超高强度硅酸盐混凝土论文

2024-08-25

超高强度硅酸盐混凝土论文篇1

关键词：超高强度硅酸盐混凝土,试验,设备,减水剂,钢纤维

引言

混凝土的高强度化, 是通过掺加少量新型高效减水剂达到大幅度减水 (低水、水灰比) 和硅粉的应用目的。由于硅粉本身就是一种超细微粒的混合材料, 具有很强的火山灰反应活性, 硅粉的这种特性使混凝土的结构组织细密化, 能够轻而易举地使混凝土的强度达到50N/mm2以上。也因此超高强硅酸盐混凝土的应用越来越广泛[1], 本文所研究的超高强硅酸盐混凝土的制备方法基于常规原材料及成型工艺。本文中的试验试件是在压力成型, 水热合成200℃蒸压养护8h条件下制备, 且在满足易和性的前提下进行的。

1 制备方法及材料特征

1.1 制备方法

在超高强度硅酸盐混凝土的制备过程中, 需要准备胶砂搅拌机、水泥胶砂振动台、快开式回转搅拌反应釜、30t液压式压力机、10t万能材料试验机、200t液压式压力机、体式锰微镜、XRD衍射仪、扫描电镜等工具。超高强硅酸盐混凝土的制备流程如下:首先需要在混凝土中添加高强骨料;若使混凝土的结构细密化, 要使用细砂, 这就需要从中剔除粗骨料;将适量的活性矿物质 (硅灰) 掺入其中;在达到水热合成的条件下并压力成型后再掺入适量的钢纤维。

1.2 原材料及其基本特征

1.2.1 砂

本试验中采用石英砂, 其要求为细砂 (最大粒径600ηm, 平均粒径约为250ηm) , 其化学成分如表1所示。

1.2.2 水泥

本次试验中, 所使用的水泥为——普通硅酸盐水泥 (P.O52.5) 。其化学成分如表2所示。

1.2.3 硅灰

本试验采用的硅灰外观为灰白色粉末, 其耐火度大于1600℃, 容重为200~250kg/m3。硅灰的细度要求为0.1~0.3μm (平均粒径) , 比表面积为20~28m2/g。硅灰的细度和比表面积为水泥的80~100倍, 粉煤灰的50~70倍。硅灰的化学成分见表3。

硅灰的颗粒形态与矿相结合后, 形态为表面较为光滑的非结晶无定形圆球状颗粒, 还有些形态为多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。

1.2.4 石英粉

本试验所使用的石英粉是利用机械 (球磨机) 对其球磨加工2h而成, 其平均粒度为40μm, Si O2含量为97.94%, 采用相关仪器 (透气比表面积仪) 测出比表面积为4066.7cm2/g, 其化学成分如表4。

1.2.5 减水剂

本试验所选减水剂为聚羧酸系减水剂 (掺量低、减水率可达30%) , 提高混凝土的和易性能, 且无离析、泌水现象等特点。

1.2.6 钢纤维

本试验采用的是平直钢纤维 (抗拉强度>2000MPa) ;长纤维直径0.2mm, 长度13mm;短纤维直径0.2mm, 长度6mm。

1.2.7 试验工艺流程图 (见图1)

2 力学性能研究

通过对超高强度硅酸盐混凝土基本力学性能的研究, 分析水灰比、硅质材料掺量、砂灰比、钢纤维种类及掺量、减水剂掺量、钙硅比等各材料配合比因素对其性能的影响, 以达到超高强度硅酸盐混凝土的最优配合比[2]。

2.1 水灰比对混凝土基体的影响

一般来说, 影响混凝土强度的基本要素是水灰比, 水灰比率越低, 混凝土的材料性能就越高, 我们将此关系称之为水灰比定则。本试验在满足和易性的前提下, 水热合成200℃, 蒸压养护8h, 振动成型的条件下制备, 分析水灰比率为0.20、0.21、0.22时, 对超高强混凝土强度所产生的影响, 配合比如表5。

注:减水剂含量为胶凝材料的百分比。

以上试验显示, 骨料未形成刚性骨架, 而形成了分散相, 其原因在于减小了骨料的最大粒径和所占比例。可见, 混凝土性能的关键因素在于基体的质量。而水泥以及火山灰质材料等多种胶凝材料组成了混凝土的基体, 也就是说水灰比对混凝土的基体的影响至关重要。水灰比的高低决定着基体中的孔隙率。孔隙率越低, 混凝土的密实度越高, 同时强度也相应增高。

2.2 砂灰比对混凝土强度的影响

骨料与浆体之比称为砂灰比, 其对混凝土强度的影响与内部结构的匀质性密切相关。本试验使用最大粒径不超过600ηm的砂料[3]。本试验分析砂灰比为0.5、0.8、1.1、1.4时, 对超高强度混凝土性能的影响, 配合比如表6。

上表显示, 混凝土的抗压强度随砂灰比的变化而反方向变化。当砂灰比在0.8时混凝土的抗压强度值最大。其原因如下:一般在超高强度混凝土中的水灰比较小。伴随强度的提高, 砂的粒径、用量、品种、性能对混凝土的流动性、强度和耐久性都有较大影响;本试验中, 砂的弹性模量 (70GPa) 要比浆体的弹性模量 (18~22MPa) 高出很多, 从而导致混凝土内部的砂浆与骨料两者在力学性能上的极大落差, 最终造成硅酸盐混凝土结构的匀质性较差;水泥石在粗集料界面上 (即过度区) 产生剪力和拉力作用力的原因归结于“骨料较高的弹性模量能改善多种收缩的原理”。正是这种收缩原理造成水泥石在过度区域形成了混凝土的薄弱区, 而所产生的剪力和拉力随颗粒尺寸的增大而相应增加。然而, 当剪力和拉力的同时作用力超过其粘结强度时, 混凝土开裂现象就会频现。可见, 要想最终达到提高混凝土强度的目标, 必将减小混凝土中浆体和骨料两者在性能上的差别。而减小此种差别的关键在于:首先要减小混凝土中骨料的最大粒径, 然后再降低骨料在混凝土中所占的比例, 同时浆体的力学性能也得到提高。

另外, 事实证明, 砂灰比在抗折强度方面的影响并不明显, 原因是由于混凝土属于脆性材料, 而脆性材料的抗折强度对缺陷的敏感度比较明显, 但抗折强度的基准值仍然会处于一个范围内, 本试验制备的试件抗折强度处于287~362MPa。

2.3 硅灰掺量的影响

因为在热养护下无定形水化产物会全部转化为钙硅摩尔比为5/6的C-S-H凝胶, 所以在试验中, 氧化硅与水泥之比定为0.62。本试验硅灰掺量分别为0、0.2、0.25、0.3、0.35时对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。

2.4 减水剂掺量的影响

本试验分析减水剂掺量分别为0%、1%、2%、3%、4%时, 对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响。

2.5 不同水泥对抗压强度的影响

本试验分析自制水泥对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响, 如表7所示。

上表显示:试件的抗压强度及抗折强度受砂含量的变化影响极小;另外, 如果用自制水泥替代普通硅酸盐水泥制备的试件, 即使掺加3%的钢纤维, 其抗压强度及抗折强度 (240MPa左右) 几乎得不到明显提高。而在同工艺同养护条件下, 用普通硅酸盐水泥制备的试件, 只掺加2%的钢纤维, 抗压强度就可明显提高到282MPa。

2.6 添加不同掺量I型高强骨料的力学影响

本试验分析加入不同掺量的I型高强骨料, 对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响 (见表8) 。

2.7 添加不同掺量II型高强骨料的力学影响

本试验分析添加不同掺量的II型高强骨料, 对超高强度硅酸盐混凝土力学性能的影响 (见表9) 。

注:II型高强骨料和砂的总质量与水泥的比。

上表显示, 在超高强度硅酸盐混凝土中加入II型高强骨料, 其抗压强度和抗折强度随掺量的增加而呈下降趋势。同时, 掺50%和100%II型高强骨料颗粒的试件与全掺石英砂的试件相比, 抗压强度分别下降8%和14%[4]。其原因主要有两方面:一方面II型高强骨科颗粒形态不规则, 且棱角比较明显, 当受到压力时容易引起应力集中, 而形态近拟圆形的石英砂却与基体有较好的结合性能;其次是II型高强骨料的弹性模量高于石英砂的弹性模量, 与基体的弹性模量型高强骨料形成整体匀质性。

本文基于超高强度硅酸盐混凝土力学性能的研究, 得出了各种强度指标、变形模量与混凝土抗压强度的力学性能关系, 才更加深入地了解和认识超高强混凝土的力学性能。同时, 也为超高强混凝土的应用奠定了关键基础, 使其朝着强韧化、轻量化、多功能化和高效化的方向发展。

参考文献

[1]李建强.高韧性纤维增强水泥基复合材料试验研究[D].长安大学, 2012.

[2]西林新藏.日本的超高强混凝土与绿色混凝土[A].第三届两岸四地高性能混凝土国际研讨会论文集[C].

[3]蔡苇.聚羧酸高性能减水剂的制备及性能研究[D].中北大学, 2013.

超高强度硅酸盐混凝土论文篇2

关键词：高强度；混凝土；建筑；质量

前言

现代的工程建设既要讲究速度又要保证质量，高强度混凝土由于其所具有的抗压能力、抗性变能力强，密度大等特点，在提高施工速度的同时保证了工程质量，在增大建筑有效空间的同时节约了成本，在现代的工程建设中大受欢迎。如何在建筑施工中应用高强度混凝土是个广受关注的问题，本文结合高度混凝土自身特点，对其在建筑施工中的应用进行了一些分析，希望能够高强度混凝土在建筑施工中的应用有所帮助。

1.高强度混凝土的特点

（1）密度大、强度高。高强度混凝土中水、水泥的含量较低，在砂石之外又加减水剂及煤粉灰等掺合物，硬化之后孔隙率低，密度大，在面临同样的承重要求时只需较小截面的柱子就可满足要求，这样一方面减轻了建筑的结构自重，另一方面扩大了建筑的有效空间，既减少了成本又扩大了空间，并可有效加快工程速度。

（2）抗形变能力强。高强度混凝土含水量低，在硬化过程中水化热低、体积稳定，冷却过程中缩变较小，抗形变能力强，不易发生裂缝和形变，使结构具有很高的刚性，其弹性模量高，有效的降低了应力钢筋的损耗，可有效降低构件截面面积及结构自重。

（3）抗渗性强。高密度、低孔隙率使高强度混凝土具有很强的抗渗性，这样就能很好的抵抗化学物质及其他物质的侵蚀作用，能够延长构件的使用年限，从而延长建筑的寿命。在较为恶劣的环境下，宜使用高强度混凝土来构造其建筑构件。

2.高强度混凝土的配制

2.1高强度混凝土原料的选用

（1）水泥。水泥可选用普通的硅酸盐水泥，但其等级不能低于42.5。需反复进行实验验证，水泥的质量要达到GBJ175-85《硅酸盐水泥，普通水泥》的质量要求，才能进场。

（2）骨料。骨料包括粗骨料和细骨料。粗骨料作为高强度混凝土的主体部分，其性能的高低对高强度混凝土强度和抗形变性能影响巨大，应选用质地较好的花岗岩、辉绿岩、石灰岩等的碎石或碎卵石充当粗骨料，这对混凝土的强度的提高至关重要。其规格要求以粒径0.5～2.0cm为宜，最大不得超过3.2cm，形状最好是正方或近正方体，其中针片状颗粒含量不能大于5%，承压指标在9～12内为合格，其他各项按JGJ53-79《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》要求为准。细骨料要求中砂，选料以硬度较强的人工砂及河砂为佳，容重要求约在1420kg/m3，孔隙率约在42%，级配良好，其他方面要求不高，但不宜含过高的粘土和云母（含泥量不高于2%），粘土含量高会影响混凝土的强度，同时也会增加拌料的用水量使高强度混凝土的性能受到影响。

（3）外加剂。高强度混凝土中所用添加剂有多种，以减水剂和缓凝剂为主，添加剂对混凝土的性能影响重大。在进行外加剂的选用时，应反复进行试验，直至达到质量要求。减水剂的使用也能够有效降低混凝土中的含水量，对于增强混凝土密实度、抗渗性能、钢筋构件的抗蚀性能都十分有利，但用量过高会影响其耐久性，最好选择含有缓凝剂的减水剂。

2.2高强度混凝土的配制

（1）混凝土的强度要求越高，其含水量要求就越低。高强度混凝土对于水灰比的要求通常不能高于0.35，混凝土强度要求在80～100MPa及以上的，其水灰比在0.30以下。通常运用外加减水剂和掺合料来控制水灰的和易性，并尽可能的减少含水量。

（2）水泥要求一定要用优质水泥，水泥强度要求用量通常在400～500kg/m3，混凝土强度要求超过80MPa的用量则要在500kg/m3甚至以上。但应尽量减少水泥用量，可用外加矿物掺合料的方法对其进行控制。

（3）含砂量。含砂率通常以26～32%为宜，运用泵送工艺时应控制在32～36%的范围内。

3. 高强度混凝土在高层建筑中的施工应用

高层建筑高强度混凝土施工包括搅拌、运送、浇筑入模、振捣密实与养护。

3.1混凝土搅拌

（1）高强度混凝土最好使用强制式搅拌机拌制，不宜使用自落式搅拌机。

（2）高强度混凝土拌合物出及以后，经过一段距离运输，坍落度下降，如果下后的坍落度仍可泵送时，最宜使用集中搅拌站的商品混凝土，因为在搅拌站里原材料计量精确，质量较好。如果运输距离太远，运到工地的混凝土拌合物已不具泵送性能時，则宜设立工地临时混凝土搅拌站，就地搅拌，工地临时搅拌站虽不如集中搅拌站拌制的混凝土计量精确，但是它没有坍落度损失，拌合物出机后即可浇筑，这对水灰比低的高强度混凝土有特殊意义，但占地较大。

（3）搅拌高强度混凝土的原材料计量必须精确，各种原材料宜分别计量入机，不宜在同一配料斗中连续计量，宜用自控的电子计量。计量允许偏差应严格控制。

（4）搅拌高强度混凝土投料顺序是：先投入粗、细骨料及水泥等干料，搅拌均匀后加水，继续搅拌，外加剂最后投入，再搅拌均匀后，即可出机使用，使用集中搅拌站商品混凝土时，流化剂也可在混凝土拌合物运到浇筑地后投入，搅拌均匀使用，后投流化剂的效果比先投更好。

3.2混凝土拌合物运输

高强度混凝土长距离运送须使用搅拌运输车。

3.3混凝土浇筑与振捣

高强度混凝土拌合物浇筑入模与振捣，其目的是要使混凝土密实，达到内实外光的要求。

混凝土浇筑入模时，要保证水泥砂浆与粗骨料不分离，为此在浇筑混凝土时，对混凝土拌合物自由倾落高度要加以限制。

在高层建筑施工中，经常会遇到施工图中钢筋排列特密，造成混凝土拌合物不穿过钢筋或震动棒无法插入，混凝土无法达到振捣密实。对于这样的问题，要与设计部门协商，请设计部门为施工创造条件，使混凝土拌合物能够穿过钢筋，振动棒可以插入，达到振捣密实。

对于不用强度等级混凝土施工接缝问题。相连接的结构使用不同等级混凝土，应先浇筑高强度级的混凝土，再浇筑低强度级的混凝土，也可同时浇筑，但不应使低强度混凝土流入高强度级结构部位中去，分两次浇筑时，宜在高强度级混凝土凝结前就浇筑低强度级混凝土，以减少施工缝，但两种强度等级的混凝土，宜使用同一品种水泥。

3.4竖向结构顶端处理

柱、剪力墙与梁、板一齐浇筑结构，在柱、剪力墙混凝土浇筑梁或板下皮处时，暂停浇筑60-90分钟，待其竖向混凝土充分沉落后，再浇梁板混凝土。柱、剪力墙与梁板分两次浇筑的结构，柱、剪力墙浇筑到顶后，在混凝土凝结以前除清除上部泌水外，并须将顶部无粗骨料的水泥砂浆（即浮浆）清除，至有粗骨料为止。

4. 结束语