1 免振自密實混凝土一 免振自密實混凝土技術概述免振自密實混凝土即拌合物具有很高的流動性而不離析 不泌水 能不經振搗或少振搗而自動流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土 此技術在日本 美國等經濟技術比較發達的國家應用非常廣泛 我國在九十年代開始引進此類技術并逐步在大城市推廣應用 免振自密實混凝土綜合效益顯著 主要用于澆筑量大 澆筑高度大 鋼筋密集 有特殊形狀等的工程以及地下暗挖 密筋 形狀復雜等無法澆筑或澆筑困難的部位 可避免出現因振搗不足而造成的空洞 蜂窩 麻面等質量缺陷 并有方便施工及解決擾民問題等優點 免振自密實混凝土配制的關鍵是滿足良好的流變性能要求 所以 免振自密實混凝土屬于高流動性混凝土的一部分 2 免振自密實混凝土的拌合物除高流動性外 還必須具有良好的抗材料分離性 抗離析性 間隙通過性 通過較密鋼筋間隙和狹窄通道的能力 和抗堵塞性 填充能力 國外大多用拌合物的坍落流動度 即坍落后拌合物鋪展的直徑 作為高流動性混凝土流變性能的量度 拌合物抗離析性可用坍落流動速率來評定 坍落流動速率快時 流動性好 但過快時容易產生離析 抗離析性直接影響混凝土拌合物澆筑后的均勻性 必要時可檢測水平流動至不同部位或垂直澆筑到不同高度的拌合物中粗骨料的含量 作為拌合物均質性的評定 一般 免振自密實混凝土凝結時間較長 可達10h左右 3 免振自密實混凝土施工中主要要注意控制以下兩方面問題 1 混凝土流動性損失問題控制 混凝土流動性損失問題主要是由高效減水劑與水泥之間的相容性不好造成的 由于水泥顆粒表面對減水劑有吸附作用 當水泥漿體中殘余減水劑濃度降低至不足以起到分散作用時 隨著水泥水化 水泥漿體的流動性損失很快 解決的辦法是保持減水劑在混凝土的水泥漿體中具有一定的殘余濃度 包括物理和化學兩種途徑 物理途徑包括減水劑的后摻法 多次添加法 礦物載體緩慢釋放方法等 但在工程應用過程中不太方便 影響混凝土的質量 化學途徑較多 復合緩凝劑在一定程度上可以減緩混凝土流動性損失 防止混凝土凝結過快 但也可能造成混凝土過度緩凝 影響水泥水化等問題 當前工程上一般通過復合或合成的高性能減水劑 可以較好地控制混凝土坍落度損失 對混凝土硬化影響較小 2 混凝土早期裂縫問題 免振自密實混凝土早期收縮較大 易造成混凝土的早期開裂 使滲透性降低 嚴重危害混凝土的耐久性 目前 有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋產生的主要途徑包括 降低混凝土的單方用水量 增加礦物超細粉用量 減小水泥膠凝材料用量 在混凝土中引入微小氣孔 減小混凝土總收縮值 在混凝土中摻人適量比例的UEA膨脹劑或纖維 避免連通毛細孔的形成 加強混凝土的早期濕養護等 4 二 混凝土達到免振自密實的技術途徑目前 免振搗自密實高性能混凝土是通過摻入高性能減水劑和超細礦物摻和料來實現高性能混凝土 另外 與高性能混凝土相應配套的工藝 包括混凝土的生產 輸送 澆筑 養護等各工序應合理優化 可以減少混凝土質量波動 減少初始缺陷 使新拌混凝土更均勻密實 硬化混凝土的骨料相與凝膠相粘結更加牢固 從而使混凝土的各項性能指標提高 最終實現混凝土的高性能化 其技術途徑見圖7 35 5 6 1 高性能減水劑的作用和選擇如果沒有高性能減水劑良好的流化作用 那么經濟實用的免振自密實混凝土必定難以實現 一般來說 減水劑用于混凝土中主要起三個不同的作用 1 改善混凝土的施工工作性 2 減小水灰比 提高混凝土的強度和耐久性 3 節約水泥 減少混凝土初始缺陷 在混凝土中摻入高效減水劑后 許多性能如微觀結構 孔隙率 吸附性 硬化速度 強度等都將發生改變 水泥礦物水化和水泥本身的一些性能也會受到影響 7 2 超細礦物摻和料的作用和選擇在混凝土中加入礦物超細粉 有助于改善水泥和高效減水劑之間的相容性 超細粉部分替代水泥熟料或水泥本身 既可改善混凝土的流動性 又能提高其強度與耐久性 成為高性能混凝土中不可缺少的組成 8 3 UEA膨脹劑在免振自密實混凝土中的作用機理免振自密實混凝土通常由于粗骨料用量少 粉體材料用量大 混凝土的干燥收縮會大些 容易產生有害裂縫 尤其對外部腐蝕和反復荷載動力作用的結構 裂縫的發展是影響耐久性的主要原因 在混凝土中摻用適量 膠凝材料的10 左右 的UEA膨脹劑能提高混凝土體積的穩定性 補償收縮 減免早期內部裂縫 改善混凝土的密實性及增強混凝土的抗滲能力 并且能提高混凝土的后期強度 9 4 膠凝材料的選擇除要求溫升很低的大體積免振自密實混凝土需要選用中熱或低熱水泥外 硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥都可選用 按目前我國標準應不低于42 5等級水泥 并具有較低的需水性和與所用高效減水劑的相容性 10 5 選擇最適宜的骨料一般粗細骨料總量占混凝土體積的65 75 是混凝土的主要組成部分 正確選擇骨料 是配制免振自密實混凝土基礎 因為骨料的物理性質對混凝土的耐久性和強度有顯著的影響 粗骨料的吸水率低 可使混凝土強度較高 且抗凍性好 收縮值較小 粗骨料材性過于堅硬 則在混凝土遭受溫濕變化而引起體積變化時 混凝土中強度較弱的水泥漿與骨料界面處應力大 易于開裂 而大粒徑的骨料使其與膠凝物的結合面相對較少 造成混凝土強度的微觀不連續性 混凝土強度較高 這種影響越明顯 11 三 免振自密實混凝土配合比設計依據免振自密實混凝土的合理工藝參數選擇主要是保證滿足混凝土的耐久性和強度的要求 因采用不同的礦物摻和料和化學外加劑 其組分較普通混凝土多 配合比設計也比普通混凝土復雜 目前國際上提出的免振自密實混凝土的配合比設計方法很多 比較典型和應用較多的方法有以下3種 12 1 美國混凝土協會 ACI 推薦方法 此設計適應于抗壓強度在40 80MPa之間的混凝土 它采用一系列不同的膠凝材料比例和用量來進行試配 最后得到最佳的混凝土配合比 2 法國國家路橋實驗室推薦方法 它通過在模型材料上大量試驗的結論 編制了計算機軟件 稱為BETONLAB 可較好地預測給定要求下的最佳 最經濟的混凝土配合比 3 加拿大混凝土協會推薦方法 它在現有高強混凝土實踐的基礎上加以總結 對混凝土配合比設計的主要參數給定一些假定 進而設計混凝土的配合比 13 3 加拿大混凝土協會推薦方法 它在現有高強混凝土實踐的基礎上加以總結 對混凝土配合比設計的主要參數給定一些假定 進而設計混凝土的配合比 我國還沒有統一的免振自密實混凝土配合比的設計方法 國內科研部門和施工企業大多采用的是 在普通混凝土設計方法的基礎上 主要參數假設給定 通過不同配比方案試驗選定 主要有以下兩種 假定表觀密度法和組分體積法 14 15 16 3 超細礦粉摻合料的用量超細礦粉摻合料一般按水泥重量計 硅粉約為5 7 天然沸石超細粉5 7 粉煤灰則需超量摻入 在單位用水量不變的條件下 要使28天的免振自密實混凝土強度與普通混凝土相同 要用1 2 1 4Kg的粉煤灰取代1Kg的水泥 適宜的取代量可達到25 左右 不超過30 據此 可算出水泥的用量 一般水泥用量不宜大于500Kg m3 膠凝材料總量不宜大于600Kg m3 17 4 絕對用水量由于免振自密實混凝土的水膠比小于0 38 故混凝土的最大用水量不超過190Kg m3 可根據經驗假定混凝土的用水量 5 沙率Sp因為免振自密實混凝土中水泥漿體積相對較大 故砂率通常取值較低些 非泵送混凝土沙率宜為Sp 28 34 泵送混凝土Sp 34 44 強度越高 砂率宜越低 由于表觀密度是設定的 于是根據砂率和已確定的其他成分可以算出粗 細骨料的用量 18 2 組分體積法通過對大量混凝土試驗結果的分析表明 免振自密實混凝土的最佳水泥漿與集料的體積比為35 65 于是在1m3混凝土總量中水泥漿總體積為0 35m3 減去拌合水量和約2 的含氣量 即0 02m3 體積余下為膠凝材料 根據各組分的體積乘以相應的密度便可計算出該種材料的重量 免振自密實混凝土的配合比應滿足混凝土拌合物高施工性能的要求 與相同強度等級的普通混凝土相比 有較大的漿骨比 即較小的骨料用量 膠凝材料總量一般要超過500kg m3 砂率較大 即粗骨料用量較小 砂率最大可達44 左右 使用高效減水劑 摻入量為膠凝材料的3 5 由于膠凝材料用量大 必須摻用大量礦物細摻料 細摻料總摻量一般大于膠凝材料總量的30 為了保證耐久性 水膠比一般不宜大于0 38 19 免振自密實混凝土配合比的確定是根據以上各參數和混凝土強度 耐久性 施工性 體積穩定性 硬化前的抗離析性 硬化后的彈性模量 收縮徐變 等諸性質間矛盾的統一 例如流動性和抗離析性要求粗骨料用量小 但粗骨料用量小時硬化混凝土的彈性模量低 收縮 徐變大 砂率大 有利于施工性而不利于彈性模量 水膠比大 有利于流動性 而不利于強度和耐久性等等 因此與普通混凝土配合比設計不同的是 可根據上述矛盾的統一先確定粗骨料的最合適用量 砂子在砂漿中的含量 進而確定其它組份 我國有關專家建議按混凝土 砂漿 水泥凈漿 膠凝材料四層次體系設計 如圖7 36所示 20 21 四 免振自密實混凝土的施工案例1 工程概況某工程位于某市高新技術開發區 建筑面積5萬m2 是某市的重點建筑工程 因設計需要 在工程負一層C區需設置4根截面為2 5m 3 5m 長12m的大體積轉換梁 該梁需承受3000噸荷載 混凝土設計強度為C50 梁中鋼筋密集 并預置 工 字形鋼 混凝土振動棒無法深入有效振搗 為確保該部位混凝土澆筑質量和整體工程質量 決定采用免振自密實高性能混凝土技術 22 2 混凝土的施工配合比設計及試驗參照自密實混凝土配比設計原則及有關工程經驗 設計了A B C D四種配合比 如表7 8所示 23 試驗中用免振搗方法成型了3d 7d 28d檢測強度的混凝土試件 且每盤用振搗方法成型一組混凝土試件與免振搗方法成型的混凝土試件作強度對比 試驗結果見表7 9 免振搗成型的混凝土試件28d強度最大值為75 5MPa 最小值為63 8MPa 平均值為69 8MPa 強度標準差為2 36MPa 振搗成型的混凝土試件28d強度最大值為73 2MPa 最小值為62 5MPa 平均值為69 6MPa 強度標準差為3 67MPa 由此可以得出 28d免振搗成型混凝土試件的強度完全滿足C50混凝土強度等級的要求 而且其離差很小 說明這種免振自密實混凝土的力學性能比較穩定 免振搗成型的混凝土強度略高于振搗成型的混凝土強度 其標準差也小于振搗成型的混凝土標準差 24 25 3 免振混凝土的施工工藝 1 免振自密實混凝土的質量對原材料的變動很敏感 混凝土制作和施工中各環節的質量控制要求都很嚴格 因此對操作工人的要求高 對技術和管理人員的要求則更高 由于免振自密實混凝土的組成材料多 必須注意攪拌均勻 施工中采用雙臥軸強制式攪拌機 攪拌時間要比普通混凝土的長1 2倍 一般180min是必要的 攪拌不足的混凝土拌合物不僅因不均勻而影響硬化后的性質 而且在泵送出管后混凝土流動性進一步增大 會產生離析現象 混凝土配制時 投料順序最好是先攪拌砂漿 最后投入粗骨料 為保證混凝土拌和物的質量 配制時要嚴格計量程序 嚴把計量關 攪拌工藝流程見圖7 37 26 27 2 對每次攪拌的混凝土在澆注之前均要作充填性檢查 辦法是在受料或泵送前的位置前設置類似于結構物的鋼筋障礙狀物網片 以澆注要求的速度通過 檢查判定充填性是否良好 不能正常通過該裝置的混凝土不能澆注 否則會損害整體工程質量 3 一般來說 免振自密實混凝土適合于泵送澆筑 特殊結構的混凝土構件的澆筑高度可在4m左右 用吊斗澆筑時產生離析的可能性大 對配合比要求更嚴格 難度較大 在必須用吊斗澆筑時 應使出料口和模板入口的距離盡量小 必要時可加用串筒施工 混凝土澆筑前要嚴格檢查鋼筋間距及鋼筋與模板間的距離 必要時進行適當的插搗 排除可能截留的空氣 28 4 對摸板支撐設計的要求免振自密實混凝土對模型設計的要求很高 因混凝土的高流動化 混凝土對模壁的壓力增加 設計模板的支撐和固定系統時 應以混凝土自重傳遞的液壓力大小為作用壓力 同時考慮分隔板影響 模板形狀 大小 配筋狀況 澆注速度 凝結速度 溫度等因素 混凝土凝結之前是最危險的時刻 若分隔板間壓力差太大 模板的剛度不夠或組模不當 下部崩裂后會導致混凝土流出 造成質量事故和安全隱患 因此 選擇高強鋼材制作模板 提高設計安全系數 建議以最不利因素做為模板設計取值的基本依據 29 5 混凝土的泵送性能和澆注技術1 泵送性能 免振自密實混凝土因材料不易分離 變形性優良 在彎管和錐管處堵管的可能性減小 具有優良的泵送性能 但另一方面 混凝土與管壁的摩擦阻力增加 混凝土與管壁間的滑動膜層形成困難 混凝土作用于軸向的壓力增大 與普通泵送混凝土相比 在同樣小時輸送量下 其壓力損失約增大30 40 若澆注停止后 再澆注時需增大壓送力 因此 泵送施工時應制定周密施工計劃 合理布置配管 30 2 澆注技術 免振自密實混凝土澆注時應控制好澆注速度 不能過快 要防止過量空氣的卷入或混凝土供應不足而中斷澆注 因為隨著澆注速度的增加 免振自密實混凝土比一般混凝土輸送阻力的增加明顯增大 且呈非線性增長 故為保證混凝土質量 澆注時應保持緩和而連續的澆注 施工前要注意制定好混凝土澆注及泵送