摘要:介紹了混凝土的受力破壞過程以及影響混凝土強度的因素,從理論上分析了提高混凝土強度的技術途徑和方法,通過試驗對比,驗證了理論分析的可行性和正確性.
關鍵詞:混凝土;高強度;技術途徑
中圖分類號: TU528. 31 文獻標識碼: A 文章編號: 1003 - 7179 (2007) 01 - 0084 - 03
隨著現代化高層建筑及大跨度結構的不斷發展,對混凝土強度的要求越來越高. 采用高強混凝土可以大幅度減小構件的截面尺寸,減輕結構物的自重,也使施工人員的勞動量,施工能耗及原材料的消耗等大大降低,建筑物的有效使用面積相應增加,抗震能力得到提高[ 1 ] . 因此,使用高強混凝土具有顯而易見的技術經濟性和社會效益.
高強混凝土的配制技術復雜,生產難度較大,影響配制和使用高強混凝土的因素較多,如對原材料的選擇,外加劑及摻和料的品質,配合比設計以及生產設備和工藝控制等的要求很高. 要獲得高強混凝土,就必須采取一切可能提高混凝土強度的有利措施.
1 受力破壞過程
混凝土是一種極其復雜的非勻質材料,由粗骨料、未水化的水泥內核、水化物晶體及凝膠、孔隙、水等部分組成. 影響混凝土強度的因素也是非常復雜的[ 2 ] ,要配制出高強度的混凝土,必須研究影響混凝土強度的主要因素及影響規律.
1. 1 內部缺陷的產生機理
1. 1. 1 界面微裂縫的形成 混凝土在硬化過程中,由于水泥水化產生的化學收縮和干燥收縮引起砂漿體積的變化,在粗骨料與砂漿界面上產生分布不均的拉應力,并且粗骨料的粒徑越大,拉應力也越大. 拉應力足以破壞粗骨料與砂漿的界面,形成許多分布不均勻的界面微裂縫. 混凝土成型過程中產生泌水,也會形成界面微裂縫. 界面微裂縫會降低混凝土強度.
1. 1. 2 界面過渡區的形成 在新成型的混凝土中沿粗骨料周圍會形成水膜,造成貼近粗骨料周圍區域的水灰比高于遠離粗骨料的水泥漿基體, 此區域即為界面過渡區. 界面過渡區與水泥漿基體相同,由于水灰比較大,在過渡區的結晶產物會形成比較大的結晶,因此,形成的骨架結構比水泥漿基體的孔隙多,從而影響水泥漿與粗骨料之間的粘結強度,降低混凝土強度.
1. 2 受力破壞過程
混凝土受外力作用時,內部產生拉應力,該拉應力在微裂縫的尖端形成應力集中,隨著拉應力的逐漸增大,導致微裂縫進一步延伸,擴展,最終導致混凝土破壞. 在大量的試驗研究中發現,對于中低強度的混凝土,破壞主要出現在水泥漿基體與粗骨料的界面上,以及出現在水泥漿基體中;對于高強度混凝土,破壞也會出現在粗骨料中[ 3 ] . 所以,混凝土的強度主要決定于基體強度,基體與骨料間的粘結強度以及粗骨料的強度.
2 高強混凝土生產的技術途徑
2. 1 提高基體的強度
2. 1. 1 采用高強度水泥 水泥是混凝土的活性組分,起粘結作用. 水泥強度的大小直接影響混凝土的強度. 在配合比相同的條件下,所用水泥的強度越高,配制成的混凝土強度也越高. 因此,配制高強度混凝土時應選用強度盡可能高的水泥,以保證使用較少的水泥獲得較高的混凝土強度,同時混凝土的水灰比也不至于太低而過分影響混凝土拌和物的和易性.
2. 1. 2 采用低水灰比 在水泥水化形成的水泥石中的孔隙率取決于水灰比,而孔隙率的高低與混凝土強度有密切的關系. 水灰比越小,在硬化混凝土中形成的水泡或多余水分蒸發后形成的孔隙數量就越少,基體的強度就會越高,與骨料的粘結力也越大,混凝土的強度就越高. 因此,在條件許可的情況下應盡可能采用較小的水灰比.
2. 1. 3 改善水泥的水化過程 由于高強混凝土的水灰比很低,水泥的水化反應速度要比普通混凝土快得多,形成的水化產物沒有足夠的時間向外擴散而集中于水泥顆料周圍,形成不透水的凝膠體膜層,阻礙了水分向未水化水泥顆粒內部滲入,從而影響水泥的進一步水化,同時也造成水泥石結構不均勻,影響基體強度和基體與骨料間的粘結強度. 所以,適當延緩高強混凝土初期的水泥水化速度,對后期強度的發展是有利的. 試驗表明:摻加適量的緩凝劑能調節水泥的水化過程,使水化產物中的晶體分布均勻,發育完善,晶體與凝膠的比例得到改善,水泥石結構密實,從而明顯提高混凝土強度[ 4 ] .
2. 1. 4 摻加高效能表面活性劑 高效能表面活性劑能顯著降低水的表面張力,對水泥顆粒有高度的分散作用,使得水泥顆料表面的親水性增加,與水接觸的表面積增大;同時也使水分能較容易地滲入水泥顆粒表面的裂隙內,從而使水泥顆粒的水化更充分,強度也會提高.
2. 2 提高基體與骨料間的粘結強度
2. 2. 1 改善界面過渡區 由于界面過渡區的存在,嚴重影響了基體與骨料之間的粘結力,會降低混凝土的強度. 要改善界面過渡區的性能,應從兩方面著手:一是合理調整混凝土配合比,提高混凝土拌和物的保水性和穩定性,避免或減少泌水現象;二是消除或減少Ca (OH) 2 在界面過渡區的富集. 試驗表明:在混凝土中摻加粉煤灰與礦渣復合高效能表面活性劑超細粉后,由于具有較大的比面,從而提高了火山灰活性效應,增加了體系中微粒間的化學交互,誘導激發作用,促使超細粉的活性成分與Ca (OH) 2 發生化學反應,生成的難溶水化硅酸鈣凝膠沉積在界面過渡區的孔隙內,使界面過渡區的密實度增加,混凝土強度提高[ 5 ] . 另外,復合超細粉還具有填充和分散作用,增加了密實填充效應[ 6 ] ,由此,可以明顯提高基體與骨料間的粘結強度,也能提高混凝土強度.
2. 2. 2 提高基體與粗骨料之間的粘結面積 基體與骨料之間的粘結面積主要取決于粗骨料的最大粒徑DM和表面特征. 粗骨料的最大粒徑越大,比面越小;在最大粒徑相同的條件下,表面越粗糙,比面越大. 對高強混凝土,粗骨料尺寸愈大,粘結面積愈小,造成混凝土的不連續性的不良影響也就愈大[ 7 ] ,尤其對水泥用量多的高強混凝土,影響更為明顯. 因此,配制高強混凝土的粗骨料宜選用最大粒徑盡可能小的表面粗糙的多棱角碎石,有利于提高界面粘結強度.
2. 3 采用適宜的粗骨料
由于混凝土內各個顆粒接觸點的實際應力可能會遠遠超過所施加的壓應力,所以,要求骨料的強度高于混凝土強度. 但粗骨料也不宜過強、過硬,應選擇物理力學性質盡可能與水泥石性質相近的骨料,包括強度、彈性模量、熱膨脹系數、收縮率等指標相近. 這樣有利于骨料與水泥石在各種條件下共同作用,減少由于性質差異過大引起的內應力以及由此而產生的界面缺陷.
3 1種C 100高強混凝土的配制
3. 1 原材料
(1) 水泥 52．5 MPa級硅酸鹽水泥,實測28d強度為59．1MPa.
(2) 細骨料 河砂,級配良好,表觀密度2．62g/ cm3 ,堆積密度1 490 kg/m3 ,細度模數2．85,含泥量0．9%.
(3) 粗骨料 花崗巖碎石,最大粒徑DM分別為10．0 mm和31．5 mm,均為連續級配,表觀密度2．63 g/ cm3 ,含泥量分別為0．36%和0．31%.
(4) 復合超細粉 粉煤灰60% +礦渣40% ,比面7250 cm2 /g
(5) 外加劑 緩凝劑為葡萄糖酸鈉;高效減水劑,減水率為25%～30%.
3. 2 試驗方法
采用基準混凝土(試樣1 ) 與對比組混凝土(試樣2, 3, 4, 5, 6)的水泥用量相同,坍落度基本相同的試驗方案,分別研究減水劑,緩凝劑,復合超細粉和骨料粒徑等因素對混凝土強度的影響. 試驗方案及試驗結果見表1.
3. 3 試驗結果分析
分析表1試驗結果,可以得出如下結論:
(1) 試樣3摻加了高效減水劑,骨料粒徑較小為10 mm, 28 d強度達到了C 100的要求,說明高效減水劑和較小的骨料粒徑是制備高強混凝土的必備條件.
(2) 試樣2與試樣3對比,粗骨料的最大粒徑DM 增加,水泥漿與骨料的粘結面積減小,因此, 28d強度降低19%.
(3) 試樣1未摻加高效減水劑,盡管用水量較多,但混凝土拌和物的坍落度僅為60 mm,類似于普通塑性混凝土. 由于W /C較低,混凝土拌和物粘度很大,無法與普通塑性混凝土一樣易于密實成型,實際上無法完成現場施工.
(4) 試樣4與試樣3對比,由于摻加了緩凝劑葡萄糖酸鈉,調整了水泥的水化過程,使水泥的水化產物分布比較均勻,從而改善了混凝土的內部結構,因此,混凝土28 d強度提高了約7%.
(5) 試樣5與試樣3對比,摻加10%的復合超細粉(等量取代水泥) ,混凝土拌和物的和易性有所改善, 28 d強度提高10%.
(6) 試樣6與試樣3對比,在同時摻加緩凝劑和復合超細粉時,混凝土拌和物的和易性有較大改善,混凝土強度提高11．4%.上述試驗研究表明:摻加減水劑、緩凝劑、復合超細粉和采用較小的骨料粒徑是獲得高強混凝土的有效技術途徑.
[參 考 文 獻]
[1] 遲培云,李余波,楊 旭,等. 現代混凝土技術[M ]. 上海:同濟大學出版社, 1999: 48.
[2] 重慶建筑工程學院,南京工學院. 混凝土學[M ]. 北京:中國建筑工業出版社, 1981: 50 - 126.
[3] 符 芳. 建筑材料[M ]. 南京:東南大學出版社, 2001:102 - 129.
[4] 蒲心誠. 超高強高性能混凝土[M ]. 重慶:重慶大學出版社, 2004: 11 - 78.
[5] 青島理工大學. 土木工程科學技術研究與工程應用[M ]. 北京:中國建材工業出版社, 2004: 273 - 276.
[6] 洪錦祥. 人工砂中石粉對混凝土性能影響及其作用機理研究[ J ]. 公路交通科技, 2005, 22 (11) : 84 - 88.
[7] 張志權. 高強混凝土非結構性裂縫形成原因及控制方法[ J ]. 混凝土, 2005, 192 (10) : 56 - 58.
