浅谈高性能混凝土质量控制与评定

2023-01-30

1 高性能混凝土综述

1.1 高性能混凝土的基本概念

随着现代社会的发展、科学技术日新月异的进步, 被认为是耐久性最好的传统建筑材料之一的混凝土, 其内涵也发生着日新月异的变化, 尤其是其性能, 即为了适应现代化施工所需要的拌合物的性能。为了与传统的混凝土相区别, 称之为高性能混凝土 (HPC) 。高性能混凝土以耐久性为设计的主要指标, 针对不同用途和要求, 保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。高性能混凝土在配制上的特点是采用低水胶比, 选用优质的原材料, 除水泥、水、集料等原料外, 必须掺加足够数量的矿物掺合料和外加剂。近年来, 由于各国政府对高性能混凝土这一领域越来越重视, 对高性能混凝土的技术更新进行了大量的研究, 取得了丰硕的成果, 并在工程实践中进行推广应用。随着推广应用范围的扩大, 社会效益和经济效益日益显著。

1.2 高性能混凝土的性能

高性能混凝土的性能主要有如下几个方面。

(1) 拌合物的工作性能:为了在施工时易于操作且能保证质量, 高性能混凝土拌合物应具有良好的工作性。工作性包括充填性、可泵性、和稳定性 (抗泌水和抗离析性) 等概念。

(2) 高性能混凝土的耐久性:混凝土只要其渗透性低, 就有良好的抵抗水和侵蚀性介质浸入的能力。高性能混凝土由于水胶比低因而具有低渗透性, 所以其耐久性好。

(3) 高性能混凝土的强度:尽管高性能混凝土的水胶比范围较窄, 但强度范围却很宽。高性能混凝土在原材料和配合比上按耐久性进行设计, 抗压强度仍是检验其质量的重要指标。

1.3 高性能混凝土配制的技术途径

目前, 高性能混凝土配制的主要技术途径是除水泥、水、集料等原料外, 掺入适量的矿物掺合料和高效减水剂。

(1) 矿物掺合料:在高性能混凝土中掺入适量的矿物掺合料, 如硅粉、矿渣和粉煤灰等, 它们主要的活性成分是活性SiO2, 活性SiO2可与界面上的水泥水化产物Ca (OH) 2发生二次反应 (即火山灰反应) 生成水化硅酸钙凝胶, 水化硅酸钙凝胶沉积在界面的孔隙内, 从而提高了混凝土界面粘结强度和抗渗性。另外, 掺入的矿物掺合料取代了部分水泥, 能有效降低混凝土初期水化热, 从而减少温度裂缝。

(2) 高效减水剂:外加剂在混凝土中的应用, 对提高混凝土的强度、和易性、耐久性以及降低生产成本产生了十分明显的作用。在保持新拌混凝土和易性相同的情况下, 能显著降低用水量的外加剂叫混凝土减水剂, 又称为分散剂或塑化剂, 它是最常用的一种混凝土外加剂。对于高性能混凝土而言, 高效减水剂已成为必不可少的组分。高效减水剂掺入新拌混凝土中, 能够破坏水泥颗粒的絮凝结构 (如图1所示) , 起到分散水泥颗粒及水泥水化颗粒的作用, 从而释放絮凝结构中的自由水, 增大混凝土拌合物的流动性。

目前常用的高效减水剂有萘磺酸盐甲醛缩合物和氨基磺酸盐甲醛缩合物, 减水率可达15%～30%, 可以使混凝土水胶比降低, 同时获得很好的流动性。聚羧酸类减水剂是一类全新的高性能减水剂, 应用日益广泛, 掺该种减水剂的混凝土, 90min内坍落度基本无损失, 且不会引起明显缓凝,

矿物掺合料的作用是改善水泥石与骨料的界面结构, 提高界面粘结强度。高效减水剂的作用是在低水胶比情况下获得高流动性。两者共同作用的结果是使混凝土拌合物水胶比低、流动性大、硬化水泥石密实度高、与骨料粘结强度大。

2 高性能混凝土的质量控制

2.1 高性能混凝土原材料质量控制

从混凝土技术进展过程看, 混凝土材料体系组成正在由四元体 (水泥、水、砂、石) 向多元体系发展 (水泥、水、砂、石、矿物掺合料、化学外加剂等) , 高性能混凝土必须同时具有好的施工性能、满足结构设计的物理力学性能和优异的耐久性。因此混凝土组成体系的多元化是必然的, 这种多元化体系使正确选择原材料变得尤其重要。

(1) 水泥:除水泥标号外, 水泥矿物组成和细度都对高性能混凝土的性能有影响。一般来说, 配制高性能混凝土所用水泥其C3A含量 (质量分数) 应低 (一般不超过8%) , 而水泥中游离氧化钙、游离氧化镁和三氧化硫等有害成分应尽可能的少。高细度水泥早期强度增长很快, 但后期强度增长缓慢, 且水化热大, 所以水泥细度应合适。高性能混凝土由于掺加了外加剂, 因此水泥必须与所用外加剂相容性好。

(2) 掺合料:高性能混凝土以耐久性为主要设计指标, 普通硅酸盐水泥混凝土很难满足HPC综合性能要求, 因为硅酸盐水泥早期水化热较大, 混凝土坍落度损失大, 界面区的CH取向及其抗侵蚀性能差等弊端是硅酸盐水泥混凝土自身难以克服的问题。而粉煤灰等掺合料对混凝土工作性、力学性能及混凝土内部组成、结构的改善, 大大提高了混凝土的耐久性, 克服了硅酸盐水泥混凝土存在的许多潜在的及现实的问题, 因而这类能显著改善混凝土耐久性和工作性的掺合料是配制高性能混凝土必不可少的组分。配制高性能混凝土时, 宜采用优质掺合料。如对于粉煤灰, 一般采用粒径为10Lm的分级灰。

(3) 集料:与普通混凝土相比, 高性能混凝土强度高, 用水少, 因此集料的性能对混凝土的强度、工作性等将起到极其重要的作用。因此在配制高性能混凝土时, 应选用合适的集料。比如粗集料的强度、集料-水泥浆界面粘结强度对高强混凝土的强度影响很大, 因此所用粗集料其强度一般宜为混凝土强度1.5～2.0倍, 或压碎指标应低于10%。

(4) 外加剂:配制高性能混凝土的关键之一是选择与水泥相容性好的外加剂。外加剂与水泥的适应性较好时表现为:新拌混凝土工作性能得到明显的改善;根据需要能有效控制混凝土凝结时间;坍落度损失小;混凝土密实性好, 各龄期强度有较大的提高;混凝土各耐久性指标有较大提高。普通减水剂在正常掺量下减水率约8%～10%, 用量过大则又会导致过度缓凝或离析等现象出现。高效减水剂的掺量 (占胶凝材料质量分数) 一般为1%～2%。

2.2 高性能混凝土配合比的设计

2.2.1 配合比设计的基本原理

(1) 水灰比法则:根据这一法则确定水灰比, 以保证混凝土的强度和耐久性, 对高性能混凝土, 由于将矿物掺合料当作胶凝材料的一部分, 因此计算的应该是水胶比。

(2) 最大密实度法则:该法则的基本思路是各种材料互相填充空隙, 以达到混凝土密实度最大, 换言之就是各种材料的密实体积总和等于1m3绝对密实的混凝土体积。根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率, 以确保混凝土的强度、耐久性和经济性。

(3) 最小单位用水量法则:根据这一法则可在水胶比一定及原材料一定的情况下, 确定能满足混凝土工作性的最小用水量, 这和普通混凝土中的恒用水量法则相似。

根据上述三大法则, 可初步确定混凝土配合比中的水胶比、浆集比、砂率与最小单位用水量这四个最基本参数, 再通过一定的方法, 根据经验和试配确定外加剂和外掺料的用量。

2.2.2 配合比设计的方法

高性能混凝土使用原材料较多, 技术要求较高, 因此目前高性能混凝土配合比设计尚无统一的方法, 下面介绍一种常用的方法供参考。

该方法是一个经验试验法, 具体思路是将混凝土按密实体积分为两大部分:

胶凝材料浆体=水泥+水+外加剂+外掺料

骨料基体=砂+碎石

需要确定的参数为:水胶比、用水量、浆集比、砂率、外加剂掺量、外掺料掺量。

具体步骤是先设计空白混凝土的初步配合比, 根据经验初步确定外加剂与外掺料的掺量, 通过流动性的试验调整, 确定基准配合比, 再经过强度与耐久性试验调整, 确定试验室理论配合比, 最后通过含水率的换算确定施工配合比。

2.3 混凝土施工过程质量控制

2.3.1 混凝土的运输

混凝土搅拌完毕后应在4～5小时内送到浇筑地点。从搅拌站到施工现场的运输, 主要应解决坍落度损失问题。这需要搅拌站和施工现场之间密切配合, 使运输速度和浇筑速度相协调。运输时应尽可能缩短运输的路程和时间, 采取有效的保温、防热、防雨和防风措施。

2.3.2 混凝土的浇筑和振捣

由于高性能混凝土的坍落度大、流动性高, 对模板的压力增大, 接近于液体压力, 因此设计时对侧压力的取值, 对模板的选形、选材都要经过特别的计算, 同时还应考虑模板的形状和大小、配筋情况、浇筑速度和高度、凝结速度、环境温度等因素。环境湿度和水化热对高性能混凝土拌合物的坍落度和强度都有较大的影响。减小水化热的影响主要应采取措施降低内外温差:在酷暑期应采取一定的冷却措施, 如降低拌合物温度、浇筑安排在夜间等。

混凝土应分层振捣, 分层厚度不大于800mm, 振捣时采用插入式高频振捣器, 局部采用插入式和附壁式振捣器共同振捣。振捣时应快插慢拔, 每点振捣时间以混凝土表面呈现浮浆和不再沉落、不再冒气泡为止, 振捣应连续进行。

2.3.3 混凝土的养护

高性能混凝土早期强度增长较快, 一般3天达到设计强度的60%, 7天达到设计强度的80%, 因此, 混凝土早期养护特别重要。通常在混凝土浇筑完毕后采取以带模养护为主, 浇水养护为辅, 使混凝土表面保持湿润, 保证其强度正常发展。养护时间不少于14天。

3 高性能混凝土的验收与评定

3.1 高性能混凝土的验收

高性能混凝土的验收主要有以下几个方面。

(1) 工作性:高性能混凝土的工作性主要通过坍落度试验、坍落度经时损失测定、L形流动试验、可泵性指标测定、外加剂与水泥的相容性测定等来验收。

(2) 强度:高性能混凝土的强度可按《混凝土结构工程施工及验收规范》 (GB50204) 中规定的方法进行评定, 尽量选择统计方法进行评定。除验收混凝土的强度外还应当查看现场质量控制记录, 包括各项主控性质的质量控制图和质量变化所采取的措施与结果。对于重要工程, 应同时抽取多组标准立方体试件, 分别进行标准养护、密封下同温养护和密封下的标准温度养护, 以对实际结构中的混凝土强度作出明确的评估。高性能混凝土的强度在28天以后有持续较大的增长。为了更充分地发挥混凝土的潜力, 对于基础、高层建筑低层柱子等结构, 根据其承受全部设计荷载的时间, 建议按60天甚至90天的强度进行验收。

(3) 耐久性:高性能混凝土的核心是耐久性, 无论是抗渗、抗冻、抗腐蚀、抗碳化、抗碱骨料反应等方面都比普通混凝土高很多。为了保证高性能混凝土的高耐久性, 中国工程院土木水利与建筑学部提出了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。关于耐久性的质量检验, 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》规定, 从现场拌合物中取样需测定含气量、抗冻等级与氯离子侵入性等三项指标。氯离子侵入性指标可以用气压法测混凝土的渗透性能也可以按美国ASTMC1202快速电量测定法进行测定。其他耐久性指标可按现行标准方法进行测定。