摘要:介绍了混凝土的受力破坏过程以及影响混凝土强度的因素,从理论上分析了提高混凝土强度的技术途径和方法,通过试验对比,验证了理论分析的可行性和正确性.
关键词:混凝土;高强度;技术途径
中图分类号: TU528. 31 文献标识码: A 文章编号: 1003 - 7179 (2007) 01 - 0084 - 03
随着现代化高层建筑及大跨度结构的不断发展,对混凝土强度的要求越来越高. 采用高强混凝土可以大幅度减小构件的截面尺寸,减轻结构物的自重,也使施工人员的劳动量,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积相应增加,抗震能力得到提高[ 1 ] . 因此,使用高强混凝土具有显而易见的技术经济性和社会效益.
高强混凝土的配制技术复杂,生产难度较大,影响配制和使用高强混凝土的因素较多,如对原材料的选择,外加剂及掺和料的品质,配合比设计以及生产设备和工艺控制等的要求很高. 要获得高强混凝土,就必须采取一切可能提高混凝土强度的有利措施.
1 受力破坏过程
混凝土是一种极其复杂的非匀质材料,由粗骨料、未水化的水泥内核、水化物晶体及凝胶、孔隙、水等部分组成. 影响混凝土强度的因素也是非常复杂的[ 2 ] ,要配制出高强度的混凝土,必须研究影响混凝土强度的主要因素及影响规律.
1. 1 内部缺陷的产生机理
1. 1. 1 界面微裂缝的形成 混凝土在硬化过程中,由于水泥水化产生的化学收缩和干燥收缩引起砂浆体积的变化,在粗骨料与砂浆界面上产生分布不均的拉应力,并且粗骨料的粒径越大,拉应力也越大. 拉应力足以破坏粗骨料与砂浆的界面,形成许多分布不均匀的界面微裂缝. 混凝土成型过程中产生泌水,也会形成界面微裂缝. 界面微裂缝会降低混凝土强度.
1. 1. 2 界面过渡区的形成 在新成型的混凝土中沿粗骨料周围会形成水膜,造成贴近粗骨料周围区域的水灰比高于远离粗骨料的水泥浆基体, 此区域即为界面过渡区. 界面过渡区与水泥浆基体相同,由于水灰比较大,在过渡区的结晶产物会形成比较大的结晶,因此,形成的骨架结构比水泥浆基体的孔隙多,从而影响水泥浆与粗骨料之间的粘结强度,降低混凝土强度.
1. 2 受力破坏过程
混凝土受外力作用时,内部产生拉应力,该拉应力在微裂缝的尖端形成应力集中,随着拉应力的逐渐增大,导致微裂缝进一步延伸,扩展,最终导致混凝土破坏. 在大量的试验研究中发现,对于中低强度的混凝土,破坏主要出现在水泥浆基体与粗骨料的界面上,以及出现在水泥浆基体中;对于高强度混凝土,破坏也会出现在粗骨料中[ 3 ] . 所以,混凝土的强度主要决定于基体强度,基体与骨料间的粘结强度以及粗骨料的强度.
2 高强混凝土生产的技术途径
2. 1 提高基体的强度
2. 1. 1 采用高强度水泥 水泥是混凝土的活性组分,起粘结作用. 水泥强度的大小直接影响混凝土的强度. 在配合比相同的条件下,所用水泥的强度越高,配制成的混凝土强度也越高. 因此,配制高强度混凝土时应选用强度尽可能高的水泥,以保证使用较少的水泥获得较高的混凝土强度,同时混凝土的水灰比也不至于太低而过分影响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决于水灰比,而孔隙率的高低与混凝土强度有密切的关系. 水灰比越小,在硬化混凝土中形成的水泡或多余水分蒸发后形成的孔隙数量就越少,基体的强度就会越高,与骨料的粘结力也越大,混凝土的强度就越高. 因此,在条件许可的情况下应尽可能采用较小的水灰比.
2. 1. 3 改善水泥的水化过程 由于高强混凝土的水灰比很低,水泥的水化反应速度要比普通混凝土快得多,形成的水化产物没有足够的时间向外扩散而集中于水泥颗料周围,形成不透水的凝胶体膜层,阻碍了水分向未水化水泥颗粒内部渗入,从而影响水泥的进一步水化,同时也造成水泥石结构不均匀,影响基体强度和基体与骨料间的粘结强度. 所以,适当延缓高强混凝土初期的水泥水化速度,对后期强度的发展是有利的. 试验表明:掺加适量的缓凝剂能调节水泥的水化过程,使水化产物中的晶体分布均匀,发育完善,晶体与凝胶的比例得到改善,水泥石结构密实,从而明显提高混凝土强度[ 4 ] .
2. 1. 4 掺加高效能表面活性剂 高效能表面活性剂能显著降低水的表面张力,对水泥颗粒有高度的分散作用,使得水泥颗料表面的亲水性增加,与水接触的表面积增大;同时也使水分能较容易地渗入水泥颗粒表面的裂隙内,从而使水泥颗粒的水化更充分,强度也会提高.
2. 2 提高基体与骨料间的粘结强度
2. 2. 1 改善界面过渡区 由于界面过渡区的存在,严重影响了基体与骨料之间的粘结力,会降低混凝土的强度. 要改善界面过渡区的性能,应从两方面着手:一是合理调整混凝土配合比,提高混凝土拌和物的保水性和稳定性,避免或减少泌水现象;二是消除或减少Ca (OH) 2 在界面过渡区的富集. 试验表明:在混凝土中掺加粉煤灰与矿渣复合高效能表面活性剂超细粉后,由于具有较大的比面,从而提高了火山灰活性效应,增加了体系中微粒间的化学交互,诱导激发作用,促使超细粉的活性成分与Ca (OH) 2 发生化学反应,生成的难溶水化硅酸钙凝胶沉积在界面过渡区的孔隙内,使界面过渡区的密实度增加,混凝土强度提高[ 5 ] . 另外,复合超细粉还具有填充和分散作用,增加了密实填充效应[ 6 ] ,由此,可以明显提高基体与骨料间的粘结强度,也能提高混凝土强度.
2. 2. 2 提高基体与粗骨料之间的粘结面积 基体与骨料之间的粘结面积主要取决于粗骨料的最大粒径DM和表面特征. 粗骨料的最大粒径越大,比面越小;在最大粒径相同的条件下,表面越粗糙,比面越大. 对高强混凝土,粗骨料尺寸愈大,粘结面积愈小,造成混凝土的不连续性的不良影响也就愈大[ 7 ] ,尤其对水泥用量多的高强混凝土,影响更为明显. 因此,配制高强混凝土的粗骨料宜选用最大粒径尽可能小的表面粗糙的多棱角碎石,有利于提高界面粘结强度.
2. 3 采用适宜的粗骨料
由于混凝土内各个颗粒接触点的实际应力可能会远远超过所施加的压应力,所以,要求骨料的强度高于混凝土强度. 但粗骨料也不宜过强、过硬,应选择物理力学性质尽可能与水泥石性质相近的骨料,包括强度、弹性模量、热膨胀系数、收缩率等指标相近. 这样有利于骨料与水泥石在各种条件下共同作用,减少由于性质差异过大引起的内应力以及由此而产生的界面缺陷.
3 1种C 100高强混凝土的配制
3. 1 原材料
(1) 水泥 52．5 MPa级硅酸盐水泥,实测28d强度为59．1MPa.
(2) 细骨料 河砂,级配良好,表观密度2．62g/ cm3 ,堆积密度1 490 kg/m3 ,细度模数2．85,含泥量0．9%.
(3) 粗骨料 花岗岩碎石,最大粒径DM分别为10．0 mm和31．5 mm,均为连续级配,表观密度2．63 g/ cm3 ,含泥量分别为0．36%和0．31%.
(4) 复合超细粉 粉煤灰60% +矿渣40% ,比面7250 cm2 /g
(5) 外加剂 缓凝剂为葡萄糖酸钠;高效减水剂,减水率为25%～30%.
3. 2 试验方法
采用基准混凝土(试样1 ) 与对比组混凝土(试样2, 3, 4, 5, 6)的水泥用量相同,坍落度基本相同的试验方案,分别研究减水剂,缓凝剂,复合超细粉和骨料粒径等因素对混凝土强度的影响. 试验方案及试验结果见表1.
3. 3 试验结果分析
分析表1试验结果,可以得出如下结论:
(1) 试样3掺加了高效减水剂,骨料粒径较小为10 mm, 28 d强度达到了C 100的要求,说明高效减水剂和较小的骨料粒径是制备高强混凝土的必备条件.
(2) 试样2与试样3对比,粗骨料的最大粒径DM 增加,水泥浆与骨料的粘结面积减小,因此, 28d强度降低19%.
(3) 试样1未掺加高效减水剂,尽管用水量较多,但混凝土拌和物的坍落度仅为60 mm,类似于普通塑性混凝土. 由于W /C较低,混凝土拌和物粘度很大,无法与普通塑性混凝土一样易于密实成型,实际上无法完成现场施工.
(4) 试样4与试样3对比,由于掺加了缓凝剂葡萄糖酸钠,调整了水泥的水化过程,使水泥的水化产物分布比较均匀,从而改善了混凝土的内部结构,因此,混凝土28 d强度提高了约7%.
(5) 试样5与试样3对比,掺加10%的复合超细粉(等量取代水泥) ,混凝土拌和物的和易性有所改善, 28 d强度提高10%.
(6) 试样6与试样3对比,在同时掺加缓凝剂和复合超细粉时,混凝土拌和物的和易性有较大改善,混凝土强度提高11．4%.上述试验研究表明:掺加减水剂、缓凝剂、复合超细粉和采用较小的骨料粒径是获得高强混凝土的有效技术途径.
[参 考 文 献]
[1] 迟培云,李余波,杨 旭,等. 现代混凝土技术[M ]. 上海:同济大学出版社, 1999: 48.
[2] 重庆建筑工程学院,南京工学院. 混凝土学[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1981: 50 - 126.
[3] 符 芳. 建筑材料[M ]. 南京:东南大学出版社, 2001:102 - 129.
[4] 蒲心诚. 超高强高性能混凝土[M ]. 重庆:重庆大学出版社, 2004: 11 - 78.
[5] 青岛理工大学. 土木工程科学技术研究与工程应用[M ]. 北京:中国建材工业出版社, 2004: 273 - 276.
[6] 洪锦祥. 人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究[ J ]. 公路交通科技, 2005, 22 (11) : 84 - 88.
[7] 张志权. 高强混凝土非结构性裂缝形成原因及控制方法[ J ]. 混凝土, 2005, 192 (10) : 56 - 58.
