高强与超高强混凝土配制技术
关键词:高强与超高强混凝土;制备;材料性能
引言
混凝土是人类最大宗的建筑结构材料,其发展可以划分为低强低耐久混凝土、高强混凝土和高性能混凝土三个阶段。从我国目前的生产力发展水平、混凝土配制技术、施工性能、设计和使用要求、施工机械及操作水平来看,目前正处于高强混凝土的配制和使用阶段,这一时期还将经历很长一段时间。因此,充分利用地方资源,研究优质实用的高强或超高强混凝土配制技术,全面提高混凝土的生产和使用水平,是建材行业可持续发展的必然举措。
1研究、开发、应用高强与超高强混凝土的重大意义
随着人类社会的发展和进步,人类有能力拓展生存的空间。目前,人们正在向高空、地底及海洋进军,现代建筑物越来越高层化、大跨化、轻量化;在海洋深处建造大型结构物,在海面上建造巨大的工作平台;越来越多的跨大江、深谷、海峡的大跨度桥梁和海底隧道在建造。所有这些,都要求混凝土的质量越来越高。因此,高强度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料发展的方向。
目前,一般认为C50~C90属高强混凝土范畴,C100及以上强度等级是超高强混凝土。与普通混凝土相比,研究应用高强与超高强混凝土具有下列优越性:
有效地减轻结构自重。钢筋混凝土的最大缺点是自重大,在一般的建筑中,结构自重为有效荷载的8~10倍。当混凝土强度提高时,结构自重降低。一些世界著名的专家预言,80%~90%的钢结构工程可用预应力钢筋混凝土结构代替,当混凝土强度达到100MPa时,可以设计成的预应力钢筋混凝土结构,应当与钢结构一样轻,因为这时二者的比强度大致相等[1]。
大幅度提高混凝土的耐久性。高强与超高强混凝土由于强度的提高、内部孔结构的改善以及胶凝物质相组成的优化,其耐久性得到很大的改善。
节约材料和能源,降低建筑成本。
可见,使用高强与超高强混凝土可以获得很好的技术经济效果。因此,研究开发高强与超高强混凝土具有重大的意义。
2制备高强与超高强混凝土的技术途径
众所周知,混凝土是一种典型的堆聚结构工程材料,具有大量的不同尺寸和开始的内部缺陷。由于混凝土的组分和结构元件彼此在强度特性、变形特性和物理性能方面有明显的差异[2],混凝土的实际强度比理论强度材料弹性模量E低10-3个数量级,这是由于混凝土在受外部作用时应力状态很不一致,具有大量的应力集中现象所致。因此,研制高强与超高强混凝土,是建立在降低材料结构缺陷并提高其密度、增强组分的强度和形变性以及减少其内部应力集中基础之上的。曾经或正在研究的制备高强与超高强混凝土的技术路线有以下几条。
2.1干硬性高强与超高强混凝土
这一路线是在发明高效减水剂之前,采用强制搅拌和冲压及振动轧压等成型手段获得。由于工作环境恶劣,主要在制品厂、轨枕生产厂、桥梁厂使用,可获得C80~C150范围的高强及超高强混凝土。
2.2高标号水泥+超细矿物掺合料+高效减水剂
这一路线是目前国际上较通用的技术路线。在普通混凝土中,为了保证混合料的施工和易性,其用水量比水泥水化所需的水量大得多。多余的水在水泥硬化后蒸发,在水泥石和水泥石集料界面区域形成大量的各种孔径的孔隙,以及因泌水、干缩等所引起的微管和微裂缝,这些缺陷是导致混凝土强度下降和其它性能指标低的根本原因。因此,掺加高效减水剂、降低水灰比是一项行之有效的重要措施。
改善水泥石中水化物的相组成,提高其质量,是制备高强与超高强混凝土的另一重要课题。众所周知,水泥水化后形成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁铝酸钙及氢氧化钙。其中水化硅酸钙数量众多,也最为重要。但由于水泥水化形成的大多是高碱性水化硅酸钙,与低碱性水化硅酸钙相比,前者强度低,后者强度高;同时存在的fCaO强度极低,稳定性很差。因此,在制备高强与超高强混凝土时,要设法降低高碱性水化硅酸钙的含量,提高低碱性水化硅酸钙含量,同时尽量消除fCaO.其方法是在混凝土中掺入活性矿物掺料,使其含有的活性SiO2、Al2O3与fCaO及高碱性水化硅酸钙发生二次反应,生成低碱性水化硅酸钙,以增加胶凝物质的数量,改善其质量。
2.3高强与超高强碱矿渣混凝土
这一路线是采用磨细的高炉矿渣并加入碱组分获得。当用第一主族元素的化合物进行激发时,矿渣的水硬活性极佳。由于碱金属化合物能在水中迅速离解成大量具有强大离子力的OH-离子,在离子力的作用下,矿渣玻璃体的结构很快解体并发生水化,产生大量的低碱性水化硅酸钙和碱金属水化铝酸盐胶凝物质,进而形成水泥石硬化体。根据重庆建筑大学蒲心诚教授等人的研究,采用这一路线,可以制成超快硬、超高强、高抗渗、高抗冻、高抗蚀的碱矿渣混凝土,而且其它性能优异,水化热低,成本也不高。虽然目前不少人对其先进性、适宜性、可靠性和经济性尚不了解,但可以预见,高强与超高强碱矿渣混凝土将成为21世纪的一种新型混凝土。
2.4灰砂硅酸盐混凝土
采用钙质原料和硅质原料等混合磨细,用高温蒸压方法制备,可获得100~150MPa的高强混凝土。该混凝土水泥石主要由水化硅酸盐组成。这一路线主要用于制管和制桩生产中。
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