【摘要】本文阐述了高性能混凝土用水量的取值原则, 对高性能混凝土用水量的计算及实现高性能混凝土低用水量的技术途径进行了探。
【关键词】高性能混凝土; 用水量; 高效减水剂
1.高性能混凝土用水量的取值原则
1.1 保证高性能混凝土工作性需要
混凝土工作性特性是流动性, 主要取决于混凝土单位用水量。我国现行混凝土设计规范中混凝土用水量的取值是依据混凝土坍落度和石子最大粒径确定的。设计高性能混凝土配合比时, 用水量仍以满足其工作性为条件, 按规范所列经验数据选用。
1.2 根据混凝土强度等级设定最大用水量
高性能混凝土的早期开裂问题已引起国际混凝土界的关注。由于高性能混凝土水胶比低, 混凝土水化引起的早期自收缩有时达到混凝土总收缩的50%, 因而对于早期(甚至在初凝后)养护不当的高性能混凝土, 常出现早期开裂。解决问题的主要途径是: 采取多种手段, 加强早期湿养护; 降低胶凝材料用量, 减小混凝土总收缩值。对于后者, 最有效的办法是降低单位用水量, 常通过掺用高效减水剂来实现。在这方面, 美国学者, 设定高性能混凝土中水泥浆与集料的体积比为35∶65, 对不同强度等级的混凝土设定用水量。日本学者则设定: C50～C60混凝土, 单位用水量为165～175kg/m3; C75 以上混凝土, 单位用水量为150kg/m3, 对C75 混凝土, 强度每增加15MPa, 每立方米混凝土用水量减少10kg。
2.高性能混凝土用水量的计算
2.1 计算公式
对于密实的混凝土, 胶凝材料浆的体积应略多于集料的空隙率。根据吴中伟先生的研究结果, 砂石配合适当时, 集料最小空隙率为:α=(视密度—体积密度)/视密度(1)α通常在20～22%之间。在进行混凝土配合比计算时, 根据原材料与工作性的要求, 决定胶凝材料浆量的富余值(β)。对于大流动性混凝土, 富余值为9～10%[1]。
1 立方米高性能混凝土中胶凝材料的重量J(kg)由式(2)计算:
式中Pi———胶凝材料各组分占胶凝材料总量的百分数;
γi———胶凝材料各组分的密度, g/cm3。
则高性能混凝土用水量W(kg/m3)的计算公式为:
W=J×水胶比(3)
2.2 计算外加剂减水率
对于不掺减水类外加剂的混凝土, 其用水量可参照JGJ55 中的规定取值。借助于数值分析方法可知: 混凝土单位用水量对粗集料最大粒径的偏导数与粗集料最大粒径的乘积是该偏导数与粗集料最大粒径的线性组合; 单位用水量与坍落度成线性关系。经数学推导, 可得到使用碎石和卵石的混凝土用水量W1 和W2 计算公式如下:
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 为粗集料最大粒径(mm); Z 为坍落度表征值, 当坍落度为10～30、30～50、50～70、70～90mm, Z 分别为1.3、3.5、5.7、7.9; [ Z/7] 为取整函数。
当混凝土坍落度小于等于70～90mm 时, 外加剂减水率u(%)计算公式如下:
u1≥100(W1-W)/W1 (6)
u2≥100(W2-W)/W2 (7)
对于大流动性混凝土和泵送混凝土, 先计算坍落度70～90mm 时的用水量, 再计算对应于此用水量的减水率u0, 将计算结果加10～12即为所需减水率。
3.实现低用水量的技术途径
3.1 掺用高效减水剂
高效减水剂是高性能混凝土必不可少的组成材料, 其有效组分的适宜掺量为胶凝材料总量的1%以下, 并应控制引气量。合适的高效减水剂有: (1)磺化三聚氰胺甲醛树脂高效减水剂。该品种减水剂减水分散能力强, 引气量低, 早强和增强效果明显, 产品性能随合成工艺的不同而有所不同。(2)高浓型高聚合度萘系高效减水剂。低聚合度的萘系减水剂, 引气量大, 不宜用于高性能混凝土。(3)改性木质素磺酸盐高效减水剂; (4)复合高效减水剂, 包括缓凝高效减水剂。为使混凝土用水量达到140～170kg/m3, 外加剂减水率不得小于25～30%。减水剂用量可按表1 建议掺量选用。
必须注意, 市售某些品牌的萘系减水剂, 引气、泌水偏大, 减水率满足高性能混凝土要求, 但水泥用量大, 混凝土性能差, 不宜选用。SM系减水剂, 因合成条件不同, 对混凝土坍落度经时变化的影响也不同,选用时应予重视。
3.2 掺用活性磨细材料
活性磨细材料又称矿物外加剂, 用于高性能混凝土具有显著的优越性, 和高效减水剂共同使用, 既可减少混凝土用水量(矿物外加剂具有一定的减水分散作用), 又可节省水泥, 降低混凝土成本, 提高混凝土性能。
3.3 严格选材
与普通混凝土相比, 高性能混凝土的石子最大粒径通常小于25mm(C50 混凝土石子最大粒径可放宽到31.5mm); 砂的细度模数宜为2.6～3.0[1] ; 磨细矿渣细度应在4000cm2/g 以上, 或选用Ⅰ, Ⅱ级粉煤灰。在实际应用中应将重点放在砂石原材料的选用上, 因为往往施工单位不能保证石子具有连续级配, 砂的细度模数有时达不到2.6。对于前者, 可用两种或两种以上石子配合使用来加以解决, 而对于后者, 应尽量满足要求, 以使砂石最小混合空隙率在20～22%之间。
作者曾做过这样一个试验: 用ISO 法测定的P.Ⅱ42.5 级硅酸盐水泥, 5～16mm 及16～31.5mm 碎石, FM等于2.8 砂, Ⅰ级粉煤灰, SM高效减水剂(掺量为胶凝材料的0.6%), 配制C50 混凝土。当单独使用16～31.5mm 石子时, 混凝土配合比为: C+FA480kg/m3, 砂kg/m3, 石子1150kg/m3, 水167kg/m3。当用两种石子混合使用时, 混凝土配合比为:C+FA400kg/m3, 砂756kg/m3, 5～16mm 石子397kg/m3, 16～31.5mm 石子737kg/m3, 水160kg/m3。试验结果表明, 砂石及其配合, 对混凝土配合比影响较大。
4.结束语
高性能混凝土的应用已较普及, 但应用技术尚待完善。本文提出高性能混凝土用水量的问题, 旨在与混凝土工程技术人员共同探讨高性能混凝土的配合比及材性, 交流应用经验, 以利推广。
