【摘要】本文闡述了高性能混凝土用水量的取值原則, 對高性能混凝土用水量的計算及實現(xiàn)高性能混凝土低用水量的技術(shù)途徑進行了探。
【關(guān)鍵詞】高性能混凝土; 用水量; 高效減水劑
1.高性能混凝土用水量的取值原則
1.1 保證高性能混凝土工作性需要
混凝土工作性特性是流動性, 主要取決于混凝土單位用水量。我國現(xiàn)行混凝土設(shè)計規(guī)范中混凝土用水量的取值是依據(jù)混凝土坍落度和石子最大粒徑確定的。設(shè)計高性能混凝土配合比時, 用水量仍以滿足其工作性為條件, 按規(guī)范所列經(jīng)驗數(shù)據(jù)選用。
1.2 根據(jù)混凝土強度等級設(shè)定最大用水量
高性能混凝土的早期開裂問題已引起國際混凝土界的關(guān)注。由于高性能混凝土水膠比低, 混凝土水化引起的早期自收縮有時達到混凝土總收縮的50%, 因而對于早期(甚至在初凝后)養(yǎng)護不當?shù)母咝阅芑炷? 常出現(xiàn)早期開裂。解決問題的主要途徑是: 采取多種手段, 加強早期濕養(yǎng)護; 降低膠凝材料用量, 減小混凝土總收縮值。對于后者, 最有效的辦法是降低單位用水量, 常通過摻用高效減水劑來實現(xiàn)。在這方面, 美國學者, 設(shè)定高性能混凝土中水泥漿與集料的體積比為35∶65, 對不同強度等級的混凝土設(shè)定用水量。日本學者則設(shè)定: C50～C60混凝土, 單位用水量為165～175kg/m3; C75 以上混凝土, 單位用水量為150kg/m3, 對C75 混凝土, 強度每增加15MPa, 每立方米混凝土用水量減少10kg。
2.高性能混凝土用水量的計算
2.1 計算公式
對于密實的混凝土, 膠凝材料漿的體積應略多于集料的空隙率。根據(jù)吳中偉先生的研究結(jié)果, 砂石配合適當時, 集料最小空隙率為:α=(視密度—體積密度)/視密度(1)α通常在20～22%之間。在進行混凝土配合比計算時, 根據(jù)原材料與工作性的要求, 決定膠凝材料漿量的富余值(β)。對于大流動性混凝土, 富余值為9～10%[1]。
1 立方米高性能混凝土中膠凝材料的重量J(kg)由式(2)計算:
式中Pi———膠凝材料各組分占膠凝材料總量的百分數(shù);
γi———膠凝材料各組分的密度, g/cm3。
則高性能混凝土用水量W(kg/m3)的計算公式為:
W=J×水膠比(3)
2.2 計算外加劑減水率
對于不摻減水類外加劑的混凝土, 其用水量可參照JGJ55 中的規(guī)定取值。借助于數(shù)值分析方法可知: 混凝土單位用水量對粗集料最大粒徑的偏導數(shù)與粗集料最大粒徑的乘積是該偏導數(shù)與粗集料最大粒徑的線性組合; 單位用水量與坍落度成線性關(guān)系。經(jīng)數(shù)學推導, 可得到使用碎石和卵石的混凝土用水量W1 和W2 計算公式如下:
W1=182.441+50Z/11+1.11D- 73.611g(D/4.086- 2.671) (4)
W2=174.091+5[ Z/7] +50Z/11+1.005D- 1001g(D/10) (5)
式中, D 為粗集料最大粒徑(mm); Z 為坍落度表征值, 當坍落度為10～30、30～50、50～70、70～90mm, Z 分別為1.3、3.5、5.7、7.9; [ Z/7] 為取整函數(shù)。
當混凝土坍落度小于等于70～90mm 時, 外加劑減水率u(%)計算公式如下:
u1≥100(W1-W)/W1 (6)
u2≥100(W2-W)/W2 (7)
對于大流動性混凝土和泵送混凝土, 先計算坍落度70～90mm 時的用水量, 再計算對應于此用水量的減水率u0, 將計算結(jié)果加10～12即為所需減水率。
3.實現(xiàn)低用水量的技術(shù)途徑
3.1 摻用高效減水劑
高效減水劑是高性能混凝土必不可少的組成材料, 其有效組分的適宜摻量為膠凝材料總量的1%以下, 并應控制引氣量。合適的高效減水劑有: (1)磺化三聚氰胺甲醛樹脂高效減水劑。該品種減水劑減水分散能力強, 引氣量低, 早強和增強效果明顯, 產(chǎn)品性能隨合成工藝的不同而有所不同。(2)高濃型高聚合度萘系高效減水劑。低聚合度的萘系減水劑, 引氣量大, 不宜用于高性能混凝土。(3)改性木質(zhì)素磺酸鹽高效減水劑; (4)復合高效減水劑, 包括緩凝高效減水劑。為使混凝土用水量達到140～170kg/m3, 外加劑減水率不得小于25～30%。減水劑用量可按表1 建議摻量選用。
必須注意, 市售某些品牌的萘系減水劑, 引氣、泌水偏大, 減水率滿足高性能混凝土要求, 但水泥用量大, 混凝土性能差, 不宜選用。SM系減水劑, 因合成條件不同, 對混凝土坍落度經(jīng)時變化的影響也不同,選用時應予重視。
3.2 摻用活性磨細材料
活性磨細材料又稱礦物外加劑, 用于高性能混凝土具有顯著的優(yōu)越性, 和高效減水劑共同使用, 既可減少混凝土用水量(礦物外加劑具有一定的減水分散作用), 又可節(jié)省水泥, 降低混凝土成本, 提高混凝土性能。
3.3 嚴格選材
與普通混凝土相比, 高性能混凝土的石子最大粒徑通常小于25mm(C50 混凝土石子最大粒徑可放寬到31.5mm); 砂的細度模數(shù)宜為2.6～3.0[1] ; 磨細礦渣細度應在4000cm2/g 以上, 或選用Ⅰ, Ⅱ級粉煤灰。在實際應用中應將重點放在砂石原材料的選用上, 因為往往施工單位不能保證石子具有連續(xù)級配, 砂的細度模數(shù)有時達不到2.6。對于前者, 可用兩種或兩種以上石子配合使用來加以解決, 而對于后者, 應盡量滿足要求, 以使砂石最小混合空隙率在20～22%之間。
作者曾做過這樣一個試驗: 用ISO 法測定的P.Ⅱ42.5 級硅酸鹽水泥, 5～16mm 及16～31.5mm 碎石, FM等于2.8 砂, Ⅰ級粉煤灰, SM高效減水劑(摻量為膠凝材料的0.6%), 配制C50 混凝土。當單獨使用16～31.5mm 石子時, 混凝土配合比為: C+FA480kg/m3, 砂kg/m3, 石子1150kg/m3, 水167kg/m3。當用兩種石子混合使用時, 混凝土配合比為:C+FA400kg/m3, 砂756kg/m3, 5～16mm 石子397kg/m3, 16～31.5mm 石子737kg/m3, 水160kg/m3。試驗結(jié)果表明, 砂石及其配合, 對混凝土配合比影響較大。
4.結(jié)束語
高性能混凝土的應用已較普及, 但應用技術(shù)尚待完善。本文提出高性能混凝土用水量的問題, 旨在與混凝土工程技術(shù)人員共同探討高性能混凝土的配合比及材性, 交流應用經(jīng)驗, 以利推廣。
