高性能混凝土組成材料組成材料

為了獲得符合工程要求的高強高性能混凝土,通常需要在普通混凝土的四大組分(即水泥、砂、石、水這四大組分)基礎上,摻加高效減水劑和各種超細礦物摻合料,作為第五、第六組分。1水泥配制高強高性能混凝土用的水泥宜選用52.5級或更高標號的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。強度等級選擇一般為:C50~C80混凝土宜用強度等級42.5;C80以上應選用更高強度等級的水泥。配制高強高性能混凝土的水泥用量較多,一般在400kg/m3~550kg/m3之間,但不宜過多,否則會增加混凝土的發熱量,導致混凝土的開裂。因此為獲得高強度混凝土,不能單靠增加水泥用量,這時可通過摻加硅粉等礦物摻合料來提高混凝土的強度,但水泥和礦物摻合料的總量不應大于600kg/m3。高強高性能混凝土具有低水膠比的特點,為了確保其流動性,必須摻入高效減水劑,但必須選擇適宜低水膠比特性的水泥。一方面要考慮水泥的細度及粒子的組成,另一方面要考慮加水后的早期水化。水泥粒子群的比表面積、粒子形狀、密度及粒子之間的級配(互相填充)等,對漿體的流動性影響很大。比表面積小,粒子形狀接近球狀,比重大,填充性好,流動性就大。優化這些因子,可以獲得更適宜的流動性。高強高性能混凝土還具有強度高的特點,為了提高混凝土的強度,可通過提高水泥的活性,也就是增加C-S-H的生成量。方法是在水泥熟料燒制時,在高溫燒制過程中急冷,使熟料中的3CaO·SiO2及2CaO·SiO2固溶體產生高溫變態,溶化微量成分,增加其活性;降低C3A、鈣礬石的含量,使低硫酸鐵水化物及Ca(OH)2的生成量降低。硅酸二鈣含量高的水泥,在低水膠比下,水化熱低,強度發展好。為了獲得高性能混凝土,對水泥性能的要求,除了確保最低限度的流動性之外,還要求水泥在低的水膠比下,能促進水泥的水化反應,使水泥石的結構密實。2粗骨料一般情況下,一個建筑物的設計使用年限都不低于50年,有的甚至達到100年,因此混凝土的耐久性必須超過50年。按照這樣的目標,高強高性能混凝土粗骨料的選擇必須考慮到下述問題。①級配要好,粒徑要適中。在同樣的流動性要求下,空隙率越低,水泥漿的用量就越少,混凝土的自收縮變形、水化熱就越低,體積穩定性、強度耐久性就越好。針片狀顆粒含量直接決定混凝土的體積穩定性,針片狀顆粒含量越大,混凝土早期膨脹和收縮也越大,直接導致混凝土耐久性的下降,所以應嚴格控制集料中針片狀顆粒的含量。一般針片狀含量不宜大于5%。最大骨料粒徑一般不宜大于25mm,對強度等級大于C80的混凝土,最大粒徑不宜大于20mm。因此混凝土用骨料,既要求級配合理(空隙率要小),也要粗細、大小適中。②物理性能要好。骨料的表觀密度和堆積密度要大,吸水率要低,表面要粗糙,粒形要好,宜方正。通常要求表觀密度>2650kg/m3,堆積密度≥1450kg/m3。這樣可以降低骨料空隙率,減少水泥漿用量,提高流動性、耐久性和強度。要求吸水率<1.0%,以保證骨料致密,穩定性好。含泥量不應大于1.0%,對強度等級大于C100的混凝土,含泥量不應大于0.5%。③力學性能要好。不能含軟弱顆粒的骨料或風化骨料。混凝土的彈性模量與骨料的彈性模量有以下關系:y=2.5+0.2x(初始彈模,其中y為混凝土彈性模量,x為骨料彈性模量)。由此可見,骨料的彈性模量越大,混凝土的彈性模量也相應增大,故要選擇彈性模量大的骨料。④化學性能要好。首先應是無堿活性骨料,避免高強高性能混凝土發生堿-骨料反應;其次要不含泥塊,含泥量<1.0%;再次應不含有機物、硫化物和硫酸鹽等雜質。3細骨料高強高性能混凝土的細骨料宜優先選用細度模數為2.7~3.1中等偏粗的天然河砂,最佳砂率為35%~45%,含泥量不應大于1.5%,當配制C70以上混凝土,含泥量不應大于1.0%。砂率,是高強高性能混凝土配合比設計中一個很重要的參數。普通混凝土在滿足強度等性能要求后,砂率宜盡量低,因為當水泥漿量一定時,砂率在混凝土中的最主要作用是影響新拌混凝土的和易性。由于高強高性能混凝土的用水量較低,砂漿量要通過增加砂率來補充,所以砂率宜適當增加。影響砂率的因素除了其自身的細度模數與級配外,還與膠凝材料用量、粗骨料粒徑以及施工工藝有關。對于碎石和卵石混凝土,其選擇范圍通常分別為0.34~0.42、0.26~0.36。有研究表明,隨著砂率的降低,混凝土的早期自收縮逐漸減少,這是由于砂率的降低減少了用水量,在密封的條件下,可為水泥水化提供更多的水分,從而使毛細孔中暫時不會產生凹液面,也不會產生拉應力,反而使混凝土出現了一定程度的濕脹。因此粗骨料體積用量對混凝土早期自收縮影響顯著,一般情況下高性能混凝土的自收縮均隨集料體積含量的增加而減小,并且同配比的混凝土其自收縮隨集料彈性模量的增加而減少。4水高強高性能混凝土對水的質量要求與普通混凝土一樣,應符合《混凝土拌和物用水標準》(JGJ63)要求,用自來水即可。5高效減水劑要實現混凝土的高性能,即高強度、高工作性和高耐久性,減水劑起到了不可代替的作用,減水劑的減水率一般要求大于20%。減水劑在混凝土高性能化中的作用,在于其能夠全面地提高混凝土的性能。因此,高效減水劑已成為高性能混凝土中除水泥、砂、石和水之外的“第五組分”。摻加高效減水劑已成為配制流態混凝土的主要手段。通常,高效減水劑應具有以下四個方面的基本功能:①具有高的水泥粒子的分散能力,使混凝土具有高強度;②達到相同工作度條件下,混凝土用水量能減少到最低值;③提高混凝土的耐久性;④能控制混凝土坍落度損失,便于施工。另外,為了適應某些混凝土的功能需要與技術發展,混凝土中也可同時摻入具有其他功能的引氣劑、緩凝劑、防水劑、膨脹劑、防凍劑等。因此,當我們配制高強高性能混凝土時,必須謹慎選擇混凝土化學外加劑。6礦物摻合料6.1粉煤灰粉煤灰是燃燒煤粉的鍋爐煙氣中收集到的細微粉末,又稱“飛灰”(FlyAsh),其顆粒多呈球形,表面光滑。大量的實踐證明:摻用粉煤灰的混凝土,其長期性能可得到大幅度的改善,對延長構筑物的使用壽命有重要意義。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下幾個方面:①填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層,產生“滾珠潤滑”效應;②對水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻;③粉煤灰和聚集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應,生成具有膠凝性質的產物,加強了薄弱的過渡區,對改善混凝土的各項性能有顯著作用;④粉煤灰延緩了水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對防止混凝土產生溫度裂縫十分有利;⑤可減小混凝土溫度開裂的危險,同時由于加快了火山灰反應,還可提高28d強度。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率對強度影響顯著,較好的早期強度和后期強度的水泥取代率應小于10%。當粉煤灰摻量較低時,只會對水泥早期水化熱有影響,但對7d齡期的水化熱幾乎沒有影響。6.2硅粉硅粉(SilicaFume,簡寫SF)又稱硅灰,是從生產硅鐵或硅鋼等合金所排放的煙氣中收集到的顆粒極細的煙塵。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃態球形顆粒組成,粒徑為0.1μm~1.0μm,是水泥粒徑的1/50~1/100,一般比表面積為18500m2/kg~20000m2/kg,主要化學成分為二氧化硅,其含量在90%以上。在混凝土中摻加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,結合應用減水劑,可使混凝土各方面的物理力學性能都得到顯著提高,硅粉的適宜摻量為水泥用量的5%~10%。硅粉的加入,對混凝土的性能的影響主要有:①改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量;②提高了混凝土的強度,增大了彈性模量和混凝土的干縮;③提高了混凝土的耐久性。另外,在配制硅粉混凝土時必須注意:①由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土時,一般要摻加減水劑。在選擇減水劑時,應使之與所用的水泥具有相容性,否則,容易影響混凝土的工作性能。同時,根據減水劑性能及需求的減水需求來選擇合適的摻量。②比表面積和活性SiO2含量是硅粉的重要指標,硅粉比表面積越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需選擇具有良好性能的硅粉。③硅粉混凝土的干縮一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土時應采取補償收縮的措施,如摻加粉煤灰等。6.3磨細礦渣礦渣是高爐煉鐵排出的熔融礦渣在高溫狀態下迅速水淬冷卻而成的。礦渣作為一種混合材料早已用于生產建筑材料,反應速度往往較慢,但是諸多研究表明,將礦渣磨細至超細狀態(其細度大于350m2/kg,一般為400m2/kg~600m2/kg)時,其活性將大為改善,用于混凝土中可產生普通礦渣不具備的效應。用于高強高性能混凝土的磨細礦渣的細度要大于水泥,比表面積在400m2/kg以上。摻磨細礦渣對提高混凝土早期強度的效果優于粉煤灰,細度越高,效