浅谈高性能混凝土的原材料控制.doc

高性能混凝土的原材料控制魏大千 河南省公路工程局集团有限公司随着公路交通负荷的逐年加大，高性能混凝土在公路桥梁施工中的应用日渐普遍。高性能混凝土是一种高强度、长耐久性及高工作性的新型混凝土，其高性能品质不是只根据配合比设计就能够生产出来的，而是需要从源头开始，通过对原材料的品质进行严格控制，对混凝土拌合过程全过程控制及对现场施工控制来共同实现的。高性能混凝土使用的原材料除了普通混凝土所需的水、水泥、粗集料、细集料（砂）之外，还必须掺入高效减水剂和一定量具有活性的超细矿物质掺合物，这六种原材料的质量对高性能混凝土的强度、耐久性起着至关重要的作用。高性能混凝土的各项技术指标如高流动性、高强度、体积稳定性、匀质性等对原材料的质量都非常敏感，所以所用的原材料必须精心优选，严格控制原材料的性能和确定经济合理的掺量。1. 矿物质掺合物我国目前常用的高性能混凝土掺合料主要有：微硅粉、粉煤灰、磨细矿渣粉和沸石粉，它们是高性能混凝土的第六组分，也是不可或缺的组分，能使配制出的混凝土具有高强度、大流动性、高耐久性等特点。其原理主要是利用掺合料的微粒效应和火山灰活性，以增加高性能混凝土的密实性，降低水化热，提高混凝土耐久性能。所谓的微粒效应就是掺合物可以填充水泥颗粒之间的空隙从而提高密实度，另外水泥水化生成的氢氧化钙对混凝土强度是有害的，此时掺入活性矿物质掺合物，通过火山灰反应(二氧化硅及氧化铝能与氢氧化钙进行二次反应 )继而生成具有凝胶性质的稳定水化硅酸钙凝胶，使氢氧化钙的含量减少，从而提高混凝土强度。针对我国粉煤灰产量大(年产量已超过1亿t)、环境污染严重这一现状，开发以粉煤灰为主的高性能混凝土掺合料具有重要意义，粉煤灰的颗粒大多呈球状，与水泥水化后产生的氢氧化钙可发生二次水化，因而是高性能混凝土理想的掺合材料。由于磨细粉煤灰具有填充效应、火山灰效应和微粒效应，所以在混凝土中掺入以粉煤灰为主的掺合料，不仅可以改善混凝土的性能，而且还能够使混凝土更加绿色环保。掺入粉煤灰的关键是控制其掺量及与其掺量相对应的水胶比。目前施工单位对粉煤灰的掺量问题一直持比较保守的态度，混凝土中掺入的粉煤灰量一般都在水泥质量的20以下，极少能够达到50，担心掺粉煤灰后混凝土的收缩和开裂，就限制其掺量。许多工程实践表明，在粉煤灰掺量不大于20时，不仅对混凝土的强度影响不大，对其它性能影响也很小，这样就没有充分发挥出粉煤灰的特点。英国学者通过大量试验，将掺粉煤灰混凝土中水泥和粉煤灰对于不同龄期混凝土强度的贡献分离，得到了强度-水胶比-粉煤灰掺量三者之间关系 (见图1)。 图1反映了混凝土强度随粉煤灰掺量和水胶比变化的规律，当粉煤灰掺量和水胶比同时变化时强度可保持恒定，图中的阴影区就是水胶比-粉煤灰的等强度面，等强度面上曲线任意一点代表着不同水胶比、不同粉煤灰掺量的一系列等强度的混凝土拌合物。因此在配制强度满足工程要求的粉煤灰混凝土时，需在增加粉煤灰掺量的同时降低水胶比，这样就不用担心粉煤灰掺量增大而导致混凝土的强度降低。在高性能混凝土中加大粉煤灰的掺量，能够更充分地利用粉煤灰的潜在活性，节约水泥，更充分发挥高性能混凝土的优势。图1 强度水胶比粉煤灰用量关系图2. 水泥高性能混凝土采用的水泥最好是标号高且有较好的流变性能，但目前水泥生产厂家通常采用提高铝酸三钙含量和增大比表面积的措施来提高水泥标号。但由于过高的铝酸三钙含量将导致新拌混凝土流动度损失过快，另外水泥比表面积提高将导致混凝土内部相对湿度降低，从而产生更大的毛细孔压应力，因此导致更大干收缩及自缩，使混凝土的抗裂性能降低，影响混凝土的耐久性。基于以上两点，高性能混凝土在选用水泥时不需要一味追求使用高标号水泥，只要满足工程实际强度要求即可，尽量避免使用铝酸三钙含量过高的水泥，比表面积一般在300400m2kg。考虑到水泥与高效减水剂的相容性，选用的水泥碱含量不大于0.60，必要时应根据减水剂的种类，通过试验来确定水泥的最低含碱量。3. 集料配制高性能混凝土时选择质量优良的集料对其性能起着至关重要的作用。高性能混凝土的特点是采用低水胶比，而当水胶比较低时，粗骨料自身的强度对混凝土强度的影响比水胶比较高时要明显得多。配制高性能混凝土的粗骨料要求选用强度高、颗粒表面粗糙、不含针状片状颗粒和粘土杂质，可选择石灰岩、花岗岩、辉绿岩等质地坚实具有足够强度的碎石，岩石的抗压强度与高性能混凝土的抗压强度等级之比应大于1.5；骨料的颗粒形状应选择三维长度相等或相近的球体或立方体形颗粒，减少骨料空隙的角度，提高混凝土强度。粗骨料的最大粒径需要控制，混凝土骨料的最大粒径过大，容易造成混凝土离析，成型后的混凝土强度均质性差。粗骨料的最大粒径越小，与砂浆粘结面积越大，界面受力均匀，混凝土抗压强度越高，但骨料粒径减小，包裹其表面所需的砂浆用量增多。对一种连续级配的碎石分别制备水胶比为0.35的混凝土试件，混凝土试件成型时，保证混凝土拌合物的坍落度为170200毫米，制作150毫米x150毫米150毫米的标准立方体混凝土抗压强度试件，标准条件下养护7天、28天，所测得的抗压强度值如表1。结果表明不同粒径的级配粗骨料混凝土试件抗压强度并不相同，粗骨料最大粒径为19mm的混凝土试件抗压强度较高，因此粗骨料的最大粒径可以控制在19mm左右。细骨料宜选择坚固性好、含泥量小于1.0的天然河砂，细度模数2.73.7、级配区间为II区的中、粗砂。应通过试验确定合理砂率，以保证混凝土拌合物具有良好的工作性。表1 不同粒径级配碎石混凝土抗压强度值编号水胶比坍落度（mm）7d28d粒径级配范围10.3519531.247.24.759.520.3519036.555.14.7519.030.3518533.749.24.7531.54. 外加剂高性能混凝土必须掺入与所用水泥具有相容性的高效减水剂，来解决低水胶比与混凝土拌合物高工作性能之间的矛盾。当水泥加水拌合后，由于水泥颗粒间分子凝聚力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，这种絮凝结构中包裹了一定量的拌合水，从而降低了混凝土拌合物的工作性能。掺入高效减水剂后，絮凝结构被解体，拌合水被充分利用，改善了拌合物的流动性能，而且减水剂的颗粒能在水泥颗粒间起到润滑作用，也改善了拌合物的工作性能。在选择高效减水剂时，要注意其掺加量、掺加方式及与水泥的相容性。高效减水剂的掺量不能简单地根据产品说明书的掺量确定，必须通过试验确定合适的掺量。高效减水剂掺入混凝土拌合物的方式主要有先掺、同掺和后掺这三种。高效减水剂的掺加方式对抑制混凝土拌合物的坍落度损失具有一定的影响，一般来说，采用高效减水剂后掺方式的混凝土拌合物的1 h坍落度不小于初始坍落度，3 h的坍落度损失也较小，所以在实际应用过程中可根据对坍落度损失的要求来选择高效减水剂的掺入方式。5. 结论为保证高性能混凝土能够达到“高性能”的品质目标，除了根据配合比生产外，更重要的是要通过原材料质量控制来实现，通过对原材料质量控制以提高耐久性能，改善施工操作，保证混凝土品质。(1)合理选择比表面积300400 m2kg、强度满足工程要求的水泥品种，尽量避免使用铝酸三钙含量过高的水泥，通过试验确定水泥的最低含碱量；(2)选择石灰岩、花岗岩、辉绿岩等品质良好、级配良好的碎石，最大粒径控制在19.0毫米左右；(3)选择级配良好、细度模数 2.73.7、级配区在II区的中、粗砂，通过试验确定合理砂率；(4)控制好粉煤灰掺量和与其对应的水胶比；(5)通过试验确定高效减水剂掺量、检验高效减水剂与水泥的相容性。参考文献：I1 J吴中伟，廉慧珍 高性能混凝 北京：中国铁道出版