ,细度模数为 2 . 88 ;石 :520 mm 的石灰岩碎石及碎卵石 ,级配合格 ,碎石压碎指标为 7 . 6 %8 . 6 % ;碎卵石 为湘江河卵石经轧碎而成 ,碎石占 51 %53 % ,压碎指标 7 . 7 %8 . 0 %.高效减水剂 :萘系列高效减水剂 TQN 、FDN 系列 、潭建 ;粉煤灰复合超细粉 :将 级 、级粉煤灰磨细并掺入少量无机矿粉改性复合而成 ,有两种 类型 : PFAC ,PFAC 型. 其中 PFAC 的细度为 8000 cm2 g ; PFAC 的细度为 6000 cm2 g. 原状粉煤灰的化学成分见表 1 .表 1 粉煤灰的化学成分( %)1成分烧失量含水量SO3SiO2Fe2O3Al2O3K2ONa2OCaOMgO级灰级灰3 . 21 . 1 1 12. 50. 451 . 848 . 25 . 05 . 626 . 430 . 54 . 15 . 31 . 01 . 11 . 31 . 31 . 00 . 52 结果与讨论2. 1C80C100 HPC 的配制研究1) 水泥 、粉煤灰复合超细粉 ( PFAC) 、高效减水剂的相容性研究参考加拿大 Aitcin 等关于水泥 高效减水剂相容性的试验方法 ,采用净浆流动度 ( GB8077- 87) 和胶砂强度试验方法 ( GB177 - 92) 进行低水胶比下的水泥 、粉煤灰复合超细粉 ( PFAC) 、高效减水剂的相容性试验 ,试验结果图 1 和表 2 .表 2 水泥 、粉煤灰复合超细粉( PFAC ) 和高效减水剂的相容性试验 胶砂强度高效减水剂抗折强度MPa抗压强度MPa水泥g粉煤灰g编号种类掺量%1 d3 d28 d1 d3 d28 d15400-07 . 007. 909. 5736 . 947 . 158 . 12351189-04 . 426. 8010 . 5524 . 440 . 663 . 43351189FDN FDN2W潭建TQN1 . 25 . 026. 6710 . 8022 . 045 . 971 . 643511891 . 25 . 157. 158. 9022 . 742 . 667 . 7563513511891891 . 21 . 24 . 874 . 876. 305. 7810 . 579. 9222 . 124 . 239 . 239 . 168 . 869 . 7备 :水泥 韶峰 525 # 普通硅酸盐水泥从图 1 和表 2 的试验结果可以得出 : FDN 与韶峰 525 # 水泥和 PFAC 的相容性最好 ,表第 2 期尹健等 :高强高性能混凝土的配制与应用研究19WB = 0 . 3 ,温度 22 ,水泥 :韶峰 525 # 普通硅酸盐水泥图 1 水泥、粉煤灰复合超细粉( PFAC ) 和高效减水剂的相容性试验现为 :第一有明显的饱和点值 ,饱和点处的 FDN 掺量较小 ,为 1 . 0 %1 . 2% ;第二 PFAC 的掺入不仅可提高其流动度而且还可明显提高其强度. 潭建与韶峰 525 # 水泥及 PFAC 的相容性一般 ,表现为 :第一饱和点值不明显 ,且有离析现象 ; 第二当潭建的掺量较小时 , PFAC 的 掺入反而对流动度产生负面影响. TQN 与韶峰 525 # 水泥及 PFAC 的相容性尚可 ,表现为 : 第一流动度的经时损失不大 ,但饱和点值较大 ,为 1 . 2 %1 . 6 % ;第二 PFAC 的掺入对流动度及流动度损失影响不大 ;第三三者复合作用可明显提高强度. FDN2W 与韶峰 525 # 水泥及 PFAC 的相容性不好 , 表现为 : 第一饱和点大 , 大于 1 . 5 % ; 第二流动度经时损失大 ; 第三 PFAC 的掺入不仅不能提高其流动度 ,反而还降低其流动度.表 3C80C100 高强高性能混凝土配制试验结果为了验证上述试验结果的正确性 ,进行了混凝土坍落度和强 度试验 ,试验结果表明 : FDN 与韶 峰 525 # 水泥和 PFAC 的相容性 最 好 , 不 但 初 始 坍 落 度 大 240 mm ,且 3 h 后坍落度损失仅 60 mm ,28 天强度达 93 . 6 MPa .韶峰 525 # 水泥 ( 坝道 625 # 水泥) 和高效减水剂与 PFAC 的 相容性与 PFAC 的相容性的结 论是一致的.根据上述试验结果 , 在配制C80C100 HPC 时采用韶峰 525 #抗压强度MPaCkgm3坍落度mm编 号kgm3W3 d28 d56 d12345678927335034730836434837439039030718721323219623222622022013313013412412512212212212418020018517019519523520022537. 265. 360. 161. 861. 850. 370. 881. 273. 395. 2105 . 794. 796. 7107 . 5108 . 8114 . 9126 . 1122 . 199 . 2-103. 6104. 5132. 0- 10 400 225 125 200 82 . 8 128 . 8 - 备 :1 . 表列强度值是以 100 100 100 mm 试件为准. 2 、1 - 6 # 为碎卵石 ,其余为碎石 ;3 、2 # 为 PFAC ,其余为 PFAC ;4 、2 # ,8 - 10 # 为普通625 # 硅酸盐水泥 ,其余为普通 525 # 硅酸盐水泥.长 沙 铁 道 学 院 学 报2002 年20水泥或坝道 625 # 水泥 ,FDN ,PFAC 或 PFAC .2) C80C100 HPC 的配制研究在保证目标坍落度 200 20 mm 的前提下 ,优选了 HPC 配合比参数 : 高效减水剂的掺量 :1 . 2 %1 . 6 % ; PFAC 掺量 (等量取代) 30 %50 % ,对于考虑后期强度的工程其掺量可达 70% ; PFAC 的细度 60008000 cm2 g ;胶凝材料总用量 540610 kgm3 . HPC 典型的部分配制结果 见表 3 .2. 2 C80C100 HPC 的部分力学性能2 . 2 . 1 抗压强度1) 采用 525 # 普通硅酸盐水泥 ,在其最少水泥用量为 273 kgm3 ,最大水泥用量为 392 kgm3的范围内 ,采用普通砂 、碎卵石 、掺 PFAC 或 PFAC ,均能配制出和易性优良 ( 坍落度 200 mm左右) 的 28 d 抗压强度达 95 . 2114 . 9 MPa 的高强高性能混凝土. 采用 625 # 普通硅酸盐水泥 , 其用量 390400 kgm3 ,可配制出和易性优良 (坍落度 200 mm) 的 28 d 抗压强度达 128 . 8 MPa 的超高强高性能混凝土.2) 掺 PFAC 后 HPC 的 1d 及 3d 强度较基准混凝土有明显提高 ,并且后期强度而有较大幅 度的增长. 在和易性基本等同的前提下 ,其 3 d 、28 d 分别可提高 8 . 3 %26 . 9 % 、18 . 3 %48 . 9 %.3) 为了提高混凝土绿色度 ,以 50 %PFAC 掺量配制 100 MPa 以上的高强高性能混凝土是 可行的 ,此为粉煤灰的推广应用又提供了一新的途径.4) 表 3 中提供的配比可为配制 C80C100 HPC 时参考.2 . 2 . 2 HPC 的受拉性能大量的试验结果表明 :随着高强高性能混凝土抗压强度的提高 ,其劈裂抗拉强度 f ts 、轴心 抗拉强度 f t 也随之提高 , 其中 f ts f cu 介于 111 119 , 平均拉压比 115. 5 , f t f cu 介于 115 120 ,而有关研究资料表明 :高强混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度之比即 f ts f cu 一般为 120 124 ,普通混凝土在 C20 C60 之间 , f ts f cu 一般为 110 120. 由此可见 , HPC 的拉压比与高 强混凝土的相比有所提高 ,与普通混凝土的比较接近. 这说明 HPC 的受拉性能得到了改善 ,脆 性有所降低.C80C100 HPC 轴拉试验结果表明 : C80C100 HPC 的极限拉应变可达 222 u ,其平均极 限拉应变值为 212 u ,而 CEB - FIP 规范草案 ( 1990 年) 建议高强混凝土的轴拉极限应变值取150 u ,此建议值比我们的试验值低 30 %左右.表 4 HPC 的弹性模量试验结果2 . 2 . 3 弹性模量掺 PFAC 的 HPC 的弹 性模量试验结果见表 4 ,试验结果表明 : 高强高性 能混凝土的弹性模量比普 通混凝土的有明显提高 , 这 说 明 混 凝 土 中 掺 入 PFAC 是提高混凝土刚度和体积稳定性的一种有效 方法.f cu MPaf epMPaE 104MPa编号水胶比%PFAC%123456725. 920. 824. 120. 128. 220. 320. 035 . 032 . 037 . 537 . 535 . 037 . 636 . 791 . 2107. 490 . 1105. 784 . 8114. 9122. 180. 795. 979. 285. 066. 899. 9109 . 74 . 244 . 714 . 915 . 384 . 144 . 815 . 75注 : f ep :棱柱体抗压强度第 2 期尹健等 :高强高性能混凝土的配制与应用研究212. 3C80C100 HPC 的耐久性和长期性能2 . 3 . 1抗冻性和抗渗性HPC 的快速抗渗性试验结果见表 5 ,结果表明 : HPC 具有优良的抗渗性 ,其抗渗标号大于S40 . 抗冻性标号大于 D150 ,可见其抗冻性优良.表 5 HPC 快速抗渗性试验结果坍落度mm配 比 特( kgm3 )点f cu ,3MPaf cu ,28MPa6 个试件渗水高度平均值cm项目HPCOPCCWPFAC SGSP = 390122220600110 010 . 8CWSGSP = 610140600110 013 . 720020080. 364. 097. 984. 72. 248. 92备 :1 . 水压一次加到 4 MPa ,再恒压 8 h ;2 . OPC 中有二个试件已渗水 , HPC 六个试件均未渗水.2 . 3 . 2护筋性和抗碳化性能1994 年 5 月制作的混凝土试件 ,内部预埋钢筋 ,混凝土配制中 ,PFAC 的掺量 30% ,水泥用量 378 kgm3 ,实测新拌混凝土坍落度 210 mm ,28 d 抗压强度 101 MPa ,在 2000 年 7 月 6 日用铁锤砸开观察混凝土内部钢筋的锈蚀情况 ,以及检测混凝土的碳化深度. 结果为钢筋无锈蚀 ,碳 化深度为 0 mm. 这表明掺 PFAC HPC 具有优异的护筋性和抗碳化性能.2 . 3 . 3干缩性能干燥收缩是混凝土特别高性能混凝土的一个重要性能 ,由于混凝土的收缩在约束条件下 会引起结构开裂 ,对混凝土的耐久性和体积稳定性产生不良影响. 为此进行了大量的 HPC 干缩性能试验 ,典型的干缩变形试验结果见表 6 . 试验结果表明 : 当 PFAC 掺量 40 %时 , HPC 的干缩率在任何龄期均小于坍落度相近的基准混凝土的干缩率. 当 PFAC 掺量达 50 %左右时 ,尽 管其单位用水量为 137 kgm3 ,此时 HPC 的早期干缩率 (14 d 前) 比基准混凝土的大 ,因此对于PFAC 掺量 50%等量取代水泥配制的 HPC 应加强 14 d 前的养护.表 6HPC 与 OPC 干缩对比试验结果干缩率( 10- 4 )坍落度mmPFAC%WB%Wkgm - 3f cu ,28MPa编 号3 d7 d14 d28 d45 d60 d90 d180 d1023 . 213980. 922585. 4188263363-35637540223437. 7514020 . 324 . 325 . 9122137. 514098. 090. 089. 723519520052. 5147 . 5100101185. 1110182144 . 7120313241. 9200-312 . 8210311380. 2280314382 . 4310347409. 9400工地应用湖南省图书城位于长沙市中心 ,主楼地面 20 层 ,地下 2 层 ,建筑高度 92 . 4 m ,采用全现浇 框架 剪力墙结构. C80 粉煤灰高性能泵送混凝土应用试验选在图书城第二十层 ,共浇注断 面尺寸 800 mm 800 mm 柱子四根 ,试点应用混凝土量约 10 m3 ,泵送高度 78 m. C80 粉煤灰高 性能泵送混凝土经搅拌 、泵送 、振捣 、养护全过程均按确定的施工方案进行 ,现场施工混凝土具 有优异的物理力学性能 ,浇筑的钢筋混凝土柱表面光洁 ,气孔少 ,经三年多的观察未发现开裂 现象. 现场配制的 C80 粉煤灰高性能泵送混凝土的配比为 : CPFAC SGWSP = 350190600110 01407 . 56 ;现场测定了八盘混凝土拌和物坍落度 :195235 mm ,粘聚性好 ,无泌水现3长 沙 铁 道 学 院 学 报2002 年22象 ,且有良好的可泵性 ;成型了八盘混凝土立方体试件 (100 mm 100 mm 100 mm) ,采用人工插捣成型 ,待混凝土凝结后移至标准养护室 ,测定 28 d 抗压强度 、劈裂抗拉强度 、弹性模量 、抗 折强度 ,结果表明 : 八盘混凝土抗压强度平均值为 88 . 3 MPa ,标准差 3 . 5 MPa ,变异系数 4 % , 由此可见 ,混凝土施工质量稳定 ;劈裂抗拉强度平均值 8 . 2 MPa ,抗折强度 10 . 1 MPa ,弹性模量4 . 26 MPa 104 MPa . 试验结果可知 :28 d 龄期混凝土强度拉压比为 111 ,与普通高强混凝土相比 ,拉压比降低 ,特别是抗折强度达 10 . 1 MPa ,说明掺粉煤灰复合超细粉高性能混凝土表现为 明显的增韧 、降脆特性.通过以上现场搅拌成型的混凝土力学性能试验表明 : 现场施工应用的粉煤灰高性能泵送 混凝土达到 C80 强度等级要求 ,工程应用是成功的. 特别是粉煤灰高性能混凝土长龄期各项强 度指标与 28 d 龄期相比 ,均有较大或一定幅度的增长 ,这对提高混凝土耐久性是极为有利的.结论41) 采用 525 # 普通硅酸盐水泥 ,在其最少水泥用量为 273 kgm3 ,最大水泥用量为 392 kgm3的范围内 ,采用普通砂 、碎卵石 、掺 PFAC 或 PFAC ,均能配制出和易性优良 ( 坍落度 200