高性能商品混凝土制备、性能与应用技术-新.ppt课件

高性能商品混凝土制备 性能与应用技术秦鸿根教授级高工东南大学江苏省土木工程材料重点实验室二00九年十一月 主要内容 高性能商品砼制备要求 高性能商品砼原材料质量 高性能商品砼配合比设计 高性能商品砼优化与调整原则 高性能商品砼施工技术 砼外加剂与水泥的适应性 水泥的性能与应用中的有关问题 高性能粉煤灰砼性能研究实例 混凝土术语 普通混凝土 干密度为2000 2800开工lg m3的水泥混凝土 干硬性混凝土 拌合物坍落度小于10mm且须用维勃稠度表示其稠度的混凝土 塑性混凝土 拌合物坍落度为10 90mm的混凝土 流动性混凝土 拌合物坍落度为100 150mm的混凝土 大流动性砼 拌合物坍落度等于或大于160 150mm的混凝土 抗渗混凝土 抗渗等级等于或大于P6级的混凝土 抗冻混凝土 抗冻等级等于或大于F50级的混凝土 高强混凝土 强度等级为C60及其以上的混凝土 泵送混凝土 拌合物坍落度不低于100mm并用于泵送施工的砼 大体积混凝土 混凝土结构实体最小尺寸等于或大于1m 或预计因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土 一 高性能商品混凝土制备要求 对新拌砼工作性 可泵性要求 对商品砼强度的要求 对商品砼耐久性的要求 1 1流动性 坍落度与坍损TO T1 TTO 初始坍落度 T1 入泵坍落度 T 坍损 表1 1砼入泵坍落度选用表 要求 坍损越小越好 一般1h 20 不但原材料要满足要求 流动性大 而且要粘聚性好 保水性好 常压泌水率要小 压力泌水率一般40 130ml 最好70 100ml 1 2可泵性 砼易于泵送不产生堵管 分层离析和泌水等性能 2 对商品砼强度的要求 中低强混凝土 C20 C50 高强混凝土 C60 C80 配制强度 7d与28d抗压强度关系一般相差10MPa左右 要求7d抗压强度为28d抗压强度0 85 0 9倍 3 对商品砼耐久性要求3 1抗渗性要求有P6 P8 P10 P12 P14 提高抗渗性措施 水泥32 5级以上 P II水泥和P O水泥为好 用量 320kg m3 骨料以中砂和连续级配为好 Dmax 40mm 减少含泥量和泥块含量 适当提高含砂率 适当减少W C和增加胶凝材料用量 对要求较高的可掺适量减水剂 引气剂或膨胀剂 有F50 F100 F150 F200 F250 F300等提高抗冻性措施 严格控制最大W C 控制最小水泥用量 对抗冻要求较高 F50 要掺引气剂或引气型减水剂 3 3其他耐久性指标 干燥收缩小于0 040 抗裂性 达到I级炕裂要求 碳化 达到设计年限 抗侵蚀性 酸 SO 4 Cl 等 氯离子扩散系数小于7 10 10 12m2 s 电量小于1000C 碱骨料反应 不发生碱骨料反应 3 2抗冻性要求 二 耐久性为主的HPC配合比设计法则 高耐久性混凝土首要条件是抗裂性好和体积稳定性好 其特点是低渗透性 包括水密性和抗化学侵蚀性 无龟裂 内部结构的自愈性和长期强度缓慢持续发展 以耐久性为主的HPC配合比设计应综合采用如下法则 低用水量法则系指在满足工作性条件下尽量减少用水量 混凝土高拌和水量的后果是 抗压和抗折强度降低 吸水率和渗透性增大 水密性降低 干缩裂缝出现的几率加大 骨料与水泥石界面粘结力和钢筋与砼界面握裹力减小 混凝土干湿体积变化率加大和抗风化能力降低 为解决HPC用水量应 160kg m3 低水泥用量法则系指满足混凝土工作性和强度前提下尽量减小水泥用量 这是提高砼体积稳定性和抗裂性的一条重要措施 水泥水化过程表明 水泥和水的正效应是作为砼的活性组分 是粘结砼中砂石骨料并形成整体强度的胶凝材料 但同时也是砼耐久性的主要劣化因子 氢氧化钙为不稳定相 易溶于水析出 其含量过多对耐久性不利 水泥中的碱和活性骨料在CH条件下易产生AAR反应 环境中的硫会与Afm C3A生成Aft或石膏而导致水泥石体积膨胀 同时过高的水泥浆量会产生大的水化热 高的坍落度损失 增大塑性收缩裂缝出现的几率 导致砼弹性模量降低 干燥收缩率增大与徐变值提高 因此 对中 高强砼提高水泥用量并不能改善砼性能 最大堆积密度法则 系指优化混凝土中骨料的级配设计 获取最大堆积密度和最小空隙率 以便尽可能减少水泥浆的用量 来达到降低含砂率 减少用水量和水泥用量之目的 水灰比法则 在一定范围内混凝土抗压强度与其拌合物的灰水比成正比 减小W C 砼抗压强度和体积稳定性提高 但为保证混凝土的抗裂性能 水灰比应适当 不宜过小 过小的W C易导致混凝土自生收缩率增大 活性掺合料与高效减水剂双掺法则HPC的配制必须发挥活性掺合料与高效减水剂的超叠迭加效应 从而达到减少水泥用量和用水量 密实砼内部结构 使混凝土强度持续稳定发展 耐久性得以改善的目的 从而使混凝土具有高电阻和低电渗成为可能 总之耐久性好的HPC配合比设计关键是用水量低 减少渗透性 掺减水剂改善工作性 水泥用量少 降低受侵蚀 减少单位体积砼中碱含量 CH和C3A含量 骨料用量增多 增加砼结构的稳定性 采用矿物掺合料 抗渗与固定体积 水泥 粉煤灰 矿渣微粉 砂 石骨料 外加剂 水 三 高性能商品砼原材料质量要求 1 水泥水泥的性能指标 2 粉煤灰 3 矿渣微粉 4 粗细骨料 5 外加剂表2 5缓凝型减水剂质量指标 6 水 四 HPC配合比设计中的关键技术 1 关于混凝土工作性流动性流动性用坍落度表示 泵送混凝土属于大流动性混凝土 坍落度损失不宜过大 一般需要控制1h坍落度损失率不大于20 混凝土入泵坍落度与混凝土泵送高度有关 见表1 根据混凝土的入泵坍落度与坍落度损失 即可算出混凝土初始坍落度T0 即T0 T1 T 表1混凝土入泵坍落度选用表 可泵性可泵性表示混凝土易于泵送而不产生堵管或分层离析和泌水等性能 可泵性好的混凝土 不但混凝土原材料应满足要求 流动性大 而且粘聚性 保水性好 常压泌水率要小 压力泌水值一般控制在40 130ml 以70 130ml为好 2 关于配制强度根据混凝土结构设计强度要求 高性能混凝土强度等级有C40 C50 C60 C70 C80等 混凝土标准养护28d或自然养护600 d的抗压强度达标率不低于95 对C30以上的混凝土 其计算配制强度用的标准差 不小于3 0MPa 一般取6 0MPa 因此混凝土配制强度 C60混凝土为69 9MPa C50混凝土为59 9MPa C40混凝土取49 9MPa JTJ041 2000规定 配制强度不得小于设计强度的1 15倍 混凝土的抗压强度 是结构混凝土最主要的指标 必须达到设计要求 混凝土强度等级保证率不低于95 但混凝土抗压强度也不宜过高 即超标太多 如超过设计强度3个等级以上 该混凝土不是最佳的混凝土 不仅增加了材料成本 而且还会使混凝土的胶凝材料用量过高 从而降低了混凝土的长期耐久性能 3 关于混凝土耐久性 近年来人们对混凝土耐久性的认识日益提高 国外各标准中也均把耐久性列为混凝土的最重要指标 已不是对特殊要求的混凝土才要考虑耐久性 而对所有混凝土均应予以考虑 特别是对像大型桥梁要求使用寿命在百年以上的重大工程 更应该重视混凝土的耐久性能 欧洲混凝土协会 CEB 和国际预应力混凝土协会 FIP 1990年模式规范中的规定 其分类细致 科学 控制指标合理 在CEB FIP模式规范中 对混凝土所处的环境分为5类9级 即 1 干燥环境 2 潮湿环境 分无冻害和有冻害2级 3 有冻害和除冰剂的潮湿环境 4 海水环境 分2级 5 侵蚀性化学环境 分3级 并就每级环境对混凝土提出了相应的要求 中国土木工程学会CCES01 2004 混凝土结构耐久性设计与施工指南 2005年修订 将混凝土结构的设计使用年限分为100年 50年 和30年三级 将不同的环境类别的作用等级分为A 可忽略 B 轻度 C 中度 D 严重 E 非常严重 F 极端严重 6级 并提出混凝土抗氯离子侵入性指标 见表2 表2混凝土抗氯离子侵入性指标 对C40以下的中低等级混凝土 一般耐久性能主要是控制最大水灰比和最小水泥用量 而对于C40以上混凝土耐久性能要考虑控制胶凝材料特别是水泥的最大用量 水化热和收缩裂缝等问题 对潮湿环境且有冻害作用等情况 则要考虑到采用引气来提高混凝土耐久性 抗冻性和抗渗性 对海水环境和侵蚀性化学环境 则要根据具体情况考虑抗氯盐 硫酸盐和各类酸的腐蚀以及碱骨料反应 对预应力混凝土和钢筋混凝土还要考虑其碳化和钢筋锈蚀等问题 4 关于水灰比 水灰比是决定混凝土强度最重要的因素 JGJ55 2000规定的水灰比计算公式为 对碎石混凝土 回归系数 0 46 0 07 为水泥28d抗压强度的实测值 为混凝土配制强度 当采用42 5级P O水泥 47 5MPa时 C40混凝土w c 0 42 C50混凝土 w c 0 35 C60混凝土 w c 0 30 5 关于用水量用水量与混凝土强度等级 石子最大粒径 砂子的细度模数和外加剂用量有关 为了控制胶凝材料用量 保证集料用量 单位用水量随混凝土强度等级的提高而降低 因此对高强度等级混凝土 必须掺用高效碱水剂来控制混凝土的单位用水量和水泥用量 对普通混凝土 外加剂的减水率为 则掺外加剂混凝土用水量 对C40 C50的泵送混凝土 坍落度在160 200mm 一般用水量在155 180kg m3之间 对耐久性较高的混凝土用水量宜不大于165kg m3 6 关于胶凝材料用量胶凝材料为水泥和掺合料 包括粉煤灰 矿渣微粉等 的总量 一般中高强混凝土胶凝材料用量不超过500kg m3 JTJ041 2000规定 高强混凝土 水泥用量不超过500kg m3 胶凝材料用量不超过550kg m3 这对桥用混凝土是很重要的 控制胶凝材料用量 可减少预应力混凝土的收缩和徐变 降低水化热 避免收缩裂缝 对长期耐久性有利 7 关于砂率与粗集料用量合理的砂率是保证混凝土工作性和长期耐久性的重要因素 砂率过小 混凝土和易性变差 混凝土内部密实性得不到保证 砂率过大 会造成砂浆过多 粗集料用量减少 水泥用量和用水量增加 对混凝土收缩徐变性能不利 砂率的计算公式为 上式表明 砂率的大小与砂子的细度模数 水泥用量 砂石的堆积密度和石子的空隙率等因素有关 还与坍落度大小有关 标准规定 坍落度每增大20mm 砂率应增大1 对预应力混凝土 应控制含砂率 使粗骨料用量不小于1100kg m3 这对减少混凝土的收缩徐变和耐久性是必要的 8 关于外加剂和掺合料随着混凝土技术的发展 外加剂和掺合料作为高性能混凝土必不可少的重要组分 其应用日益普遍 因此其掺量也是混凝土配合比设计时需要确定的重要参数 要降低用水量 减小w c 控制水泥用量 提高混凝土耐久性 其关键技术是正确选用复合型高效减水剂和活性掺合料 混凝土的外加剂品种甚多 性能各异 配制高性能混凝土主要采用复合型高效减水剂 具有缓凝保塑和引气作用 高效减水剂的吸附分散和润滑湿润作用 不但减小了W C 改善了混能土的流动性 而且使混凝土内部结构均匀 浆体与集料界面粘结改善 混凝土密实性提高 强度提高 适当的引气 含气量3 4 可提高混凝土抗冻和抗渗性 混凝土的掺合料品种逐渐增多 有硅灰 稻壳灰 粉煤灰 矿渣微粉 沸石粉等 而最常用的优质粉煤灰和矿渣微粉 级粉煤灰面广量大 价格低廉 掺合料的应用 不单纯是为了降低成本 节约资源 更主要的是改善混凝土的性能 优质粉煤灰在混凝土中具有形态效应 微集料效应和活性效应 特别在高效减水剂的复合作用下 上述三大效应可达到充分的发挥 在硬化水泥石中 氢氧化钙晶体含量占20 左右 氢氧化钙呈六方板状或柱状晶体 晶粒粗大 易在原充水空间或集料界面处生成 晶体取向性强 且为溶解度最大的水化产物 稳定性差 氢氧化钙会削弱水泥石与集料的界面粘结力 还容易产生淡水腐蚀 在混凝土中掺入活性矿物掺合料 与水泥水化产物氢氧化钙发生二次反应生成稳定的C S H凝胶 使氢氧化钙数量减少 晶粒细化 界面粘结强度提高 混凝土内部结构更致密 混凝土的强度可持续增长 耐久性改善 GBJ146 90标准中规定 粉煤灰在预应力混凝土中 取代硅酸盐水泥不超过25 取代普通水泥不超过15 在钢筋混凝土中取代硅酸盐水泥不大于25 取代普通水泥不大于20 实验表明 在这种掺量下 特别是与高效减水剂相复合时 混凝土的力学性能 碳化和抗钢筋锈蚀性能是完全能保证的 而且对抗干缩 抗硫酸盐侵蚀 抗氯离子腐蚀均有改善作用 9 关于混凝土试配与优选 对计算的混凝土进行试配和配合比调整 对其工作性 强度和耐久性进行验证 优选最佳配合比是HPC设计的关键环节 测定混凝土的和易性 包括流动性 保水性 粘聚性 坍落度经时损失和可泵性等 使之满足工程的泵送和浇筑要求 测定混凝土的抗压 抗折强度 弹性模量等力学性能 使之满足混凝土结构的设计要求 根据需要测定混凝土收缩变形性能 抗渗 抗冻碳化和钢筋锈蚀性能 某些重要工程尚应测试混凝土的耐化学腐蚀性能 碱集料反应和电阻电渗等性能 通过试配测试与调整 优选以满足工程设计需如最佳HPC配置配合比 设计指标 安全性 强度 工作性 耐久性 经济性 生态性 砼配合比计算 砼配合比试配 调整与确定 五 高性能商品砼配合比设计 高性能混凝土配合比设计框图 一 砼配合比计算1计算砼配制强度 2计算水灰比W C fce 水泥28d实际强度 a 1 回归系数 碎石分别为0 46 0 07 卵石 0 48 0 33 3计算单位用水量 可查表 对碎石 Wo 164 5 0 50TO 7 50Mx 81 591 Dmax对掺量为a的减水剂时 减水率为WP 则 W WO 1 WP 4 水泥与掺合料用量 原水泥 C0 W W C 掺合料M m C0 m 为掺合料掺量配率 取代后的水泥C C0 KM k为等效取代系数 掺合料等效取代系数 5 减水剂掺量A C M a一般掺量 5 的为外掺 而当掺量 5 如膨胀剂等则采用内掺 6 砼含砂率 可选用 也可计算 7 砂用量 体积法 重量法 加了掺合料后 8 石子用量 有特殊要求的砼配合比 抗渗砼 P6 抗冻砼 F50 高强砼 C60 C50 泵送砼 提高工作性 可泵性 大体积砼 减少水化热 特殊耐久性要求的砼 如在盐湖条件下的砼 五 高性能砼的施工技术 原材料的质量控制 高性能砼配合比优化 高性能砼制备生产控制 配制 搅拌 运输 泵送 浇筑 养护 配料 计量设备每天进行零点校核 控制称量误差 水泥 掺合料 水 外加剂 1 粗 细集料 2 砂 石集料含水率 每一工作班测试 2次 及时调整用水量和砂石用量 搅拌 使用强制式搅拌机 设备应符合标准要求 控制搅拌时间 每班至少抽查3次 投料次序 砂 石 水泥 掺合料 粉剂外加剂同步掺 干拌30min 再加水湿拌1 5min 液体外加剂可与水同步加入 加掺合料砼应延长10 30s 检查砼坍落度 观察粘聚性和保水性 成型试件检测强度等级 每d每一强度等级不少于一次 运输 采用搅拌运输车运送 运输工序中 至浇筑时不离析 不分层 组成成分不变化 并保证施工必需的稠度 运送容器和管道 应不吸水 不漏浆 卸料和输送畅通 搅拌 浇浇完时间 60min 25 时 90min 25 时 泵送 严格按规定进行安全使用和操作砼泵 泵送前应检测砼拌合物的坍落度 泵送时先经泵水检查 润滑用泵送砂浆除粗骨料外应具有相同的配合比 泵送应连续进行 有计划中断时 中断时间 1h 浇筑 根据实际情况预先划分好浇筑区域 浇筑应符合国家现行标准 浇筑顺序 由远而近 先竖向结构再水平结构 区域之间 上下层之间的砼浇筑间隙时间 砼初凝时间 否则按施工缝处理 振动时间10 20秒 砼开始泛浆和不冒气泡 掺FA砼不得漏振和过振 对由于砼沉降及干缩产生的非结构性的表面裂缝 应在砼终凝前予以修整 水平结构的砼表面 应适时用木抹子磨平搓毛两遍以上必要时还应先用铁滚筒压一遍以上 以防止产生收缩裂缝 养护 掺FA高性能砼应加强养护 应保持有利于硬化及强度增长的温湿度环境 制定具体养护方案 并严格执行养护制度 在初凝以后加薄膜等覆盖和洒水养护 洒水次数以保持表面湿润 保温养护时间一般 14d 干燥或炎热条件 21d 低温条件下施工应加强表面保温 5 保温养护至强度得到设计强度的40 受冻前 5MPa 六 砼外加剂与水泥的适应性 外加剂与水泥适应性概念 减水剂的特性对塑化作用的影响 水泥特性对减水剂塑化效果的影响 掺高效减水剂砼坍落度损失的原因及控制措施 1 外加剂与水泥适应性概念配制砼 或砂浆 时 按照混凝土外加剂应用技术规范 将检验合格的外加剂掺加到按规定可以使用该品种外加剂的水泥中 若能够产生应有的效果 则该水泥与这种外加剂是相适应的 相反如果不能产生应有的效果 则该水泥与这种外加剂是不相适应的 减水剂与水泥不相适应的现象 减水率严重不足 只对个别水泥 掺缓凝剂得不到缓凝效果 坍落度损失过快 拌合料板结 发热等 2 减水剂自生特性对塑化作用的影响 萘系减水剂合成时磺化越完全 则该减水剂的塑化效果也越好 萘系减水剂的聚合度对其塑化效果影响非常显著 一般存在一个最佳聚合度 萘系减水剂生产过程中 中和作用的反离子性质也影响减水剂的塑化效果 萘系减水剂状态的影响 液态减水剂的塑化效果好于粉状减水剂 3 水泥特性对减水剂