超高性能混凝土配制技術(shù)的探討

超高性能混凝土配制技術(shù)的探討

2005年6月，第七次國際協(xié)力會在美國舉行。工程師和材料科學家們一起討論了HS/HPC的最新研究和應(yīng)用情況。會議認為超高性能混凝土(UHPC)是混凝土材料的重大突破。此外,日本鹿島公司等單位在5000年前中國甘肅大地灣遺址發(fā)現(xiàn)的古代混凝土技術(shù)基礎(chǔ)上,研發(fā)出萬年混凝土,這對混凝土結(jié)構(gòu)壽命也會帶來重大突破。1混凝土技術(shù)的創(chuàng)新基礎(chǔ)1.1高效減水劑的應(yīng)用1960年左右,德國發(fā)明和應(yīng)用了三聚氰胺高效減水劑,并配制出流態(tài)混凝土,大量應(yīng)用于工程中。日本引進了該項技術(shù),并于1965年左右發(fā)明了萘系高效減水劑。美國則發(fā)明了改性木質(zhì)素磺酸鹽高效減水劑。近10年來,聚羧酸高效減水劑的發(fā)展與應(yīng)用,使混凝土從干硬性→半干硬性→塑性→流態(tài)化方向發(fā)展。1.2沸石超細粉在混凝土中的應(yīng)用挪威、瑞典、冰島與丹麥等國,為了提高混凝土性能,最早回收了硅粉,并應(yīng)用于混凝土中;日本等國大量研究和開發(fā)了礦渣超細粉;而美國等對偏高嶺土超細粉在HPC中的應(yīng)用取得了更大的進展;中國對天然沸石在混凝土中的應(yīng)用,處于世界前列。礦物超細粉的開發(fā)和應(yīng)用,使普通混凝土(NC)高性能化,促進了高性能混凝土HPC和UHPC的發(fā)展。1.3工程膠結(jié)復合材料金屬纖維、有機纖維與無機纖維的發(fā)明與應(yīng)用,使混凝土技術(shù)向工程膠結(jié)復合材料(ECC)方向發(fā)展。在此期間,水泥性能也不斷提高和完善,這是UHPC的重要前提。2新型環(huán)保材料的發(fā)明2.1chll的mdfMDF即無宏觀缺陷水泥材料,由Birchall提出,并于1979年由英國化學工業(yè)公司和牛津大學共同研究。隨后,美國、日本和瑞典等國也開展了該項研究。Birchall提出的MDF由下列材料組成:①高強度等級硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥(90%～99%);②水溶性樹脂(4%～7%),水灰比<20%。通過強制式高效剪切攪拌機攪拌,熱壓成型,能得到抗壓強度300MPa,抗彎強度150MPa,彈性模量50GPa的MDF。例如:硅酸鹽水泥,水溶性聚乙烯醇(PVA)和丙三醇(外加劑),按適當比例配合制成混合物,經(jīng)剪切攪拌、熱壓成型、養(yǎng)護得到成品,具有高抗壓和抗彎強度。但是,這種材料無流動性,成型困難,耐水性差,收縮大,至今仍未實用化。2.2dsp的應(yīng)用特性DSP即超細粒子密實填充水泥基材料,由Bache詳細闡述。該項專利是在瑞典、挪威、冰島等國家對硅粉開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。后來日本電氣化學工業(yè)公司將該項技術(shù)引入日本。DSP的基本組成是水泥、硅粉和聚羧酸高效減水劑,其模式如圖1所示。Bache強調(diào)粉體密實填充的重要性。DSP的重要特征是密實填充,使孔隙率降低,如圖2所示。粉體漿體在聚羧酸高效減水劑作用下,使相鄰顆粒表面力連接作用消除,粘性漿體的應(yīng)力均降低。以20%硅粉代替相應(yīng)的硅酸鹽水泥,水膠比W/B=0.12～0.22,抗壓強度≥500MPa,抗彎強度≥75MPa,彈性模量≥80GPa。如以C2S含量高的水泥與硅粉和聚羧酸高效減水劑配制DSP材料,效果更好。DSP技術(shù)成為HPC和UHPC的基礎(chǔ)。3凝土材料砂+f纖維抗壓強度在DSP基礎(chǔ)上,開發(fā)出HPC、UHPC和ECC等新型混凝土材料,使DSP+S(砂)+F(纖維)抗壓強度>200MPa(實際達到250MPa);使DSP+S(砂)+G(碎石)抗壓強度>150MPa(實際達到180MPa)。3.1工程粘合劑rcc機械工程連接建筑材料國外將其列為UHPC的一種,由DSP+S(砂)+F(纖維)+高效減水劑制成。ECC的特點是具有很高的抗彎強度和變形抗裂性能。3.1.1cec用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞動日本是一個地震災(zāi)害多發(fā)的國家,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往設(shè)有抗震、防震裝置。ECC是防震抗震的最好材料,如圖3所示。3.1.2行人橋uhpc1)最早在工程上應(yīng)用UHPC的國家是加拿大,在Sherbrooke建造了一條UHPC行人橋。2)2001年,在法國Valence建造了2條道路橋,分別為20.5m和22.5m,為運輸車輛及行人使用,如圖4所示。該橋的UHPC中,在不同部位摻入了約2.5%～3.0%體積含量的鋼纖維。3)在德國,應(yīng)用UHPC建造了一座復合結(jié)構(gòu)的人行橋,長135m,最大跨度40m。該橋的外貌及截面如圖5所示。4)日本也有用UHPC與鋼復合的橋梁,如圖6所示。另外,日本明石大橋建造于神戶淡路鳴門高速公路的本州和淡路島之間的明石海峽。橋長3911m,為三跨吊橋,中跨達1991m,1988年5月開工,于1998年4月完工。橋兩端錨固基礎(chǔ)使用了40多萬m3免振自密實混凝土(HPC),而海上兩個主塔橋墩大量使用了水下不分散混凝土。3.2超高層大跨度鋼筋混凝土外墻防壓強設(shè)計1)建筑上采用UHPC的先進性及其特殊效果,在法國建造的高架橋收費站中可以充分體現(xiàn)出來。屋頂長98m,寬28m,中心厚度只有85cm;結(jié)構(gòu)像一個機翼,如圖7所示。2)廣州珠江新城西塔工程該工程高度為435m,是一座超高層建筑,大量使用了C70、C80、C90HPC,并研發(fā)C100UHPC,一次泵送高度超過400m(見圖8)。3)超高層大跨度鋼筋混凝土住宅樓在日本東京、橫濱等地,采用HPC、UHPC建造了近10棟超高層住宅樓。由原來混凝土FC60～FC80發(fā)展為FC150的UHPC,鋼筋混凝土底層柱截面減小,梁的跨度增大,有效利用的空間增多。4uhpc的制備4.1原材料1水泥水泥在UHPC中水泥用量大,故建議采用C2S含量高的低、中熱水泥。23超薄粉常用的超細粉有硅粉、超細礦渣粉及超細粉煤灰等,在UHPC膠凝材料中起微填充作用,增大混凝土流動性,提高強度和耐久性。33高效減水劑常用聚羧酸高效減水劑,減水率要達到30%以上,而且要具有保塑功能。4粗骨料的配制吸水率要低(一般<1.5%),粒形要好,粒徑≤20mm,在UHPC中粗骨料體積含量<400L/m3。級配良好,孔隙率要低。細骨料要采用中偏粗河砂,級配良好,吸水率低,含泥量低。52纖維有金屬纖維、有機纖維及無機纖維。在UHPC中體積含量要達到2%～4%。4.2uhpc的年齡限制UHPC配合比如表1所示。表1中M1、M1Q和M2Q配合比中無粗骨料,屬于ECC系列;而B1、B1Q、B2Q和B3Q則含有玄武巖粗骨料,屬于超高性能混凝土系列。UHPC的水膠比W/B(或水灰比W/C)均較低,為0.18～0.21(0.22～0.28);但由于使用聚羧酸高效減水劑,坍落擴展度仍很大,達55～65cm。在日本,對不同設(shè)計基準強度的UHPC采用表2配合比。不同強度等級混凝土在不同齡期的強度如圖9所示。由圖9可知,設(shè)計基準強度150MPa的UHPC,10年齡期強度超過了180MPa;設(shè)計基準強度120MPa的UHPC,10年齡期強度約140MPa;而設(shè)計基準強度100MPa的UHPC,10年齡期強度達到120MPa。4.3生產(chǎn)技術(shù)的特點和對策4.3.1混凝土下沉時間UHPC的粘性大,流動慢,施工困難,UHPC新拌混凝土特性如圖10所示。普通混凝土(NC)與HPC或UHPC具有相同坍落度時,UHPC流動慢(見圖10a中v0),NC流動快(見圖10a中v1),即UHPC施工困難。NC的塑性粘度與屈服值幾乎成正比關(guān)系;而UHPC(或HPC)的塑性粘度大,即測定坍落度、坍落擴展度所需時間長。具體評價UHPC新拌混凝土泵送施工性能優(yōu)劣,我國采用倒坍落度筒混凝土流下時間長短來評價。例如:倒筒時間≤10s時,UHPC易于泵送施工;而且還需要控制倒筒時間的經(jīng)時變化,一般經(jīng)時2h,倒坍落度筒混凝土流下時間基本不變。例如:混凝土倒筒落下時間初始<10s;1h后>15s;2h>25s,這樣的UHPC在泵送過程中很容易堵管。4.3.2處理方法4.3.2.摻聚羧酸減水劑對混凝土坍落擴展度的影響Marushima認為,單方用水量是評估新拌混凝土性能的一種方法。他以水膠比W/B=0.18的UHPC為例,用水量150kg/m3,外摻聚羧酸高效減水劑3.0%。拌合2m3混凝土,測出攪拌機負荷為60kW,坍落擴展度740mm;當坍落擴展度為500mm時,所需流動時間8～10s。當用水量稍微增加(由150kg/m3增加到155kg/m3),攪拌機負荷下降,坍落擴展度達到500mm時所需時間也縮短。而當單方用水量由150kg/m3減少為140kg/m3時,攪拌機負荷增大,坍落擴展度達到500mm時所需時間增大,坍落度經(jīng)時損失也加快。4.3.2.2.控制坍塌損失，尤其是主缸時間控制坍落度損失及倒筒時間的方法有3種。1表面活性劑的性質(zhì)聚羧酸高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)如圖11a所示,由吸著基與分散基兩部分組成,當吸著基m與分散基n的比例不同時,在水泥粒子表面吸附時間長短不同(見圖11b),流動性經(jīng)時變化也不同(見圖11c)。2糖鈉的含固量例如水膠比W/B=0.25的UHPC,用水量165kg/m3,聚羧酸高效減水劑含固量40%,摻量1.5%,外摻含固量3%的糖鈉;另一方案是聚羧酸高效減水劑摻量1.2%,外摻1.5%保塑劑。2種新拌混凝土的性能及經(jīng)時變化如表3所示,表明2種方法均能控制新拌混凝土性能的變化,但是摻緩凝劑時如控制不好,2～3d也不會凝結(jié)。4.3.2.不同細度的超細粉組合對uhpc流動性的影響如上所述,DSP的特點是由于膠凝材料粒子間的緊密填充,孔隙大幅度降低。因此,以不同品種超細粉與水泥匹配,在相同用水量下,可以使?jié){體流動性增大;或者在具有相同流動性下,含超細粉的漿體可降低用水量,如圖12所示。由圖12可見,磷渣和礦渣超細粉可以有效提高漿體流動性;而硅粉和沸石粉摻量5%左右,由于填充效應(yīng),漿體流動性提高;但超過此范圍時,由于硅粉超細及沸石多孔,漿體的流動性又降低。同品種不同細度的超細粉對UHPC流動性的影響如表4所示。其中,水膠比W/B=0.20,水泥C=500kg/m3,磨細礦渣粉BFS=212.5kg/m3,石膏GP=12.5kg/m3,硅粉SF=25kg/m3,用水量W=150kg/m3。由表4可見,比表面積800m2/kg的礦渣粉,坍落度、坍落擴展度最大,倒筒時間最短。不同細度的超細粉組合對UHPC流動性的影響如表5所示。其中,W/B=0.20,W=150kg/m3,C=500kg/m3。①BFS+GP=250kg/m3;②BFS+GP+SF=250kg/m3(SF為25kg/m3),水泥比表面積340m2/kg,礦渣粉400m2/kg,石膏與礦渣粉含量相同,硅粉比表面積20萬cm2/g。通過上述各種措施,可使新拌混凝土結(jié)構(gòu)粘度降低,倒筒時間縮短,保塑時間延長,便于UHPC的施工。5混凝土自收縮開裂UHPC由于水灰比低,混凝土澆注成型后會產(chǎn)生自收縮開裂,同時由于水泥用量大,水化放熱大,易產(chǎn)生溫度開裂;要控制入模溫度和溫度差。同時會使UHPC泌水量少,澆注面混凝土容易干燥而產(chǎn)生脆性變形開裂。故UHPC澆注后應(yīng)立即用濕草席覆蓋。UHPC不同W/C混凝土的自收縮開裂比較如圖13所示。隨著W/C降低,自收縮開裂長度增大。在表4中,雖然水膠比20%比較低,但用水量為150kg/m3,水泥用量500kg/m3,水灰比為0.3。以單方混凝土用水量考慮,自收縮開裂可能降低。此外,以10%的飽水沸石超細粉代替10%水泥,摻入UHPC中,能有效抑制自收縮和自收縮開裂。6硬混凝土的性能6.1抗壓強度與w/c或w/b的關(guān)系1)不同骨料硬化混凝土強度如圖14所示。W/C=14%時,山砂-硬質(zhì)砂巖的UHPC強度低于山砂-安山巖B,同樣低于安山巖A碎砂-碎石與安山巖B碎砂-碎石的UHPC強度?？梢?骨料的吸水率尤為重要。2)超細粉對水泥置換率不同時,UHPC抗壓強度如圖15所示,隨硅粉對水泥置換率增加,3、7d的強度比基準混凝土強度低,但28d后的強度均高于基準混凝土強度。在UHPC設(shè)計時硅粉對水泥置換率可達15%以上。3)水灰(膠)比的影響S.F.Freyue,W.MicahHale和B.W.Russell對水膠比為0.22～0.41的HPC抗壓強度試驗結(jié)果進行線性回歸分析,結(jié)果如下:①按W/B進行線性回歸時ˉfc(1d?ΜΡa)=111.0-219.1(W/B)?R2=0.293fˉc(1d?MPa)=111.0?219.1(W/B)?R2=0.293;ˉfc(28d?ΜΡa)=165.1-257.2(W/B)?R2=0.536;ˉfc(56d,ΜΡa)=177.2-279.3(W/B)?R2=0.512。②按W/C進行線性回歸分析時ˉfc(1d,ΜΡa)=151.0-311.0(W/C),R2=0.530;ˉfc(28d,ΜΡa)=171.1-242.6(W/C),R2=0.409;ˉfc(56d?ΜΡa)=181.7-257.7(W/C),R2=0.366。③按W/C與W/B進行多重回歸分析時ˉfc(1d,ΜΡa)=156.2-65.27(W/B)-269.5(W/C)?R2=0.546;ˉfc(28d,ΜΡa)=185.6-191.0(W/B)-119.1(W/C),R2=0.598;ˉfc(56d,ΜΡa)=194.8-216.7(W/B)-107.7(W/C),R2=0.550。由此可見,HPC的抗壓強度與W/C(或W/B)呈線性關(guān)系。按W/B計算時,早期(1d)齡期的相關(guān)系數(shù)較低,按W/C時,后期(56d)齡期的相關(guān)系數(shù)較低,而按W/C與W/B雙重回歸分析時,早期與后期的相關(guān)系數(shù)均較高。6.2耐久性參數(shù)值Schmidt和Fehling通過試驗,對比了NC、HP