混凝土組成成份對混凝土性能的影響

摘　要: 通過分析水泥標號.水膠比.膠凝材料用量.骨料的強度及級配等配比參數(shù)對混凝土性能的影響,指出提高混凝土性能.降低混凝土生產成本. 保持混凝土可持續(xù)發(fā)展的有效技術途徑。

關鍵詞: 混凝土; 性能; 配合比; 膠凝材料; 骨料

中圖分類號: U 444 文獻標識碼: B

　　建國以來,我國水泥和混凝土工業(yè)發(fā)展迅速,水泥產量從1949年的66萬t,到2006年年產量達13. 7億t,占世界水泥生產總量50%左右。20世紀50年代我國混凝土設計強度為15MPa, 20世紀70年代平均強度為20MPa, 20世紀80年代平均強度已達25～30MPa,近年來大量使用的混凝土設計強度已達30～40MPa, C50以上高強度混凝土已大量用于預制構件,高層建筑和大跨度橋梁中,這是混凝土技術進步的重要標志。長期以來,水泥、混凝土、混凝土構件和工程結構被劃分屬于不同學科,在不同領域的不同層次進行研究,在工程上也分屬不同行業(yè),實際上,水泥、特別是混凝土,是一種復雜的、非均質的多相體,水泥漿體、混凝土、以至鋼筋混凝土結構的行為都不能用其中各組分單個行為的簡單疊加來表征。例于在混凝土中摻入硅灰時,混凝土的強度隨硅灰的摻量而提高;但在水泥中,水泥強度并不隨硅灰的摻量而變化,這說明混凝土的行為并不取決于水泥單獨的性質和行為。在過去,在各個層次分離的情況下,本應是整體的水泥—混凝土—工程結構,由于分屬不同領域,造成工程技術人員“隔行”,會出現(xiàn)矛盾而影響工程質量和混凝土技術的進步。例如,隨著建設的發(fā)展,工程結構設計人員要求提高混凝土強度,提高混凝土強度則要求水泥提高標高;而不懂混凝土的結構設計人員并不知道混凝土的強度是怎樣提高的;而混凝土的生產者也不了解水泥標高的提高是采取了什么措施,而這些措施反過來會對混凝土的其他性能和工程有什么影響;水泥的生產者并不了解混凝土技術的發(fā)展,不知道水泥的性質如何與混凝土技術相適應;結果導致發(fā)生使用外加劑的混凝土流變性能的問題,大體積混凝土的溫度應力問題,收縮開裂的問題,混凝土的長期性能問題等。因此,混凝土工程技術人員不僅要了解水泥除強度以外的各種物理力學性能,而且要增加一些水泥組成和工藝的知識,還應了解施工的知識和結構、構造的知識,反之,結構工程設計和施工技術人員必須深化水泥、混凝土的知識,才能知道如何對水泥提出全面而正確的要求,并正確使用混凝土。業(yè)主,工程監(jiān)理人員也要懂得水泥、砂石、外加劑等原材料的何種組合和性質對混凝土有何影響,以提高混凝土的性能,降低混凝土的成本,促進混凝土技術的健康發(fā)展。

　　近年來,建設工程的業(yè)主、施工、監(jiān)理和設計對混凝土工程質量僅要求和注重強度,而忽視了混凝土結構的耐久性,在實踐中只將強度作為混凝土質量要求和驗收標準備。有些施工單位反映“混凝土一上C40就開裂”。其原因很復雜,涉及多方面,僅技術而言,施工質量控制(施工管理技術水平,施工人員素質) ,混凝土的原材料和配合比是影響工程質量的重要因素。

1　混凝土配合比設計

　　混凝土配合比是進行生產的依據,直接關系到混凝土的性能和生產成本,是混凝土質量控制的核心部分?；炷僚浜媳仍O計目標值應為: ① 具有較高的強度指標滿足設計強度要求; ② 具有較好的流動性,易于施工; ③體積穩(wěn)定性好; ④高度的耐久性; ⑤較好的原材料組合,達到材料成本最低化。確定混凝土的配合比設計應緊緊圍繞這5個目標值,根據結構設計強度等級、混凝土的耐久性、及工程的結構部位、運輸距離、施工方式等來確定原材料的品種、規(guī)格及拌合物的坍落度等性能。混凝土的配合比計算,一般先利用相關的混凝土強與水灰比的關系式計算出水灰比,然后根據經驗,有關資料選定每1 m3 混凝土的用水量,膠凝材料用量,然后根據混凝土的工作性能要求確定砂率,外加劑摻量,確定粗骨料的用量,最后通過試配確定生產的配合比。在實際生產實踐中,由于整個計算、試配過程基本以強度作為主要控制指標,加上部分試驗人員對混凝土的用水量,膠凝材料用量,砂率、粗骨料用量及外加劑等對混凝土的強度、耐久性的影響關系認識不足,片面以加大膠凝材料(水泥)的用量以提高混凝土強度,最后試配不出最經濟合理的配合比來指導生產。

　　下面就某項目2個施工單位預制50 m T梁的C50施工配合比進行比較。兩單位均采用同品牌P. 042. 5級水泥,相同料廠生產的碎石與機制砂,相同摻量(1% )的同種高效減水劑,試配結果見表1。

經比較乙單位試配出混凝土性能比甲單位好,每1 m3 混凝土的成本要比甲單位低,且預制T梁的混凝土外觀質量比甲單位好。

2　膠凝材料的控制

2. 1　我國水泥標準修訂的影響

　　20多年來,我國水泥標準進行過3次修訂。第1次修訂的標準于1979年7月開始實施,第2次修訂1992年開始逐步實施,第3次修訂1999年開始實施。水泥標準的修訂,促進我國水泥生產工藝的改進和產品質量的提高,通過對標準修訂,增加了熟料中C3 S和C3A的含量,水泥細度從比表面積平均300 m2 /kg增加到平均330 m2 /kg, 提高了水泥強度,尤其是早期強度,導致水泥的水化速率過快、水化熱大、早期強度發(fā)展過快過高、混凝土的微觀結構不良、收縮大、抗裂性下降、抗腐蝕性差,同時使水泥與相同高效減水劑的相容性變差。實踐表明,早期強度很高的混凝土,有些在14 d以后強度幾乎不再增長,長期強度甚至還可能倒縮。水泥中C3A 的3 d水化熱量分別約為C3 S的3. 7倍和C2 S的17. 7倍, 7 d水化熱量分別約為C3 S的7倍和C2 S的37倍; C3A的收縮率大約是C3 S和C2 S的3倍。

2. 2　水泥強度等級的選擇

　　混凝土的強度主要由水泥漿的強度、水泥漿與骨料界面的粘結強度、骨料顆粒強度決定。水泥漿將骨料牢固地粘結成整體,而水泥漿的強度取決于水泥的強度等級,因此,合理選擇水泥的強度等級非常重要。研究表明,等級越高的水泥越易獲得更高的強度,但其強度增長不與水泥抗壓強度的增長成正比,當水泥的強度等級過高于混凝土設計強度等級時,水泥用量小,拌合物松散,粘性差,反之過低時,水泥用量過多,混凝土拌合物粘聚力大,成團,不便澆注,不經濟,且過大的水泥用量也可能引起混凝土在水化初期出現(xiàn)塑性裂縫以及收縮量的增加。

2. 3　水膠比的控制

　　為使混凝土有較高的強度,就要減少硬化水泥漿體中的毛細孔隙,改善水化產物的結構,提高水泥石的結構強度,特別是骨料界面上的硬化漿體的結構強度,在水膠化較高的普通混凝土中,拌料內大量水份加大了水泥顆粒間的距離,硬化后留下大量毛細孔隙,拌料中過量的水份還有集結在粗骨料表面特別是底面的傾向,水泥石的結構強度因此也不可能很高,而硅酸鹽水泥的主要水化產物是水化硅酸鈣與氫氧化鈣,氫氧化鈣為強度較低的六角片狀結晶,更使粗骨料界面成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié),所以降低混凝土的水膠化和用水量是提高混凝土強度的重要環(huán)節(jié)。但混凝土獲得較好的流動性需要較多的拌合水,由于水泥置于水中后會產生絮凝作用并禁閉部分自由水份,太多的拌合水不但增加了內部孔隙率,形成各種介質侵入的通道,而且由于導致的早期與后期的高收縮率很容易造成裂縫,這對混凝土的耐久性極為不利,而高效減水劑具有高度分散水泥顆粒.消隙絮凝的作用,解決了降低水膠化和用水量與提高和保證拌合料工作度之間的矛盾,提高了水泥石的密實性和混凝土的體積穩(wěn)定性,改善了混凝土的耐久性,能夠提高混凝土強度20%左右,同時能夠節(jié)約水泥用量,降低生產成本,具有明顯的經濟效益。

　　改善膠凝材料粉體顆粒的級配也是減少混凝土中毛細孔隙的一種途徑,目前混凝土工程中應用較多的細摻合料有: 硅粉、礦粉、粉煤灰等,細摻合料能很好地填充水泥在凝結和硬化過程中形成的空隙,改善水泥的微孔結構,改善水泥石與骨料之間的界面結構,使混凝土更加密實。細摻合料在氫氧化鈣的激發(fā)下具有一定的活性,能與水泥水化產物薄弱結晶氫氧化鈣起反應,生成水化硅酸鈣,并能使水泥水化產物氫氧化鈣的結晶變得細小,從根本上改善混凝土的微觀結構性能,與骨料界面性能,使混凝土的強度和耐久性得到顯著的提高。

　　工程實踐證明,在相同材料和工藝條件下,混凝土強度取決于水膠比,即混凝土強度隨水膠比增大而降低,這就是水膠比定則,但是有些技術員和操作工對現(xiàn)場加水破壞混凝土耐久性、和易性認識不足,以為用水稀釋拌合物,增大坍落度便于攪拌、泵送、澆筑,殊不知,合理水膠比每增加0. 05,混凝土強度就可能下降10MPa,另外,攪拌好的混凝土是水與水泥,水泥漿與石子,砂漿與石子之間彼此包裹和填充的混合結構,向其加水,會加劇混凝土的離析和泌水,影響硬化后混凝土強度和耐久性,同時會造成混凝土泵送、澆筑過程脹模、跑漿現(xiàn)象,從而產生蜂窩、麻面、露筋等質量問題。

3　骨料的質量控制

　　粗細骨料作為混凝土的重要組成部分,占其質量的3 /4左右,骨料構成的骨架提高了混凝土的密實性,減少了荷載作用下的變形,同時水泥石硬化收縮產生的不均勻的收縮變形而產生內應力,會導致裂縫,而骨料能夠制約水泥石的收縮,使混凝土具有較好的體積穩(wěn)定性。同時骨料比膠凝材料等其他組成材料便宜很多,這也是混凝土比較便宜的一個重要原因。為了使骨料的技術及經濟作用能夠充分發(fā)揮,骨料應滿足: 致密、堅硬、無有害物質和具有較小的粒間空隙和表面積,即: 粒形好、等徑狀顆粒多、針片狀顆粒少、級配好。

3. 1　骨料強度

　　混凝土的強度一定程度上取決于水泥與骨料的的砂率都會影響拌合物的和易性,同時砂的細度模數(shù)也直接關系到砂率的選擇,為獲得相同的和易性,隨砂的細度模數(shù)降低,砂率也相應降低,在保證和易性前提下,應盡量選用小的砂率,以減少水泥的用量,降低成本。

4　混凝土的可持續(xù)發(fā)展與砂石材料危機

　　可持續(xù)發(fā)展是以保護資源和環(huán)境以及節(jié)省能源為前提的?；炷林械纳笆险伎偭康?0%以上,砂石的生產和質量也影響到混凝土能否可持續(xù)發(fā)展的問題。

　　在混凝土的各種原材料中,長期以來人們只重視水泥的質量,而忽視砂石的質量,由于砂石原料來源廣泛易得,生產工藝簡單,價格低廉而長期不受重視,被認為是一種取之不盡的材料而隨意浪費。近年來,由于國家加大對基礎設施的投入,混凝土用量猛增,對砂石的需求大大增加,因而出現(xiàn)大量不具規(guī)模的作坊或私人采石場,采用安全措施很差的落后的破碎機破碎石料,采用這種工藝,強度越高的巖石針片顆粒越多,粒徑越小針片狀顆粒越多,為保證針片狀顆?？偭坎怀瑯?幾乎都將10 mm以下顆粒篩除,因此,石子生產過程中資源浪費嚴重,而且質量越來越差。砂子的開采更加無序,濫采濫用的結果,使一些建設項目越來越買不到混凝土所需級配良好的粗砂,用現(xiàn)有的砂石必須增加膠凝材料和高效減水劑摻量來滿足拌合物流動性要求,不僅不經濟,而且使混凝土彈性模量降低,收縮增大,從而影響耐久性。

　　節(jié)約資源一方面需要科學開采,只有使砂石的生產集約化,達到一定規(guī)模,才有力量改造落后的生產工藝,進行科學的質量控制和管理以及下腳的綜合利用。另一方面還需科學使用,這需要我們糾正一些觀念,倒如對粗骨料,若控制了風化(軟弱)顆粒,含混(細粉)量和其他雜質含量,對強度不必要求太高,若破碎后的粒形好,等徑狀顆粒多,針片顆粒少,對混凝土強度影響小、而粗骨料的粒形對混凝土的性能尤其是施工性影響較為重要,放寬對粗骨料強度的要求,可擴大粗骨料的可用資源,減少加工過程中的浪費,同時可提高粗骨料的總體質量,解決砂石料危機,保證混凝土的可持續(xù)發(fā)展。

5　結語

　　1981年[英]悉尼·明德斯( Sianey Mrndes) ,[美]J·費朗西斯·楊( J ·Erancis·Young) ,在合著《混凝土》一書首頁上寫道“混凝土已經成為現(xiàn)代社會的基礎,在日常生活中幾乎各個方面都直接或間接地涉及到混凝土”。隨著混凝土的廣泛應用,通過對混凝土原材料品種、用量及品質對混凝土的技術經濟性能的影響分析,加深對混凝土宏觀技術、經濟性與其組成成份的內在關系的認識,有利于工程技術人員在混凝土配合設計與混凝土生產時做到技術先進、性能良好、經濟合理。

參考文獻:

　　[ 1 ] Odd ·E·Gjorv. High Strength Concret [ J ]. Advances inconcrete Tcchlongy, CANMET, 1992.

　　[ 2 ] 吳歷斌. 高強高性能混凝土中集料對力學性能的影響[ J ]. 混凝土, 2001.