【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高性能混凝土低用水量的技術途徑進行了探。
【關鍵詞】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。我國現行混凝土設計規范中混凝土用水量的取值是依據混凝土坍落度和石子最大粒徑確定的。設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, 按規范所列經驗數據選用。
1.2 根據混凝土強度等級設定最大用水量
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)養護不當的高性能混凝土, 常出現早期開裂。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。在這方面, 美國學者, 設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定用水量。日本學者則設定: 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。根據吳中偉先生的研究結果, 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;
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 中的規定取值。借助于數值分析方法可知: 混凝土單位用水量對粗集料最大粒徑的偏導數與粗集料最大粒徑的乘積是該偏導數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系。經數學推導, 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。
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, 將計算結果加10～12即為所需減水率。
3.實現低用水量的技術途徑
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級配, 砂的細度模數有時達不到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。試驗結果表明, 砂石及其配合, 對混凝土配合比影響較大。
4.結束語
高性能混凝土的應用已較普及, 但應用技術尚待完善。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人員共同探討高性能混凝土的配合比及材性, 交流應用經驗, 以利推廣。
