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0.27后,抗压强度的增长幅度变小。在水灰比为0.25达到最高强度(97.8MPa)后,混凝土强度开始下降。这是因为W/C过小,混凝土浆体难以搅拌均
匀和密实成型所致。
鉴于W/C低于0.25时,混凝土强度不再增加,且加大超塑化剂掺量对提高混凝土坍落度也无作用,本文将W/C=0.25看作是超塑化剂减水的极限(低)水灰比。从技术经济角度来看,实际工程不宜靠近或低于极限水灰比,否则将导致超塑化剂的掺量大幅度增加,且对强度和流动度无益。此实验清楚地表明,超塑化剂可大幅度减水但又不能无限制减水。实验还表明,利用广州地区的优质原材料,在仅靠超塑化剂减水的条件下,很难稳定地配制出C100的大坍落度超高强混凝土。2矿物减水剂的基本理论2.1矿物减水剂的概念和原理为寻求进一步减水的途径,需分析水泥浆体中拌合水的分布与数量。拌合水泥浆体,使其产生流动,拌合水的数量要满足以下两个条件:(1)填满水泥颗粒的间隙,此部分拌合水为填充水;(2)湿润水泥颗粒表面,在表面形成一层足够厚的水膜,此部分水为表面层水。填充水与表面层水之和即为浆体流动所需的拌合水量。
在水泥浆体中加入超塑化剂后,水泥颗粒之间产生斥力易于流动。这时为达到相同的流动度,表面层水的厚度可大大减薄,但填充水的数量不会发生变化。超塑化剂的减水率达到最大后,减水的对象已不是表面层水而是填充水。对于填充水的削减,超塑化剂无能为力。
填充水的数量取决于系统的填充密度。要削减填充水,必须提高系统的填充密度,为此可在水泥堆积系统中掺入比水泥颗粒细得多的矿物质微粉。这时矿物质微粉已成为混凝土拌合物的一种减水组分,其减水原理完全不同于化学减水剂,本文称之为矿物减水剂,其减水作用往往可在化学减水剂无能为力的超低水胶比条件下发挥出来。
需要注意的是,比水泥颗粒更细小
混凝土矿物减水理论与C100
＊
超高性能混凝土
欧阳东
摘
要:某些矿物微粉具有强烈的减水作用,且可在化学减水剂无
能为力的超低水灰比条件下发挥出来,利用这些矿物微粉以及广州地区容易获得的其他原材料,可稳定地制备坍落度大于170mm、28d强度达100～128MPa的超高性能混凝土。
关键词:超高性能混凝土;减水剂;混凝土的配制中图分类号:TU528.042.31000-4726(2001)01-0024-03
THEORYOFWATER-REDUCINGBYMINERALFORCONCRETEANDC100SUPERHIGHPERFORMANCE
CONCRETEOUYANGDong
Abstract:Somemineralpowderhasintensivewater-reducingfunction
inbatchingconcrete.Itmaybeefficientinthecaseofover-lowwatercementmixingratiowherechemicalwater-reducingagentlosesitseffi-ciency.ByusingsuchmineralpowderandotherrawmaterialavailableinGuangzhouarea,superhighperformanceconcretecanbeproducedwith28dstrengthof100～128MPaandslumpover170mm.
Keywords:superhighperformanceconcrete;water-reducingagent;concretebatching
超高性能混凝土的制备,需在拌合物超低水胶比(0.20～0.25)状态下进行。在如此低的水胶比条件下,仅靠化学减水剂(主要是超塑化剂)减水,混凝土难以拌匀并获得大的坍落度。超低水胶比的实现,必须依靠化学减水剂和矿物减水剂共同减水。本文在总结大量工程实践的基础上,初步提出矿物减水理论的概念和矿物减水理论,并利用广州地区容易获得的原材料,成功地制备了水胶比为0.21的大坍落度超高性能混凝土。
1化学减水剂的减水极限
混凝土的制备存在着一对相互牵制的因素:一方面需降低水灰比以提高
欧阳东,1965年生,广东兴宁人,广州大学高性能混凝土研究室主任,工学博士,高级工程师,副教授,510405,广州市广园路收稿日期:2000-09-13
＊1999年度广东省自然科学基金项目(994502)
文献标识码:B文章编号:
强度;另一方面需提高水灰比以增加流动度,这是一个矛盾。这个矛盾在化学减水剂特别是高效减水剂出现后得以缓解。实验表明,在现有的超塑化剂条件下,混凝土拌合物的水灰比可以降低至0.25左右而保持大的坍落度。
我们选择广州地区建材市场容易获得的经反复试验挑选、质量上乘的五种原材料进行了HPC的配制实验。实验主要考察五组分混凝土(除水泥、砂、石、水四组分外,仅靠超塑化剂减水),在保证大坍落度(>170mm)的前提下,
混凝土所能达到的最低水灰比和最高强度。
实验结果表明,在维持大坍落度的前提下,随着超塑化剂掺量的加大,混凝土的水灰比可以大幅度降低。但水灰比低于0.3之后,超塑化剂的掺量陡然升高。当水灰比低于0.25时,超塑化剂掺量加大至3%也无法得到大的坍落度。实验结果还表明,W/C在小于
2001年第1期混凝土矿物减水理论与C100超高性能混凝土＊
(cm2/;g)
———矿物微粉的密度(g/cm3),这ρ
3
里假定ρ=3.0g/cm。由(3)式得出S与dm的关系也示于图1。图1表明,dm由1μm变小至0.1μm时,Υ增加不大(由0.75增至0.79),而S则陡然增大(由2m/g上升至20m/g)。由此可以推测,矿物微粉超细化(dm
而dm=4～6μm时,矿渣的比表面积虽较小(S=0.50～0.33m/g),但二元系统的最大填充密度(0.56～0.63g/cm3)与单一水泥的最大填充密度(0.55g/cm)相
3
2
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的矿物微粉掺入后,在间隙水减少的同时,由于系统比表面积的增大,表面层水的数量也会增大。因此矿物微粉减水作用的大小,取决于其填充效应与其表面吸水效应的相对大小。减水性能良好的矿物减水剂应该是填充性好而比表面积又相对较低的矿物微粉,据此可计算矿物减水剂的参数,如最佳粒度和最佳掺量。
2.2矿物减水剂的参数
按Aim和Goff模型,可将掺有矿物
微粉的水泥看成是一个二元系统,此系统的最大填充密度和最大填充密度时矿物微粉的体积分数分别为:
Υ-y
1ε0
ρ
状凝聚硅灰。TEM观察表明,硅灰颗粒呈完美圆球状,平均粒径约0.1μm。
粉煤灰(PFA):广州黄埔电厂Ⅰ级粉煤灰。SEM观察估计,其平均粒径约为4.0μm。
稻壳灰(O-RHA):磨细的低温焚烧稻壳灰烬。SiO2占90%以上,粒度约
4μm,SEM和TEM实验表明,其表面和内部呈多孔结构。
另有三种矿物掺合料为上述三种矿物微粉的不同复合物。实验的其他
原材料同本文的五组分混凝土实验,均为广州地区建材市场容易获得的质量上乘的原料。实验方法是在前述五组分混凝土的基础上,考察掺入第六组分———矿物减水剂后,混凝土所能达到的最低水灰比和最高强度。实验的前提条件为:固定超塑化剂掺量为2%,混凝土坍落度大于170mm。混凝土的配合比见表1,实验结果如下。
(1)在超塑化剂存在时,硅灰、粉煤灰、矿渣微粉均有不同程度的减水作用。特别是粒径2μm的矿渣微粉,在超塑化剂已难于进一步减水的低水灰比情况下,以30%的掺量掺入混凝土中,仍可减水15%左右,使混凝土水胶比进一步降低至0.21而保持170mm的大坍落度。硅灰颗粒由于过细(0.1μm左右),减水效果远不如粒径2μm的矿渣微粉。这个实验结果与矿物减水理论的分析完全吻合。
(2)O-RHA的粒径与PFA粒径大体相同,都比水泥颗粒细小。PFA具有一定的减水效应,而O-RHA无此效应。这是由于O-RHA为多孔材料,表面吸水性太强所致。
(3)掺入矿物掺合料后,混凝土
2
2
(1)(2)
差不大,填充效应不明显。
因此,矿物减水剂最佳的微粉直径应在1～3μm之间,在此粒径范围Υ
较高而S相对不大。
根据(2)式,还可以计算出矿物减水剂的体积分数为0.18～0.27,对于和水泥密度相近的矿物微粉,其最佳掺量为18%～27%。
至于矿物减水剂的主要组成材料,应该是表面光滑致密、本身化学活性高而且吸附化学减水剂能力强的矿物掺合料。理想的矿物减水剂同时又是高活性的胶凝材料。
3用矿物减水理论指导C100混凝土的配制
根据上述分析制备或购置了下述各种矿物掺合料,利用它们进行了HPC和UHPC的配制实验。着重考察各种不同矿物微粉的减水效果和增强效果。
矿渣微粉(BS):广州钢铁厂水淬高炉矿渣。用球磨长时间粉磨至比表面积9500±100cm/3)式计g。根据(
2
yρ2-(1+0.9dm/dc)(1-ε0)
式中Υ———二元系统的最大填充密度;
——最大填充密度时矿物微粉yρ—
的体积分数;dm———矿物微粉的平均直径;dc———水泥颗粒的平均直径;ε0———水泥单一材料堆积时的空
隙率,假定为0.45。一般水泥的比表面积通常为3000～3200cm/g,计算得到的颗粒平均直径为6.45μm左右(设ρc=3.13
g/cm)。这样,系统的最大填充密度取决于矿物微粉的直径。微粉越细,最大填充密度越高。Υ与dm的关系如图1所示。
而致密微粉的比表面积与平均直径的关系可根据(3)式推导。
S·dm
ρ
6104
2
(3)
式中S———矿物微粉比表面积
算,其平均粒径为2μm左右。
硅粉(SF):青海青山机械厂产粉尘
28d强度大幅度提高。除掺粉煤灰的混
表1六组分混凝土的最低水灰比和最高强度
水灰比0.250.240.250.210.240.230.230.23
抗压强度/MPa
1d61.058.454.759.242.655.353.250.6
3d77.579.375.181.851.076.079.475.9
7d89.695.6100.7106.583.499.1103.297.4
28d97.8115.4111.4128.096.3121.1120.5113.7
编号1234567
图1
Υ和S与dm的关系
8
掺合料品种与掺量M
-SF-110%O-RHA10%BS30%PFA20%BS20%+SF10%BS20%+O-RHA10%BS20%+PFA10%
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用布料机布料外,其余全部采用端头软管布料的方式,其主要困难是管道布置及固定方法等问题。
2.1.1进入作业面前的管道布置
(1)混凝土泵安装地点高于作业面。管道布置为直线段→坡道段→作业面直线段。在坡道两旁选用合适的弯头,与直线段较好地连接并用混凝土压块固定管道,以减小混凝土在管道内的水平推力。在进入作业面前,混凝土输送管道必须进行刚性固定。
(2)混凝土泵安装地点与作业面水平。管道布置为作业面前直线段→作业面后直线段。在进入作业面前,混凝
土输送管道用混凝土压块进行刚性连接。(3)混凝土泵安装地点低于作业面。管道布置为直线段→上坡道段→作业面直线段。在上坡道段搭设斜坡道,在坡道两旁选用合适的弯头与直线段做较好的连接并用混凝土压块固定管道,以减小混凝土在管道内的水平推力并吸收重力。
往基坑浇筑混凝土用的下斜管道的倾角不得大于7°,在下斜管道端部应接长度为高程差5倍的水平管道。如因地形限制,水平管长度不能满足上述要求时可增设弯管,以增大混凝土的下滑阻力;当下斜管道的斜度大于7°时,应在斜管的管端加装一个放气阀,以排除斜管中的空气,使水泥浆布满整个管壁。2.1.2进入作业面后的管道布置
(1)用脚手钢管搭设1000mm×1000mm×500mm的架子,作为作业面的管道支撑,可在架子上部设一滚动杠杆,以减小混凝土输送管道的水平推力引起的钢筋移动。
(2)在钢筋网片上铺设30mm厚木板,以减少管道支撑应力集中现象。
(3)在作业面上管道呈L弯曲处两端,用两块混凝土压块固定。作业面
参考文献
1吴中伟.高性能混凝土(HPC)的发展趋势
与问题.建筑技术,1998,(1)
2欧阳东.超高强混凝土及其第六组分的研
究.华南理工大学博士学位论文,1997,73
I·Skalny.MaterialsScienceofConcreteⅡ.TheAmericanCeramicSociety,USA,1991
不同工况下的泵送混凝土施工技术
伍崇明
PUMPINGCONCRETINGTECHNOLOGYINDIFFEREDCON-STRUCTIONCONDITION
WUChongming
秦山核电站二期工程核岛、常规岛工程各建筑物从基础底板到上部结构均为现浇钢筋混凝土结构,其结构复杂、现浇混凝土工程量大、周期长。施工中引进了混凝土泵送设备,包括2台输
送泵、2台布料机(32m/28m)、1台32m泵车。
1泵送混凝土施工要点
(1)根据施工方案确定布料机和泵车的位置,布料机要安装牢固,混凝土泵及泵车支脚要平稳牢靠;混凝土输送管沿途要支设牢固,尤其是管子转弯处。浇筑用的管道、混凝土泵、布料机安装就位后,验收符合要求,设备机具检查运转正常。
(2)混凝土浇筑前,钢筋、模板、预留、预埋均应施工完毕,并有允许浇筑的手续且基底清理干净,浇水湿润并设置好控制混凝土浇筑标高的标志。
(3)第一辆混凝土搅拌运输车先用0.5～1m水泥砂浆填满泵的料斗,以润滑混凝土输送管,随即第2辆搅拌运输车运来混凝土倾倒于混凝土泵中,启动混凝土泵推动水泥砂浆润滑管道。
(4)布料杆排料管下放一个垃圾斗回收水泥砂浆,待所有水泥砂浆都回收后,即垃圾斗中见到混凝土时停泵,
伍崇明,四川达县人,中国核工业第二四建设公司,副总工程师,研究员级高级工程师,065201,北京东燕郊203信箱收稿日期:2000-05-16
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清除水泥砂浆。
(5)将混凝土布料机臂杆放在浇筑区域,由1或2名工人保持和掌握臂杆的橡皮管,以避免使混凝土的自由下落高度大于规范规定。混凝土布料
时严禁直接冲击预埋件、管道及其插筋,移动管道使混凝土每层浇筑厚度符合规范规定。
(6)混凝土应随浇随振捣,应按规范及操作程序,有顺序地振捣密实,防止漏振或超时间振捣,每层混凝土初凝前,应再继续浇1层新的混凝土(注意两层混凝土的间隔时间),直到顶层标高,振捣完毕混凝土表面应用抹子抹平,施工完毕应及时按混凝土养护程序进行养护。
(7)每次浇筑混凝土结束,在混凝土输送管里放一海绵球,用压缩空气推进以清理管子里的混凝土。
(8)施工中若出现输送管淤塞,应按有关清理操作程序进行清理。
(9)混凝土浇筑完毕,应将现场工作面、施工缝及钢筋、设备清理干净。2不同工况下的混凝土泵送2.1基坑大体积混凝土的泵送
核岛、常规岛基础底板均为大体积钢筋混凝土,位于地下10余米,尺寸分别为165m×96m×(1.50～6.0)m和105m×65.5m×(1.0～3.0)m,要分成数块施工(每次混凝土量约为500～3600m3)。除竖向钢筋较多的分割块采(4)粒径2μm的矿渣微粉和O-RHA、SF等高活性火灰山材料复合而成的矿物掺合料,既有一定的减水作用,又有很高的反应活性。
(5)在化学减水剂和矿物减水剂的共同减水作用下,利用广州地区的优质材料,可以稳定地制备出大坍落度的超高强混凝土。
凝土为96.3MPa略有降低外,其余配合比均超过110MPa,最高可达128MPa。SF与O-RHA对混凝土的增强作用,主要与其超高的火山灰活性有关(减水作用不大),而粒径2μm矿渣微粉对混凝土的增强作用,与其强烈的矿物减水作用有关,也与其较高的潜在水硬性有关。
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