京沪高性能混凝土讲.ppt
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1、安文汉教授级高工 中铁十二局集团有限公司计量测试中心主任中铁十二局集团有限公司计量测试中心主任 中铁工程试验检测协会理事长中铁工程试验检测协会理事长 实验室计量认证国家级评审员实验室计量认证国家级评审员 交通部试验检测专家交通部试验检测专家 太原理工大学硕士研究生导师太原理工大学硕士研究生导师 石家庄铁道学院兼职工程硕士研究生导师、客座教授石家庄铁道学院兼职工程硕士研究生导师、客座教授 电话传真电话传真)邮箱邮箱 地址地址:山西省太原市西矿街山西省太原市西矿街130130号中铁十二局集团有限公号中铁十二局集团有限公 司计量测试中心司计量测试中心高性能混凝土高性能混凝土主讲:安文汉2008年3月
2、主要内容高性能混凝土基本概念高性能混凝土用原材料高性能混凝土配合比设计高性能混凝土施工高性能混凝土施工质量检验一一 高性能混凝土基本概念高性能混凝土基本概念1 1、什么是高性能混凝土、什么是高性能混凝土 耐久性混凝土属于高性能混凝土的范畴,国家对高性能混凝土没有定义。一般认为,高性能混凝土是高工作性、高耐久性。2 2、什么结构物是高性能混凝土、什么结构物是高性能混凝土 根据铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定,混凝土结构设计使用年限级别见表1:表1 混凝土结构设计使用年限级别3 3、高性能混凝土的耐久性评价指标高性能混凝土的耐久性评价指标 京沪高速铁路混凝土耐久性技术要求,见表2 表2 混凝土的耐
3、久性能二二 高性能混凝土用原材料高性能混凝土用原材料1、水泥水泥水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥(简称(简称“普通水泥普通水泥”),混合材宜为矿渣或),混合材宜为矿渣或粉煤灰。粉煤灰。处于严重化学侵蚀环境时(硫酸盐侵蚀环境处于严重化学侵蚀环境时(硫酸盐侵蚀环境作用等级为作用等级为H H3 3或或H H4 4)应选用)应选用C C3 3A A含量不大于含量不大于6%6%的硅酸盐水泥的硅酸盐水泥。水泥的技术要求注:1 当骨料具有碱硅酸反应活性时,水泥的碱含量不应超过0.60%。2 C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。重点重点:水泥品种、水泥强
4、度等级及细度、水泥矿物成水泥品种、水泥强度等级及细度、水泥矿物成份份C C3 3A A(1 1)水泥品种)水泥品种 六大通用水泥中矿物掺合料含量:硅酸盐水泥:5%普通硅酸盐水泥:615%矿渣硅酸盐水泥:2070%火山灰硅酸盐水泥:2050%粉煤灰硅酸盐水泥:2040%复合硅酸盐水泥:两种混合材以上 1550%表3 通用硅酸盐水泥(2 2)水泥强度等级及细度)水泥强度等级及细度 提高水泥强度的主要措施是增加C3A和C3S含量和增加比表面积,易导致水泥水化速率过快,水化热大,混凝土收缩大,抗裂性下降,微结构不良,抗腐蚀性差,所以水泥强度等级够用就行,不得随意提高水泥强度等级。硬练:500:600:
5、700 软练:425:525:625 ISO:32.5:42.5:52.5 水泥细度是影响水泥的凝结硬化速度、强度、需水性、干缩性、水化热等一系列性能。水泥必须控制一定的粉磨细度,水泥颗粒越细,凝结越快,早期强度发挥越快,泌水性小,但也不能太细,否则,一方面水泥的需水量大幅度增加,干缩大,水化放热集中;另一方面,大大降低了磨机产量,增加电耗。在高性能混凝土中,水泥细度过大,容易导致混凝土早期开裂,还会影响外加剂的作用效果。(3 3)水泥熟料中矿物成分)水泥熟料中矿物成分 C3A:715%,不宜超过8%;C2S:1537%C3S:660%C4AF:1018%水泥中各矿物成分特性:水泥中各矿物成分
6、特性:水化速度:C3AC2SC3SC4AF 水化热:C3AC3SC4AFC2S 强 度:C3SC2SC4AFC3A 耐化学侵蚀:C4AFC2SC3SC3A 干缩性:C3AC3SC2SC4AF2 2、细骨料、细骨料 细骨料应选用处于级配区的中粗河砂(用于预制梁时,砂的细度模数要求为2.63.0)。当河砂料源确有困难时,经监理和业主同意也可采用质量符合要求的人工砂。细骨料的品质应满足表4的要求。表4 细骨料的技术要求重点:品种和级配 选用中砂细度模量2.62.8,小于0.63和0.16筛的累计筛余(4070)%和(95100)%。3 3、粗骨料、粗骨料 粗骨料宜选用二级配碎石,掺配比例应通过试验确
7、定。粗骨料的品质应满足表5的要求。表5 粗骨料的技术要求 施工过程在中粗骨料强度可用压碎指标值进行控制且应符合表6的要求。注:1 沉积岩(水成岩)包括石灰岩、砂岩等;变质岩包括片麻岩、石英岩等;深成的火成岩 包括花岗岩、正长岩、闪长岩和橄榄岩等;火成岩包括玄武岩和辉绿岩等。2 对于压碎指标值不符合表3.6-2规定的粗骨料,可通过试验,建立岩石抗压强度与压碎指标 值的对应关系,确认岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不小于1.5(预应力混凝土为2.0)且混凝土的力学及耐久性能满足要求后,方可使用。3 用于梁体时,压碎指标不应大于10%。表6 粗骨料的压碎指标值(%)重点:级配、紧密空隙率。A 级配:
8、二级级配或多级级配(计算法或试配法)B 松散堆积密度1500kg/m3,紧密空隙率40%,吸水率2%铁建设2007140号:受材料表观密度的影响,骨料的松散堆积密度不能完全反映骨料的级配,表观密度偏小的骨料,即便有较好的级配,其松散堆积密度可能还是接近但小于1500kg/m3但对于紧密孔隙率,由于在采用二级级配或多级级配的情况下,可以通过改变掺配比例、改善骨料粒形等技术措施对紧密孔隙率进行调整。因此,为了保证粗骨料的空隙率不要太大,明确粗骨料的紧密孔隙率小于40%。碱骨料反应:活性材料(蛋白石、玉髓、微晶石英)粒形:圆度、球度、表面组织4 4、外加剂、外加剂 外加剂宜采用聚羧酸系产品。混凝土中
9、不得掺加诸如防腐蚀剂、抗裂剂等无标准不规范的产品。掺入混凝土中的外加剂品质应符合表7的要求.表7 外加剂的技术要求重点:减水、保坍、适量引气且不泌水。第一代:木钙,减水率8%;第二代:萘系、蜜胺系、脂肪族系、氨基磺酸盐系列,减水率15%以上(坍落度损失大、泌水性、饱水性差);第三代:聚羧酸高效减水剂,减水率30%,适当引气,坍落度损失小,保水性好。重点:适当引气 生产过程:消泡、加气,母液80%加水稀释成20%液体 实际应用:选配比(样品)大量施工时(品质劣化)检验:减水率,含固量5 5、矿物外加剂、矿物外加剂 用于改善砼耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料(GB/T18736)。品种:粉煤
10、灰、磨细矿渣粉、硅灰、铁灰、稻壳灰、沸石粉。(1)粉煤灰 粉煤灰也叫飞灰,是燃煤电厂烟囱收集的灰尘。粉煤灰应选用品质稳定的产品。强度等级不大于C50的钢筋混凝土宜选用国标I级或II级粉煤灰,但应控制粉煤灰的烧失量不大于5.0%,细度不大于20%;强度等级不小于C50的预应力混凝土宜选用国标I级粉煤灰,但应控制粉煤灰的烧失量不大于3.0%。重点:烧失量、最大掺量。烧失量 烧失量越大,含碳量越高,混凝土需水量越大,影响外加剂效果;用电收尘收取的灰越细,所含玻璃微珠越多,含碳量就越低,需水量就小。国标规定:I级灰烧失量5%,级灰8%。技术条件:烧失量3%。最大掺量 GBJ146-90中粉煤灰取代水泥
11、最大限量见表8。表8 GBJ146-90中粉煤灰取代水泥最大限量 中国建筑材料科学研究院院长姚燕建议:常态混凝土50%为宜,杭州湾大桥中铁四局和上海同济大学合作的海工混凝土课题粉煤灰掺量为50%。过高的粉煤灰掺量除降低强度外,还会造成贫钙现象,不利于耐久性。中建材院试验结果当粉煤灰掺量为20%时,水化率达25%;当粉煤灰掺量为70%时,水化率达18%。粉煤灰比表面积:300m2/kg350m2/kg(2)磨细矿渣 磨细矿渣是炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣,排出时用水急冷得到的水淬矿渣,磨细到一定程度的矿碴细粉。矿渣粉应采用水淬矿渣的粉磨产品。研磨方法:球磨、辊压机、辊磨(常用)当比表面积为300k
12、g/m3时,平均粒径为21.2m;400kg/m3时,平均粒径为14.5m;800kg/m3时,平均粒径为2.5m。当磨细矿渣的比表面积达到400kg/m3以上时,能较充分地发挥其活性。应用:需水量比,烧失量活性指数 磨细矿渣的技术指标如表9所示:表9 磨细矿渣的技术要求重点:和粉煤灰配伍6 6、混凝土用水及环境水、混凝土用水及环境水 拌合用水可采用饮用水。当采用其他来源的水时,水的品质应符合下表的要求。表10 拌合用水的技术要求注:1 拌合用水不得采用海水。当混凝土处于氯盐环境时,拌合水氯离子含量应不 大于200mg/L。对于使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土,拌合水氯离子 含量不得超过3
13、50mg/L。2 养护用水除不溶物、可溶物可不作要求外,其他项目应符合表3.5-1的规定。养 护用水不得采用海水。拌合用水 混凝土用水 养护用水 环境水对混凝土有5种侵蚀性软水侵蚀(溶出性侵蚀)软化是指暂时硬度较小的水,水泥石长期和软化水接触,其中一些水化物按溶解度的大小,依次被水溶解,CH首先被溶解,水泥石碱度降低,其他水化产物CSH发生分解,水泥石结构遭到破坏,强度不断降低。当CH溶出5%时,强度下降7%;当CH溶出24%时强度下降29%。硫酸盐侵蚀 Ca(OH)2+Na2SO4H2O=CaSO42H2O+NaOH+8H2O然后,所生成的硫酸钙与水化铝酸钙作用,生成水化硫铝酸钙3CaOAl
14、2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O=3CaOAl2O33CaSO431H2O生成的水化硫铝酸钙含有大量结晶水,其体积比原体积增加1.5倍,对水泥石产生巨大的破坏作用。镁盐侵蚀 Ca(OH)2+MgSO4+2H2O=CaSO42H2O+Mg(OH)2 Ca(OH)2+MgCl2=CaCl2+Mg(OH)2生成的氢氧化镁松软,无胶结能力,氯化钙易溶于水。碳酸盐侵蚀 Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO32H2O 由于水中含有较多的二氧化碳,它与生成碳酸钙按下列可逆反应作用。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 当水中含有较多的二氧化碳,并超过平衡浓度时,上式反应向右
15、进行,水泥石中CH通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失,随着CH降低,其他水化产物分解,使腐蚀进一步加剧。一般酸性侵蚀:各种酸类不同程度的腐蚀作用 2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O 易溶于水 H2SO4+Ca(OH)2=CaSO42H2O 二水石膏,结晶膨胀 环境水中的酸的氯离子浓度越大,pH值越小,侵蚀越严重。7 7、作用机理、作用机理 高工作性:大小均匀的气泡,玻璃微珠,大坍落度,无泌水、粘度适中、不离析高工作性 (滚动效应)体积稳定性:抵抗物理化学作用下产生的变形能 力,收缩、弹性、徐变、温度变形 力学性能:抗压、抗拉、抗剪、疲劳、粘结 高耐久性 耐久性能:碳化、抗氯离子侵蚀、钢
16、筋锈蚀、碱骨(火山灰效应,填充效应)料反应、冻融破坏、抗裂三三 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土配合比设计1 1、设计理念、设计理念 普通混凝土:强度 高性能混凝土:耐久性 砂填碎石空隙,水泥填砂空隙,矿物外加剂填水泥空隙(粉体效应)。表12 桩体C30混凝土配合比设计参考指标注:采用水下混凝土灌注工艺时,混凝土配制强度应提高10%。表13 墩台体C30混凝土配合比设计参考指标表14 梁体C50混凝土配合比设计参考指标混凝土配合比应参照现行国家标准JGJ 55-2000进行设计。设计混凝土配合比的一般途径为:选用低水化热和低碱含量的水泥,尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥;选用球形粒
17、形、吸水率低、空隙率小的洁净骨料;适量掺用优质粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺和料或复合矿物掺和料;采用具有高效减水、适量引气、能细化混凝土孔结构、能明显改善或提高混凝土耐久性能的专用复合外加剂,尽量降低拌合水用量;将混凝土的最低强度等级、最大水胶比、最小水泥用量、最低胶凝材料用量和最大胶凝材料用量限制在适宜的范围内;尽可能减少混凝土胶凝材料中的水泥用量。京沪高铁四标主体结构物环境作用类别、等级及配合比设计参考指标京沪高铁四标主体结构物环境作用类别、等级及配合比设计参考指标2 2、经验参数、经验参数C30:当水泥采用42.5强度等级时,每立方混凝土胶凝材料用量为360380kg,粉煤灰掺量为3540
18、%,含砂率为3840%,碎石用量为1150kg左右,用水量为135165kg左右,聚羧酸外加剂掺量为1%。C50:当水泥用42.5强度等级时,每立方混凝土胶凝材料用量为460490kg,矿物外加剂掺量45%以上(2种矿物外加剂或2种以上),含砂率40%,碎石用量11001150kg,用水量135165kg 左右,聚羧酸外加剂掺量1%。3、武广客运专线耐久性混凝土配合比统计资料,见表17。表17 武广客运专线耐久性混凝土配合比统计4 4、配合比设计步骤、配合比设计步骤(1)计算试配强度:f配=1.645G+f设(2)计算水胶比 提倡自己根据以往实测数据,回归参数,做保罗米关系式 f配=Af灰(c
19、/w+B)w/c=Af灰/f配+A.Bf灰 (3)计算胶凝材料用量 令浆体和骨料体积比为35:65 w/B 0.7B/Pc+0.3B/PF+W/1.0+0.01a 解方程组得出B、w计算出c.F(4)计算砂、碎石用量 s/fs+G/fG=0.65 s/s+G=含砂率 解方程得出s,G5 5、耐久性的试验结果、耐久性的试验结果(1)水胶比和电通量 随龄期增加,电通量逐渐降低,早期影响显著,后期减小。同一龄期随水胶比降低,电通量降低,56d 10002000库仑(水胶比0.30.5)56d小于1000库仑(水胶比0.30.4)(2)含气量和电通量 砼中含气量增加,电通量增加不大 当电通量为1000
20、库仑时,对应的含气量为4%左右。(3)含泥量和电通量 含泥量增加,电通量增加 当含泥量为4%时,电通量接近1000库仑,再大满足不了要求(4)粉煤灰掺量和电通量 7d随粉煤灰掺量增加,电通量增加 当掺40%时,28d、56d电通量减少 当掺大于40%时,28d、56d电通量增加 因此可看出40%是拐点。(5)粉煤灰烧失量和电通量 烧失量增加,电通量增大,28d影响大,56d影响不明显。当烧失量为19%时,56d电通量1000库仑(6)外加剂掺量和电通量 当掺量1%随掺量增加,电通量在增加。四四 高性能混凝土施工高性能混凝土施工1 1、拌合站:、拌合站:自落式一中、小型拌合站-大拌合站:计量合格
21、证 运行中检查2 2、场地、场地:足够大 分仓储存3 3、搅拌:、搅拌:胶凝材料(水泥、矿物外加剂等)1%;专用复合外加剂1%;粗、细骨料2%;拌合用水1%。(2 2)应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土,采用电子计量系统计量原材料。搅拌时,宜先向搅拌机投入细骨料、水泥、矿物掺和料和专用复合外加剂,搅拌均匀后,再加入所需用水量,待砂浆充分搅拌后再投入粗骨料,并继续搅拌至均匀为止。上述每一阶段的搅拌时间不少于30s,总搅拌时间不宜少于2min,也不宜超过3min。(3)(3)冬季搅拌混凝土前,应先经过热工计算,并经试拌确定水和骨料需要预热的最高温度,以满足混凝土最低入模温度(12)要
22、求。应优先采用加热水的预热方法调整拌合物温度,但水的加热温度不宜高于80。当加热水还不能满足要求或骨料中含有冰、雪等杂物时,也可先将骨料均匀地进行加热,其加热温度不应高于60。水泥、专用复合外加剂及矿物掺和料可在使用前运入暖棚进行自然预热,但不得直接加热。(4)(4)炎热季节搅拌混凝土时,应采取在骨料堆场搭设遮阳棚、采用低温水搅拌混凝土等措施降低混凝土拌合物的温度,或尽可能在傍晚和晚上搅拌混凝土,以保证混凝土的入模温度满足相应规定。投料顺序投料顺序正常施工:正常施工:先投水泥、砂、粉煤灰和水(造壳运动),再投入碎石和外加剂。冬期施工冬期施工:先投砂、碎石和水,再投入水泥、粉煤灰和外加剂。4 4
23、、运输、运输 混凝土运输应选用能确保浇筑工作连续进行、运输能力与混凝土搅拌机的搅拌能力相匹配的运输设备。不得采用机动翻斗车、手推车等工具长距离运输混凝土。运输过程中,应确保混凝土不发生离析、漏浆、泌水及坍落度损失过多等现象,运至浇筑地点的混凝土应仍保持均匀性和良好的拌和物性能。运输混凝土过程中,应对运输设备采取保温隔热措施,防止局部混凝土温度升高(夏季)或受冻(冬季)。应采取适当措施防止水份进入运输容器或蒸发,严禁在运输混凝土过程中向混凝土内加水。应尽量减少混凝土的转载次数和运输时间。从搅拌机卸出混凝土到混凝土浇筑完毕的延续时间以不影响混凝土的各项性能为限。采用搅拌运输车运送混凝土时,运输过程
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