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现代混凝土的特点

楼主:混凝土信息网 时间:2021-02-23 08:15:51


0 引言

水泥混凝土是最大宗的人造工程材料。中国2007年生产了超过25亿m3的混凝土,位居世界第一。由于我国目前仍然处于高速建设时期,对于混凝土的需求稳定增长,根据专业研究机构的预测,今后几年,中国的混凝土产量仍然会保持6%~8%的年增长率。

硅酸盐水泥混凝土近200年的发展史中,其组成、生产与施工技术都在不断进步,逐渐形成了具有鲜明时代特点的现代混凝土。现代混凝土的出现是建筑结构形式进步的要求,又基于科学技术的发展;同时也促进了施工技术和结构工程的进步。1918年美国的D.Abrams提出著名的水灰比定则,认为混凝土的强度在一定范围内与其水胶比成线性关系,这使混凝土的配合比设计有了科学根据。20世纪60年代日本和德国分别开发出萘磺酸盐系和三聚氰胺系的高效减水剂,改变了混凝土传统配制技术,促进了大流动性混凝土的广泛应用。这堪称混凝土材料科学技术发展的两个里程碑。

1 现代混凝土的特点

现代混凝土是以工业化生产的预拌混凝土为代表,以高效减水剂和矿物掺合料的大规模使用为特征。现代混凝土减小了混凝土强度对水泥强度的依赖,拌合物的流变性能更加突出,保证混凝土结构耐久性的要求日益增强,在生产和使用过程中需满足可持续发展的原则。现代混凝土最重要的特征是高的均质性,至于是否一定包含某特定组分,要求某个特定的性能,则完全由工程实际需要而定。现在一些行业部门规定高性能混凝土必须使用聚羧酸减水剂,是没有道理的。虽然在配制高强度大流动性混凝土时,使用高减水率的聚羧酸减水剂有很大优势;但对于低强度等级的混凝土,由于胶凝材料用量小,水胶比大,使用聚羧酸减水剂反而难于保证拌合物的均质性。

传统混凝土一般由水泥、砂、石、水四种原料拌和而成;而现代混凝土除了上述四种原料外,还需要掺加矿物掺合料和多种化学外加剂,其组分可以达到十种以上,某些组分的掺量只有胶凝材料用量的万分之几。如此多的组分、如此少的掺量,如不采用高精度的计量装置和强力的机械搅拌设备,很难做到快速均匀搅拌。现代混凝土对于均质性的要求很高,除了要求原材料的品质稳定外,严格的生产过程控制是重要措施。这些只能在自动化程度高的混凝土搅拌站才能实现。

2 现代混凝土配合比设计方法

现代混凝土的强度范围很宽,目前我国的建筑结构设计规范涵盖的钢筋混凝土强度等级从C20到C80,在实际工程中,已有使用C115强度等级混凝土的案例。虽然使用水泥的强度等级都是32.5、42.5或52.5,但是混凝土的强度等级却可以大幅度变化,混凝土强度和水泥强度之间不再有线性关系。虽然Abrams水灰比定则仍然有效,但是现代混凝土配合比设计时,已不再用其来计算混凝土的配制强度。

减水剂的普遍使用,可以在保持混凝土拌合物工作性不变的前提下,大幅度改变其水胶比,获得不同强度等级的混凝土。现在使用的胶凝材料,除硅酸盐水泥外,还有各种矿物掺合料。有的矿物掺合料可以提高混凝土的早期和后期强度,如硅灰;有的则会降低其强度,如粉煤灰。近年来一些基本是惰性的矿物细粉,如石灰石粉,也作为矿物掺合料加入到混凝土中,以改善混凝土的某些性能。不同组成的胶凝材料,其强度发展性能各不相同。在实际生产时,不可能事先测定所用复合胶凝材料的强度发展规律,然后开始混凝土配合比设计。在传统混凝土中,用水量和水泥用量通过水灰比确定则保持线性关系;而在使用减水剂和矿物掺合料的现代混凝土中,用水量和复合胶凝材料用量是作为两个独立的变量加以考虑。在现代混凝土配合比设计时,需要同时考虑用水量和复合胶凝材料用量的变化对于强度的影响。所以现代混凝土的配合比设计远比传统混凝土复杂,需要考虑的因素多。惰性粉料,如石灰石粉,是应将其归入胶凝材料,还是计入砂,目前也是一个悬而未决的问题。由于现代混凝土的复杂多变,其配合比设计的技术水平就相差很大。目前预拌混凝土搅拌站多是根据经验设计混凝土的配合比,尚没有一个被广泛接受的实用化现代混凝土配合比设计方法。近年来许多人致力于发展基于人工智能原理的计算机化的混凝土配合比设计方法,如利用“神经元”和“灰色系统”等,开发出全计算设计程序。但是大量配合比设计人工智能方法的研究都在低水平上重复进行,所开发的计算方法存在这样那样的缺陷,需要大量的原始参数,计算过程不能灵活调整,难于适应复杂多变的原材料和施工现场情况,不能得到实际应用。研究与应用脱节的现象在这里表现得很突出。

现代混凝土配合比设计时需要同时考虑力学性能、工作性和耐久性。这些性能的一个重要影响因素是混凝土的“浆骨比”。一般认为高性能混凝土的最佳浆骨比大约为35∶65。对于传统混凝土,人们认为浆骨比不会明显影响其强度性能和耐久性,因此主要根据工作性高低来决定浆骨比的大小,可根据经验选择用水量来实现。现在许多地方的骨料的孔隙率超过40%,而混凝土的各种性能要求又很高,优化混凝土的浆骨比就非常重要了。在复合胶凝材料中,各种组分的密度差别较大,如硅酸盐水泥的密度为3.2,粉煤灰的密度小于3,石灰石粉的密度只有2.65。在同样的浆体量的情况下,不同组成的胶凝材料的浆体体积可有较大变化,导致混凝土的浆骨比发生变化,最终影响混凝土的性能。对于组成复杂的现代混凝土,应该使用体积法计算配合比,而不是用重量法。

3 化学外加剂与胶凝材料的相容性

化学外加剂与胶凝材料的相容性好坏是现代混凝土需要重点考察的问题。现代混凝土组成复杂,在加水拌和后,各种组分都开始化学反应和物理变化,相互间有可能产生不协调的变化,导致不相容。目前最严重的不相容现象发生在聚羧酸减水剂与萘系减水剂同时使用时,这导致拌合物板结,流动性迅速降低,无法浇筑。减水剂与硅酸盐水泥之间偶尔也发生不相容现象,现象为减水剂掺量饱和点大、流动性损失加大、泌水、离析等。

混凝土组分间不相容现象发生的原因尚不十分清楚,因为对于减水剂在水泥水化过程中随时间变化的作用机理尚没有完全明了,多种组分间的相互作用机理就更难于了解了。对于聚羧酸减水剂与萘系减水剂不相容的问题,最简单的解决办法是将两者彻底分开,不使其接触。在从一种减水剂换用到另一种减水剂时,需要将搅拌机、输送系统、混凝土罐车和泵清洗干净,不能马虎。曾有搅拌站在换用聚羧酸减水剂时,仅因为混凝土罐车没有清洗干净,而发生新拌混凝土板结,丢掉了一个大工程的任务。对于减水剂与胶凝材料不相容的问题,一般都认为是减水剂的问题,通过调整减水剂配方,大多能够改善。但是胶凝材料也是关键的一方。某些水泥与大多数减水剂的相容性不好,就主要是水泥的问题了。影响水泥与减水剂的相容性的因素有水泥中可溶碱含量、SO3含量、可溶碱与SO3比值、熟料中C3A 含量、混合材的种类与掺量等。一些因素涉及水泥生产的原料和烧成工艺,难于调整。水泥中混合材的偶然变化是混凝土搅拌站难于知晓的因素,例如由于原料供应的原因,临时将矿渣换成煤矸石,虽然水泥强度基本不受影响,但与减水剂的相容性却改变了。如果减水剂不作相应调整,就容易发生相容性不良的问题。因此混凝土搅拌站在购买水泥时,要求水泥厂提供包含混合材种类和掺量的产品检验报告是很必要的。国家标准GB175—2007《通用硅酸盐水泥》明文规定水泥厂必须提供产品检验报告,但是许多搅拌站却忽视了自己的权利。

4 矿物掺合料的合理使用

矿物掺合料已是现代混凝土中不可缺少的组分。但是如何合理正确地使用矿物掺合料却仍然是混凝土材料供应商、结构工程师、工程监理和标准制订者共同面对的问题。

首先是胶凝材料的定义尚不明确。在20世纪50年代我国的标准体系开始建立时,混凝土所使用的胶凝材料只有硅酸盐水泥,其混合材掺量范围很小。所以当时制订的标准中均写明最低水泥用量,但不规定所使用的硅酸盐水泥品种。沿袭到现在,许多标准中仍然规定有最低水泥用量,但观念已经发生了变化,水泥实际上是指广义的胶凝材料,包括工厂内生产的成品水泥和现场掺加的矿物掺合料。狭义地理解标准中的最低水泥用量必须是工厂内生产的成品水泥已没有意义。PS矿渣硅酸盐水泥中矿渣的含量可达70%,而PI硅酸盐水泥中不含混合材。即使同样的用量,这两种水泥提供的硅酸盐水泥熟料量是完全不同的,对于混凝土性能的影响也有很大差异。所以在混凝土配制时,重要的不是控制最低水泥用量,而是最低硅酸盐水泥熟料用量。虽然许多标准在涉及水泥用量时,都在注解或条文说明中讲明,水泥用量包括硅酸盐水泥和各种矿物掺合料。但是监理工程师和行政管理部门却常常忽略了这些说明,僵硬地执行标准的条文规定,不利于混凝土配合比的科学设计。

矿物掺合料的合理使用必须考虑具体的应用对象。由于目前硅酸盐水泥的强度较高,调控混凝土强度的手段也多,所以对于一般强度等级的混凝土,如果仅考虑满足其设计强度要求,矿物掺合料的掺加比例可以很大。但是如果同时考虑耐久性,则某些部位的混凝土,其矿物掺合料的掺加比例就要有所限制。底板混凝土长期处于较为潮湿、不接触CO2的环境,没有发生碳化的危险,只要能满足强度要求,其矿物掺合料的比例可以不用控制。由于矿物掺合料比例高,其水胶比相应较低,其抗渗性较好,其抵抗水溶性侵蚀介质作用的能力高,耐久性好。所以大掺量矿物掺合料混凝土特别适用于大体积底板。在大体积混凝土结构内部,胶凝材料水化放出的热量不易散失,长期维持较高温度,可促进矿物掺合料的水化反应,激发其潜在活性,使混凝土的强度发展加速。所以大体积结构内部的大掺量矿物掺合料混凝土的强度高于标准条件下养护的试件强度,这与纯硅酸盐水泥的特性不同。

大掺量矿物掺合料混凝土如果养护不充分,则会大大阻碍其微结构发展,增加孔隙率,影响其各种性能发展。对于处于大气环境中的结构,如果所用混凝土中掺加的矿物掺合料比例过大,则其抗碳化的性能可能变差。因此对于上部结构,所用混凝土中的矿物掺合料比例要加以限制。目前一些涉及耐久性的标准对于矿物掺合料的掺加比例是有所限制的。但是许多人常常忽略了这种限制是以硅酸盐水泥熟料量为计算基准的。目前最常用的普通硅酸盐水泥至少含有20%的混合材。如果以水泥为基准计算矿物掺合料的掺加量,则硅酸盐水泥熟料的量就大大减少了,可能达不到耐久性的要求。

5 其他特种材料的应用

现代混凝土中,除了常规的胶凝材料、砂、石、减水剂和水外,还可能使用一些特种材料,如膨胀剂、纤维材料、引气剂、稠度调节材料、密度调节材料、耐久性增强材料等。由于这些材料只在一些特殊场合使用,产品变化也快,所以混凝土生产商对其原理和用法了解不多,需要在材料供应商和专家的指导下使用。材料供应商为了促进销售,常会夸大材料的作用,诱导业主使用一些并不必要的材料。最常见的例子是普通合成纤维在混凝土中的应用。这种低弹性模量的合成纤维对于刚浇筑的混凝土抵抗塑性开裂,或增加砂浆的抗裂性是有作用的;但是利用它改善硬化混凝土的抗裂性能是不切实际的。纤维生产商常有意忽略这种差异,仅宣传掺加合成纤维能增加混凝土的抗裂性。曾有一个纤维生产商宣称,掺加其生产的聚丙烯纤维的混凝土,其28d韧性系数能达到3。但检测发现按其推荐掺量制备的混凝土的韧性根本没有增加。另外一种常常夸大其词的材料是混凝土防腐剂。一种每吨售价达数千元的防腐剂,我们检测的结果显示,其主要成分是粉煤灰和石膏。对于种类繁多的特种材料,混凝土制造商需要多学习、多了解,亲自试验验证其作用,然后再决定是否使用。

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