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高强混凝土在建筑工程中的应用

信息来源:hunningtu.biz  时间:2007-04-16  浏览次数:253

  (一)概述
  用常规水泥和砂石原材料配制的现代高强混凝土技术是在高效减水剂发明之后从70年代开始发展起来的,它克服了过去配制高强混凝土只能是干硬性混凝土不能工业化预拌生产和泵送施工的根本缺陷,在拌料的工作度和混凝土的强度、体积稳定性与抗渗能力等方面具有综合的优良性能,因而又被称为高性能混凝土,并被看作是将对土建工程的发展起到重要推动作用的新一代建筑结构材料。
  现代高强混凝土的应用已遍及桥梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各个土建工程领域。现在有的发达国家的施工现场已能获得强度为80~100MPa的商品高强混凝土,更高强度的混凝土也能供应。
  高强混凝土在房屋建筑和一般构筑物中的应用场合主要有:
  1) 高层建筑。高层建筑中采用高强混凝土可以大幅度缩小底层钢筋混凝土柱子的截面尺寸,扩大柱同间距,增大建筑使用面积。上下柱子采用不同强度等级混凝土,有利于统一柱子尺寸和模板规格,方便施工,并可利用高强混凝土的早强特点加快施工进度。高强混凝土还因徐变小、弹性模量高,可以减少柱子的压缩量和增加结构刚度,这对超高层建筑来说也是非常重要的。美国是将高强混凝土最早用于高层建筑并已普遍应用的国家,在加拿大、澳大利亚、德国和日本等也都有许多成功的实例。美国用钢筋混凝土结构承重的最高一幢高层建筑位于芝加哥,共79层总高295m,建筑面积 15.8万m2,其中底层柱的混凝土强度等级相当于我国的C95,楼层采用后张预应力体系,所用混凝土强度相当于我国的C70和C60。目前世界上最高的钢筋混凝土高层建筑是香港的中环广场大厦,高309m(计入顶部塔桅后为374.4m),但所用高强混凝土的强度并不很高,1993年竣工。工程中应用混凝土强度最高的是美国西雅图的双联大厦(58层)和太平洋第一中心(44层),这二幢高层建筑采用钢管混凝土柱,其中用了强度等级相当于C130的混凝土,目的是为了增加这种组合柱的刚度。日本最近几年来也开始用高强混凝土修建抗震高层建筑,所用底层柱的混凝土强度一般相当于我国的C60,1992年在大版建成的一幢高层建筑开始达到了41层,高129.8m,并且集中很大力量开展研究,进行了60层、70层房屋的试设计和抗震分析,认为采用相当于C110混凝土建造这类高层房屋是可行的,柱子截面可以控制在1x1m以下;日本的一些建筑公司用超高强混凝土(相当于立方强度120~150Mpa)建造了足尺大小的梁柱构件试验体,对材料配制及施工进行模拟,准备大力开发超高强混凝土建造超高层建筑。
  2) 大跨屋盖。大跨屋盖的自重要占到全部设计荷载中的绝大部分,所以采用高强混凝土空间结构或预应力结构就变得十分有利,可以显著降低结构的重量。加拿大蒙特利尔的奥林匹克体育馆的大跨屋顶以及阿联酋阿布扎比的国庆检阅台的悬挑屋盖就是比较著名的应用例子。
  3) 处于侵蚀环境下的建筑物或构筑物。高强混凝土有较强的抵抗化学物质腐蚀的能力和耐磨能力,耐久性优良,所以贮存某些化学物品(如亚硝酸类肥料,有腐蚀性)的筒仓或贮罐,周围大气中含有较多盐份的工程建筑物,以及直接受到侵蚀性物质作用或机械磨损的厂房、车库、厩房等地面构件均宜用高强混凝土。国外还有利用高强混凝土的坚固性来建造地下保险库,以及立用高强混凝土的气密性来建造核反应堆预应力混凝土安全壳的工程实例。至于将高强混凝土用于预制构件的生产那就更为普及了。
  我国在高强混凝土研究和应用方面的起步并不算晚。早在70年代,就有不少单位开始了用高效减水剂配制高强混凝土的试验研究,1980年前后,清华大学土木工程系与海军工程部门协作将坍落度15cm的C70~C75级高强混凝土用于大型拱形防护门(宽13m、高21m)工程,铁路部门也在湘桂铁路复线红水河斜拉桥的三跨(48+96+48m)预应力箱形大梁中用了坍落度10~14cm、实际强度等级已超过C60的高强混凝土。由于技术经济政策上的一些问题以及缺乏相应的设计施工条例,还由于我国不少工地的施工管理水准过于落后,高强混凝土的推广在以后几年中一直较为滞缓。但是这种局面近来已出现转变,随着我国城市建设规模迅速向着更高档次发展以及大规模基础设施建设高潮的出现,高强混凝土在技术上和经济效益上的巨大优越性正日益为人们所认识。在一些部门和地区,高强混凝土的推广应用已有了重要进展。
  竣工于1988年的沈阳辽宁省工业技术交流馆是国内最早应用现浇高强混凝土的高层建筑,房屋总高62m,在底部12层柱子中采用C60混凝土,比原设计方案采用C30混凝土减少柱子截面56%,不仅增加使用面积,美化建筑效果,而且在材料和施工费用上也取得经济效益,使整个主体结构造价节约1.2%。在这以后的短短4~5年中,辽宁地区在新建多、高层建筑中采用高强混凝土的已达百幢以上。北京在1990年建成的新世纪饭店,31层,总高110m,在10层以下的部分框架柱中采用了C60混凝土。1990年建成的广州国际大厦,63层,在其高200m的顶部直升飞机坪中应用了掺粉煤灰的C60泵送混凝土,并从地面一级泵送至顶部,由于严格执行施工质量保证制度,混凝土强度的变异系数不到3%。在建的深圳贤成大厦是国内用钢筋混凝土结构承重的最高建筑,顶层标高218m,地上60层,地下4层,其中地上7层以下的竖向承重构件(柱和简体)用C60泵送混凝土。目前在北京、上海、广东、山东、河南、福建、广西、新疆等地都有在建的应用高强混凝土的高层建筑。但从总体上看,高强混凝土在房屋建筑中的应用还很不普遍,特别是混凝土的强度等级还比较低,仅限于C60或C50,有必要将C70、C80混凝土尽快用到高层中去。
  相对于房屋建筑而言,在铁路和公路大型桥梁中采用高强混凝土的比例要稍大些,开始应用的时间也比较早。公路桥梁中比较典型的工程实例如:多跨简支T形梁桥中的浙江飞云江桥最大跨径为62m,梁高2.85m,用C60预应力混凝土;1991年建成的钱塘江二桥和福建厦门大桥都是预应力连续梁桥,采用C50混凝土,前者是国内目前连续长度最长的桥,达到1340m,后者则是国内目前最长的跨海大桥;正在施工的黄石长江公路大桥,是一座连续刚构桥,主孔达245m,用C55混凝土。1993年建成的上海杨浦大桥是目前世界上最长的斜拉桥,主跨达602m,其208m高的索塔采用C50掺粉煤灰泵送混凝土。正在建设中的汕头海湾大桥是国内第一座公路大跨悬索桥,为三跨154+452+154m预应力混凝土箱形加劲梁双铰式结构,按C60混凝土设计。另外在高速公路和城市立交桥中也有不少采用泵送高强混凝土的例子,如京津塘高速公路和首都机场高速路上的一些桥梁主要为了早强而采用C60高强混凝土。近年建成的大中跨铁路桥梁中也较多采用高强混凝土,如全长1340m的钱塘江二桥和全长1600m的山西谷府黄河桥,最大跨径都为80m,为变截面连续箱梁结构。铁道部门还曾用C80掺硅粉高强混凝土试制了40m跨度的预应力简支梁,安装于衡广复线工程上作为长期观察用。
  国内在地下工程中也有应用高强混凝土的一些实例,如上海黄浦江越江隧道的管片就采用了惨硅粉的高强混凝土。在工厂生产的混凝土制品方面,仅铁路部门用高强混凝土制作的轨枕、桥梁构件等的年产量已超过70万m3,我国大秦线电气化铁路所用的接触网支柱混凝土已达C80。工厂生产的预应力高强混凝土管桩的生产发展速度尤为突出,年产量现已超过100万m3。
  我国混凝土的年用量达2亿m3,可是强度等级普遍低下,成为我国土建行业落后于发达国家的主要标志之一。高强混凝土的应用虽然最近已呈良好势态,但其数量在整个混凝土中的比例尚微不足道,而且等级还不高。随着现代高强混凝土技术的推广与普及,定将带动和提高我国混凝土技术的整体水平。
  应该说,高强混凝土在国际上已是一项比较成熟的技术,这在前面提到的一些工程应用实例中已可看出。挪威的混凝土结构设计规范中,混凝土强度等级最高的已到C105(相当于我国的C95),欧洲国际混凝土委员会编制的1990CEB/FIP模式规范(混凝土结构)中,混凝土强度等级最高到C80(相当于我国的C90)。所以在适宜的场合努力推广应用高强混凝土,也是我们土建工程技术人员为提高工程质量,取得经济效益、并追赶国际先进技术水平的应尽任务。
  (二)原材料和配比
  与传统的混凝土相比,高强混凝土在原材料的配比上主要有二点不同,即低水灰比和多组分,其目的都是为了增加混凝土的密实程度,改善骨料和硬化水泥浆之间的界面性能,从而达到高强和耐久。
  混凝土的强度和收缩徐变在很大程度上取决于硬化水泥浆中的孔隙。在充分水化的硅酸盐水泥浆体中,由水泥熟料的主要矿物成份 C3S和C2S水化形成的产物C—S—H凝胶与氢氧化钙约各占固体总体积的60%和25%左右,其余则为水泥熟料中的铅酸盐矿物成份C3A和C4F与加在水泥中的石膏一起参与水化生成的硫铝酸盐类晶体以及未水化的熟料颗粒等。C—S—H凝胶通常是结晶很差的片体,有很大的比表面积与很强的粘结力,是决定硬化水泥浆强度与骨料界面强度的主要因素,而氢氧化钙则为块状晶体,比表面积小,粘结力很差。硬化水泥浆中包含不同尺寸形状的孔隙,大小量级从10-3μm到1mm,大致可分为凝胶孔隙,毛细孔隙和气泡三类。凝胶结构中的层间孔隙很小,约为0.0005~0.0025μm,对强度和渗透性的影响不大。毛细孔隙的形状很不规则,内部中空或填水,其尺寸与新鲜水泥浆中水泥颗粒之间的距离有关。水灰比很高时,水泥浆中水泥颗粒间距大,尽管水泥水化后的体积可增加一倍以上,但最终形成的孔隙尺寸可大到3~5μm,孔隙的总体积可达到硬化浆体所占体积的30~40%。水灰比很低时,孔隙尺寸只有0.005~0.05μm,所占总体积在10%以下。高水灰比的水泥浆还容易泌水,后者附着于骨料表面,不但削弱界面强度,而且使界面的抗渗性能大幅度降低,成为混凝土抗渗的薄弱环节。尺寸大于0.05μm的毛细孔隙对强度有害,而尺寸小于0.05μm的毛细孔隙则对收缩和徐变起更为重要的作用。水泥浆体中的气泡呈球状而区别于毛细孔隙,一种是拌合时被裹入的气泡,尺寸可大到3mm,另一种是外加引气剂所产生的气泡,尺寸约为20~200μm。引气剂能改善拌料的工作度并提高材料的抗冻性能,但混凝土中每l%体积的含气率可降低强度约5~8%,而且混凝土强度愈高,引气对强度的损害程度愈大。
  由此可见,降低水灰比是使混凝土减少孔隙并达到高强的最主要途径。要使低水灰比的混凝土拌料能有良好的工作度,就必须外加高效减水剂。外加粉煤灰、沸石粉、硅粉等掺合料也有改善拌料工作度、降低泌水离析、改善混凝土的微结构、增加混凝土抗酸碱腐蚀和防止碱骨料反应的作用。
  外加比水泥颗粒更细的掺合料是混凝土获得高强的又一重要手段。超细掺合料不仅有较高的化学活性,更为重要的是它能够进一步提高混凝土的密实程度。
  1) 水泥
  配制高强混凝土用的水泥宜选用525号或更高标号的硅酸盐水泥。由于一般的混合水泥中已加入一定数量或大量的活性与非活性矿物掺合料,这些掺料的数量和质量并不一定符合配制高强混凝土的要求,所以最好采用纯硅酸盐水泥并按要求在施工配制混凝土时再加入规定数量的高质量掺合料。普通硅酸盐水泥虽为混合水泥,但其中的掺合料数量较少,用来配制高强混凝土也比较合适。如果混凝土强度等级不是很高,则用矿渣水泥或425号硅酸盐水泥也能配制出C50~C60混凝土。
  一般来说,用于高强混凝土的水泥,其矿物成份中的C3A含量不宜超过8%。C3A的多少与混凝土拌料变硬、初凝及混凝土的早期强度有很大关系。C3A人含量较高时,在外加高效减水剂的拌料中容易出现坍落度迅速损失的现象,当然在不同的减水剂和不同牌号的水泥中并不完全一样。根据国外的经验,C3S含量偏低的水泥(如 ASTM I型,含C3S 40~50%,C2S 20~30%)要比通常含量的水泥(如 ASTM II型,含C3S 44~55%,C2S 20~30%)更适用于高强混凝土。具体选用何种水泥还应考虑水化热的限制以及早期强度和耐久性等要求而定。水泥中游离的氧化钙、氧化镁和三氧化硫等有害成份应尽可能的少;含碱量(Na2O+0.658K2O)应低于0.6%。
  水泥的比表面积通常在2500~3500cm2/g左右,平均粒径约为10~20μm而快硬水泥则更细些,比表面积可到4000cm2/g。将水泥二次磨细可以提高混凝土强度,但这种办法一般不宜采用,因能导致过量的水化热,而且后期强度很少增加。
  尽可能减少混凝土中的水泥用量并外加矿物掺合料应是配制高强混凝土的一个重要原则。虽然提高水泥用量可以增加强度,但也会产生严重水化热和过大收缩等问题;而且水泥用量超过某一限值(450~500kg/m3)以后,继续增大用量对混凝土强度的提高作用减弱。对于C50到C80混凝土,硅酸盐水泥(525号)的单方用量宜相应控制在400~550kg以下。配制C80或更高等级的混凝土,则必须外加超细掺合料如硅粉或比较细的粉煤灰、矿渣等,而不是一味加大水泥用量。
  2) 化学外加剂
  配制高强混凝土的化学外加剂主要有高效减水剂及缓凝剂等。目前市场上的国产高效减水剂多为萘系减水剂,不少已与缓凝剂复合;各种牌号的高效减水剂在纯度和所含杂质上差异甚大,有的还含有大量的游离硫酸钠和氯盐。由于高效减水剂的用量仅占水泥量的0.5~1.5%,所以这些有害物质在混凝土总量中所占的比例比较低,但其作用也不能忽视。
  高效减水剂在正确使用的条件下能够改善水泥的水化条件和提高混凝土的密实性,所以对强度、抗渗性以及防止钢筋锈蚀都有利。但是超量使用高效减水剂会损害混凝土的耐久性。
  多数的萘系高效减水剂是非引气性减水剂。如果混凝土强度等级不是太高(如C50~C60),为了增加施工时的可泵性,则在混凝土拌料中加入引气性减水剂或另加引气剂还是合适的。引气虽然会降低强度,但可从工作度提高,拌料的用水量得以减少中得到部分补偿。当非引气性高效减水剂与引气剂共同使用时,有时会影响引气剂的效果,这时宜再投入少量的密胺树脂类高效减水剂。
  由于不同牌号水泥所含的化学成份不同,同一高效减水剂对不同牌号水泥的减水效果可有很大差异,也就是高效减水剂与水泥之间有相容性的问题。高效减水剂的用量、投放方式与顺序,混凝土拌料的配比,以及环境温度等因素都会对高效减水剂的效果产生很大影响,使用高效减水剂经常遇到的一个问题就是坍落度随时间的迅速损失。通常的解决办法有:采用与缓凝剂复合的高效减水剂,使用载体流化剂,或将减水剂分多次投放。载体流化剂是将高效减水剂与载体混合,置入拌料后使减水剂缓慢释放出来;清华大学研制的载体流化剂可使拌料坍落度在1.5~2小时内不受损失。多次投放减水剂的办法是将部分减水剂留到拌料运到现场后再投入搅拌,或者在开始搅拌时只投放普通的木质素磺酸盐减水剂(木钙),到现场再投入高效减水剂,木质素磺酸盐减水剂同时有较强的缓凝作用。
  如何正确挑选和使用高效减水剂是配制高强混凝土的关键,这需要通过反复试验确认并且往往需有一定的经验。这种经验又常被当作一种秘而不宣的诀窍,所以初次从事高强混凝土配制时需要取得专门的咨询,并不是随意购得减水剂投入搅拌使用就能奏效。
  3) 粉煤灰
  粉煤灰能有效地提高混凝土的抗渗性,显著改善混凝土拌料的工作度并具有减水作用,泵送高强混凝土更应掺入适量的粉煤灰以提高拌料的可泵性。
  应用粉煤灰时必须注意的一个问题是它的物理特征与化学成份有很大的变异性,与电厂的燃煤工艺、原料煤的成份、和收集方法等有很大关系。按照我国标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596—79)的规定,将粉煤灰分为I、II、III三个等级。配制高强混凝土宜选用I级灰,因其颗粒较细且需水量也较低,但烧失量的限制应该更严些,不宜超过2%。碳的含量过高有害,也会使拌料需水量增加。GB1596-79没有对粉煤灰的化学成份作出规定,而美国的ASTM标准将粉煤灰分成低钙和高钙二类,前者的CaO含量小于10%,通常是无烟煤和烟煤的燃烧产物,活性较低,后者的CaO含量为15~35%,通常是褐煤和次烟煤的燃烧产物,活性较高,但抗硫酸盐侵蚀和抑制碱骨料反应的效果不如低钙粉煤灰。用粉煤灰取代部分水泥后,混凝土的早期强度会受到削弱,所以掺量一般不超过水泥重的25%。但如粉煤灰的质量优良,颗粒较细,或者含钙量较高,完全可以采用更大的掺量。当工程设计所要求的强度以56天或更长龄期的强度为基准时,应用粉煤灰就更为有利。
  我国在应用粉煤灰于泵送高强混凝土已取得不少经验。铁道部铁道科学研究院在实际工程中用525号普通硅酸盐水泥426kg/m3,优质粉煤灰107kg/m3,水胶比0.30,配制出坍落度超过20cm,28天平均强度为73Mpa的泵送混凝土。
  4) 磨细沸石岩、磨细矿渣、硅粉
  沸石岩在我国各地区均有分布,但品种繁多,所含成份有较大差别,并不是各种沸石岩都能作为高强混凝土的接合料。用于配制高强混凝土的一种掺合料称为F矿粉,其主要成份为丝光沸石或斜发沸石并配以少量其他无机物磨细而成。F矿粉对混凝土拌料的流变性能以及硬化后混凝土的强度和耐久性都能起到有利的作用,掺量一般为5~10%。F矿粉是清华大学土木系开发的一种产品,现在已有商品供应,并在一些工程中应用取得很好效果,另一种与沸石粉有关的产品叫F矿粉增强剂,价格低于水泥,用它等量取代水泥对混凝土的增强效果更为显著。
  高炉粒状矿渣是生产混合水泥一矿渣水泥的主要掺合料,现在国内在配制高强混凝土时尚无将矿渣单独磨细并按照需要掺入混凝土拌料的应用实例。这可能与矿渣的供应不如粉煤灰普遍而且又需增加一道磨细工序有关。高炉矿渣的活性与高钙粉煤灰接近,对拌料的工作度和混凝土耐久性也都有好处。这里需要特别提出的是超细矿渣在配制高强混凝土中的巨大潜力。一般混合水泥中的矿渣细度当用比表面积表示时约为3500~4000cm2/g,与水泥颗粒的细度差不多。国外的研究表明,如果能将矿渣磨细到8000~12000 cm2/g并等量取代水泥,就能得到非常显著的增强效果,并使混凝土的坍落度损失减少,可泵性提高,水化热降低,孔隙率变小。
  将沸石粉磨得更细也有同样的效果。至于磨细粉煤灰的效果尚需作更进一步的探索,因为粉煤灰的绝大部分颗粒本来呈球形,有利于提高拌料的工作度。粉煤灰的细度通常与水泥接近,磨细后肯定对强度有好处,但其球状表面可能遭到破坏而影响工作度。硅粉的平均粒径仅0.l~0.2 μm,要比水泥小二个数量级。硅粉的活性也要比水泥高1~3倍。过去一直作为配制高强度等级(C80以上)混凝土必不可少的掺合料。
  硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨,很容易获得高强,而且耐久性优良。应用硅粉时拌料的水灰比宜控制在0.3以下,掺量不宜超过10%,一般可取5%左右,并且宜和粉煤灰等掺料一起使用(此时的硅粉掺量可低到总胶结料量的2%)。硅粉的价格较贵,过大的掺量对提高强度的作用并不一定显著。
  5) 骨料
  粗骨料的性能对高强混凝土的抗压强度及弹性模量起到决定性的制约作用,如果骨料强度不足,其它提高混凝土强度的手段都将起不到任何作用。当混凝土强度等级在C70~C80及以上时,仔细检验粗骨料的性能就变得十分重要。但对C50~C60混凝土,通常对粗骨料的要求并无过于挑剔之处,虽然不同的粗骨料对于较低等级高强混凝土的性能也有明显影响。
  用于高强混凝土的粗骨料宜选用坚硬密实的石灰岩或辉绿岩、花岗岩、正长岩、辉长岩等深成火成岩碎石。也可用卵石配制强度等级不高的C50~C60混凝土。卵石混凝土比碎石混凝土有较好的工作度,同样坍落度下的用水量稍少,有时仍可配制出与碎石混凝士相近的强度。粗骨料的吸水率愈低,质量密度愈高,配制的混凝土强度就愈高。
  粗骨料的最大粒径与混凝土构件的尺寸、钢筋间距、以及泵送条件等多种因素有关。通常情况下,对于级配良好的粗骨料来说,最大粒径愈大,所有粗骨料堆积后的空隙体积就愈小,因而能够节约水泥浆,对于强度、变形都有利,并且拌料的工作度也比较好。但是粗骨料的颗粒愈大,颗粒本身的强度愈低,混凝土的抗渗性能也差。所以配制C70~C80混凝土时应选用粒径小于20mm的碎石,对于C50~C60混凝土,粗骨料最大粒径可到25mm。
  高强混凝土对细骨料的要求比较一般,但其中的粘土及云母含量应尽量的低。粘土不但降低强度,并使拌料的需水量增加。细骨料在骨料总量中的比值宜比普通强度混凝土高些,砂率可取0.33左右。为了照顾泵送需要,此时的砂率可到0.40。
  6) 配比
  高强混凝土包括多种组分,它的配比只能参照有关资料或经验,通过仔细的试配并反复修改后确定。资料[1]中综合了许多配比实例,包括国内外一些典型工程中所采用的具体数据,可以作为开始试配时的参考。混凝土是一种地方性很强的材料,最优的配比应该根据结构施工所需的工作度和结构设计所需的强度并结合本地区的原材料特点而定,不可能有统一的配方。
  一般来说,各种强度等级的高强混凝土都宜加入一种或二种以上的掺合料,配制C80以上的高强混凝土必须加入硅粉或其他细度较高的矿物掺合料,水与全部胶结材料(水泥与各种掺合料之和)的重量比小于0.38,并随着强度等级提高而降低这一水胶比的数值。硅酸盐水泥用量对C50~C60混凝土不宜超过400~450kg/m3,对C80混凝土不宜超过500kg/m3。
  试配时可以先设定水泥用量、水灰比和砂率,用绝对体积法或用容重法算出砂石数量,掺合料按等量置代部分水泥(粉煤灰也可按超量置代)。如拌料的坍落度不能满足要求可以适当调整高效减水剂用量和用水量。改变砂率和掺合料数量也能对坍落度起到作用。
  现在已有一些学者对高强或高性能混凝土提出各自的配比设计理论和方法。其中的一个方法认为[7]:水泥浆在混凝土中所占的体积以35%为最优,过多的浆体对收缩徐变等体积稳定性不利,过低时则拌料的工作度差,另外还认为高强混凝土的强度与用水量成线性关系,对于平均强度(已换算为立方强度)为75、85、100、115MPa的混凝土用水量可分别取为160、150、140、130kg/m3。在确定了水泥浆的体积比以及用水量以后,就可以算出其他原材料的数量。例如在试配75MPa混凝土时,水为160kg/m3在每方混凝土中占0.16m3,浆体中总有约2%的空气占0.02m3,这样在规定的35%体积或0.35m3的浆体中,胶结材料总量就是0.17m3;将胶结料总量(体积计)中的25%用粉煤灰代替,有粉煤灰为0.0425m3,乘粉煤灰的质量密度2500kg/m3后得粉煤灰重为106kg,水泥占胶结料75%为0.1275m3,乘水泥质量密度3140kg/m3得400kg;骨料的体积规定占混凝土中的65%,若取砂率为0.4,则在每方混凝土中,砂为0.26m3,重690kg,石子0.39m3重1050kg。胶结料总量为506kg,取高效减水剂掺量为胶结料的l%即5kg,从以上数据,得水胶比为0.316,水灰比0.4上述配比是按高流动度混凝土设计的,坍落度预定为15~25cm。如得出的坍落度不足,可适当增加减水剂用量;如需要早强,可将10%的粉煤灰体积用硅粉代替。在上述估算中完全没有考虑原材料的质量,因为这只是作为初次试配时的参考依据。
  (三)结构设计
  设计高强混凝土结构时要注意以下各点:
  1) 高强混凝上受压时呈高度脆性,延性很差。材料的延性与结构构件的延性既有联系,又不相同,对于高强混凝土构件的主要受力部位必须加强箍筋等横向约束作用来改善其延性。由于塑性变形能力较差,高强混凝土中钢筋锚固粘结应力的分布变得更不均匀,所以在钢筋搭接和锚固部位,也要加强设置横向箍筋。
  2) 高强混凝土的抗拉强度、抗剪强度和粘结强度虽然均随抗压强度增加而增加,但它们与抗压强度的比值却随强度提高而变得愈来愈小,所以在处理高强混凝土构件的抗剪、冲切和扭转等问题时必须慎重。高强混凝土破坏时的断裂面穿过粗骨料,不象普通强度混凝土那样沿着骨料界面分开,所以高强混凝土受剪斜裂面上的骨料起不到咬合作用而丧失对抗剪的贡献。国外甚至有试验表明当混凝土强度超过90~100Mpa后,无腹筋梁的斜截面承载力不再增长或呈现下降趋势。现行规范的抗剪强度计算方法用于高强混凝土时应加修正,特别是跨高比甚大或截面很高的情况。
  3) 高强混凝土受压时的应力应变曲线形状与普通强度混凝土差别甚大,所以按压区混凝土的应力分布图形假定为矩形来计算极限状态下的正截面承载力时,对于弯压强度?cm的取值、矩形应力分布图高度x与中和轴高度xn的比值、以及压区混凝土极限应变εcu的数值,已再不能沿用现行规范中的数据,否则对于压区混凝土高度靠近界限高度时的偏心受压构件和受弯构件,就会得出很不安全的结果。
  4) 在相同的横向约束力作用下,高强混凝土纵向承载力的改善要比普通强度混凝土稍差,所以在计算配有间接钢筋的螺旋箍筋柱和局部承压等承载能力时,表示横向约束作用贡献的部分也要做出修正。高强混凝土有易遭劈裂的倾向,因此在设计局部承压时还应验算抗裂强度,在配置钢筋时要避免造成容易引起劈裂的构造方法。
  5) 高强混凝土的耐火性能不如普通强度混凝土,在100?~350?C高温下的强度损失约为20~30%,而普通强度混凝土在这一温度下的强度甚至能有稍许提高;但在更高温度下,二者的强度损失比值则大体相同。高强混凝土在火灾下还易产生表皮局部崩落,但用于一般建筑物仍能满足防火要求。德国曾结合在法兰克福建造的一幢欧洲最高的混凝土建筑(高186m),对其强度为85MPa的混凝土柱进行了足尺抗火试验,结果认为在初始30min内有某些表皮剥落,但全部试件均满足规程规定的耐火180min的要求。
  6) 高强混凝土弹性模量和抗拉强度受骨料品种的影响很大。相同抗压强度的高强混凝土由于粗骨料的坚硬不同、砂率不同、含气量不同而在弹性模量上呈现重大差别。所以设计中如需准确定出弹性模量和抗拉强度的数值时,应该通过实测得出。泵送混凝土往往采用偏高的砂率、较多的水泥浆以及引气,因而弹性模量可能显著偏低,收缩量偏大。
  7) 尽管高强混凝土的持久强度系数(持久抗压强度与暂时抗压强度的比值)要高于普通强度混凝土,但是高强混凝土的后期强度增长比例要比普通强度混凝土小得多。尤其是处于空气环境中的掺硅粉混凝士,后期强度很少增加,不过接粉煤灰的混凝土则例外。
  8) 高强混凝土的水泥用量通常较高,水化热的有害影响不容忽视。水化热易造成混凝土开裂,另外当引起的温度超过70~80℃时,还会降低混凝土的强度。如结构构件的截面或体积较大,设计时应对水化热的影响作出估算,并提出相应的施工方案和措施。
  除了上面所说的各点外,在高层建筑设计中还会遇到的问题有:
  1) 不同强度等级混凝土梁柱的连接。柱子的强度通常高于梁,不同强度混凝土的接缝应设在梁内并离开柱边一段距离。如果接缝二侧的混凝土先后浇筑,则先浇筑强度较高的混凝土,接缝留成斜面,离开柱边至少一倍梁高,具体做法已在第二篇《高强混凝土结构施工指南》中有过规定。如果条件许可或者材料造价增加不多,最好将梁柱的混凝土强度统一起来,提高梁的混凝土强度后可以通过增大配筋率来降低梁的截面高度,或者利用高强混凝土的较高变形模量和抗裂性来增大梁的跨度,这些在建筑使用上可能都有一定好处;当楼层采用预应力体系时,采用高强混凝土就更为合适。解决不同强度等级混凝土梁柱连接的另一个办法是将梁柱节点的混凝土强度降到与梁相同,这样可将节点与梁一起浇筑而方便施工;节点的混凝土强度低于柱子以后就必须采取相应的构造措施来提高节点的承载能力,如局部增设竖向粗钢筋并配以螺旋箍筋,或增设竖向的焊接钢管等来弥补混凝土强度降低对承载能力的影响。国内已对这一方法进行过试验并得出肯定的结论,但是节点核芯区的混凝土强度对于抗震性能至关重要,任何降低核芯区混凝土强度的做法都会程度不等的削弱结构的抗震能力,如果梁柱的混凝土强度相差不大(如在20MPa以内),这种做法估计不会有太大问题,特别对四周均有梁连接的内节点,其核芯区在各个方向上均受到约束而处于比较有利的受力状态,而在其他情况下,降低节点混凝土强度的方法似不宜推荐。
  2) 高配筋率。将高强混凝土引入高层建筑能有效降低柱子的轴压比而改善结构的抗震性能。但是高强混凝土材料较脆,而抗震又要求结构构件有较好延性,所以高强混凝土结构必须有较高的配筋率。这主要指较高的最小主筋配筋率和最小箍筋率,尤其是柱端梁端的箍筋加密区必须有相当的体积箍筋率。我国在钢筋混凝土结构设计和施工中,一直习惯于较低的配筋量,虽然节约了钢材,但有时也会造成构件截面和自重较大、延性较差、防御地震、爆炸等突发灾害荷载作用的能力相当低下等缺陷,对于重要工程设施来说是很不适宜的。国外抗震建筑的用钢量要比我国高得多,如日本在高强混凝土抗震高层建筑中,柱子箍筋加密区的体积箍筋率高达4%,梁中2%。为了方便施工和适当降低箍筋率,应该选用强度较高的钢筋作箍筋,采用螺旋箍筋(包括方形螺旋箍),或者其他具有更好约束作用的配筋型式如焊接钢筋网片等。对于超高层抗震建筑,宜采用组合柱的型式,即将型钢、钢管或钢板与高强混凝土结合起来,高强混凝土H型钢组合柱和钢管组合柱在国外均已有工程应用实例,日本在一个超高层抗震建筑的研究设计中,则采用了钢板组合柱的方案,将钢板焊成四字形,中间灌入超高强混凝土。
  钢管混凝土柱是在高层建筑中应用高强混凝土的一种经济有效的结构形式。这是因为:(1)钢管对核心混凝土的约束作用,能最有效地克服高强混凝土的脆性;(2)钢管内无钢筋骨架,便于浇灌高强混凝土,避免了柱与梁板普通混凝土交错浇灌的麻烦,并且可以采用先进的泵灌混凝土工艺;(3)钢管外无混凝土保护层,能充分发挥高强混凝土的承载力;(4)钢管兼有纵筋和箍筋的功能,其用钢量较普通钢筋骨架为省。目前,在美、澳等国的44~62层的超高层建筑中,已采用混凝土强度等级为C70~C130的钢管混凝土柱,经济技术效益十分显著,被认为是高层建筑技术的重大突破。近年来,混凝土强度等级为C60的钢管混凝土结构已在我国的高层建筑中得到应用。
  3) 强度的龄期基准。混凝土的强度等级以 28天龄期的强度作为基准,结构设计时通常也以这一龄期作为依据。由于高层建筑的建设周期较长,底层柱子承受全部设计荷载时的龄期将远远超过28天,所以有的国家在设计高层建筑时,以56天龄期或更长龄期时的混凝土强度作为确定设计强度的依据。但是我国的混凝土结构设计规范和施工规范所给出的安全储备相对较低,所以高层建筑在设计时仍以28天龄期强度作为基准为宜,除非是后期强度有突出增长的粉煤灰混凝土或可考虑更长一些的龄期。高强混凝土的强度发展还与环境温度有较大关系,混凝土的强度等级是以标准养护条件下获得的强度作为基准的,而标准养护条件与工地现场的环境温度可能差异较大。所以高强混凝土结构施工时应该留取更多的小试件,分别测定不同龄期、不同养护条件(标准养护和工地环境下养护)下的强度变化,这些都应该在设计文件中事并提出要求。重要的工程还要有钻芯试件。
  (四)施工和质量检验
  高强混凝土的施工必须有严格的质量控制和质量保证制度,这是高强混凝土区别于普通强度混凝土的一个重要特点。
  1. 试配
  在正式生产施工前,高强混凝土应先通过试配,即根据以往的经验,选定几种不同的配合比与配料的不同投放顺序,通过仔细的比较来确定最优方案,以满足拌合料坍落度、凝结时间、空气含量,以及混凝土强度及其随龄期变化等的要求。试配必须严格模拟施工现场的环境以及实施程序,所用的原材料应是现场实际使用的,试配时的环境温度应与工程施工现场相应;试配时对坍落度的要求应考虑到实际使用的混凝土拌合料在运输和浇注过程中的损失。运输和施工作业所需的时间以及现场可能出现的最高气温是试配中必须注意的重大问题。温度愈高,作业时间愈大,愈能识别坍落度的损失程度。当在试验室条件下进行试配时,要求达到的混凝土强度应该比工地现场所要求的大一些,这是由于现场的条件一般比试验室差,在相同配比情况下获得的混凝土强度往往偏低。
  现场施工所要求的混凝土平均立方强度应大于设计规定的混凝土强度等级或混凝土标号所表明的数值。强度等级所表明的是具有95%保证率、边长为15cm立方试件的28天龄期抗压强度,其数值为平均强度加 1.645倍均方差(而标号所表明的则是具有84.13%保证率、边长为20cm立方试件的28天龄期抗压强度,其数值为平均强度加1倍均方差〕、根据国外的统计数据。高强混凝土现场施工留取标准试件所得到的强度均方差,在数值上比中等强度混凝土的均方差增加极少,所以高强混凝土的强度变异系数(即均方差与平均强度的比值)要比普通混凝上低得多。均方差大体可按下式估计:
  σ = 3.2 + 0.025 ?cu
  式中σ —— 均方差;
  ?cu —— 立方强度的均值(Mpa)
  上式根据北美的统计资料得出,与我国现场施工所得的少量数据相比差的不多,可以作为参考。
  2. 质量控制与质量保证
  混凝上的质量控制至少包括以下几方面的内容1)施工单位、混凝土供应单位(预拌厂)和甲方委托的设计或试验单位之间的书面协议,明确技术要求,规定各方的职责;2)各种原材料质量和性能的初始证明和定期测试证明;3)对混凝土拌合料特性(坍落度、凝结时间、含气量、温度等)及混凝土强度的系统测定记录与统计。
  混凝土供应单位保证原材料的质量;施工单位要指定一名专职的质量管理负责人总管混凝土的质量,监督所有各方;试验室则派专人到配料地点和浇注地点进行检查,同时设专职人员到现场测试拌合料质量和按规定留取强度测定用的标准试件。拌合料性能和混凝土强度测定的取样主要针对现场浇注时的混凝土,但也要根据具体情况在其它场合进行测试和取样,如在工厂预拌装车时,远距离运送到现场卸料时,在现场再次投放减水剂并搅拌的前后,以及泵送前后等,拌合料的空气含量在长时间搅拌和输送过程中有可能增加,应作为一项测试的内容。水灰比愈低,每增加l%空气含量造成的强度损失比例愈大。
  拌合物的坍落度和凝结时间,以及混凝土的早期与28天强度,是高强混凝土施工质量控制的核心内容。在施工过程中应不断的对混凝土强度及其变异程度作出统计,发现问题后及时修正。
  混凝土质量控制的具体内容应该根据工程对象和具体条件而定,一般应实施以下的措施:
  1) 对所有参与操作的人员进行培训和技术交底,并对他们提出需完成的各种记录文件的要求,比如对于运送预拌混凝土的司机,要求有路途运送时间、搅拌输送车搅动转速、以及装卸车时间的记录等;
  2) 制订专职人员到预拌工厂和现场的定期检查、测定制度,包括对各种原材料和生产状态的宏观检查和抽样测试,对原材料进料、储存、计量、装料、搅拌、运输、振捣、养护的每一环节进行监督;
  3) 制定驻现场技术人员对拌合料性能测定并按规定留取混凝土小试件的制度,试件的数量至少应能满足供早期及28天强度测定所需,一般应每批不少于6组,每组3块;
  4) 制定应急计划。这包括备件的准备(特别是易损坏的振捣设备),以及当供给的混凝土拌合料质量出现问题时(如拌合料因搁置时间过长变硬)的处置方案等;
  5) 制定控制水灰比的具体措施。高强混凝土的用水量必须严格计算和控制,骨料的含水量应该从用水量中扣除,每天需用烘干法测定骨料含水量,每次配料时砂子的含水量还应采用含水量自动测试仪连续测定。为了减少冲洗搅拌设备遗留的水量和远距离运输的水分蒸发对水灰比的影响,混凝土搅拌输送车在每次清洗后必须倒尽遗留在鼓筒中的水分,此外在任何情况下都不得在拌料中掺加计划外用水,因各种原因造成坍落度不足而无法施工的拌合料只能另作它用;
  6) 制定控制拌合料温度的措施和必要时测定水化热温度的具体措施;
  7) 确定施工过程所需的时间,尽可能缩短从搅拌到振捣完毕的时间过程。
  高强混凝土施工过程中要注意的问题还有:l)为了保持砂石洁净,对砂石堆放环境也有专门要求;2)细骨料在投料前不宜过干,其含水量宜采用自动检测井通过自动称量装置,进行用水量修正;3)搅拌必须均匀,高强混凝土的搅拌要比普通强度混凝土困难,必须采用强制式搅拌机,并延长搅拌时间,约比普遍强度混凝土搅拌时间长一半;4)投料顺序对强度有很大影响,需经仔细探讨后确定;5)对高坍落度的流态混凝土也需认真振捣,时间可稍短些,对驱除拌料中的气泡有作用;6)及时养护,低水灰比的混凝士表面不泌水,容易在凝结过程或浇注后不久就出现表面干缩裂缝,早期养护对高强混凝土最为紧要。
  3. 强度检验
  测定高强混凝土强度用的小试件所给出的强度数值受到多种因素的影响,情况要比普通强度混凝土中复杂得多。已有一些研究发现,由于高强混凝土的水灰比很低,即使在密封条件下也会发生自收缩,试件内部容易引起较大的内应力。高强混凝土质地密实,水份不能渗透,对于水中养护的试件,表面接触水份膨胀,内部缺水收缩,结果产生内应力。如将试件从水中取出并很快进行加载试验,得到的抗压强度会因内应力而明显降低。如将试件从潮湿环境中取出放在正常大气中几天后再进行试验,测得的强度就会趋于平常。试种收缩膨胀自力对于抗拉强度的测试结果影响更大。
  与普通强度混凝土相比,不同的加载设备和加载方法对高强混凝土的强度测定结果影响更为显著。机器刚度较低时,测得高强混凝土的强度就偏低。机器加压板的刚度和球座的对中程度与转动能力均会影响测试结果。日本有过一项对比试验,在16个不同研究机构的试验机上,对同样的混凝土试件进行抗压强度测定。在不同机器得出的各个强度测定值中,高强混凝土的强度差异明显大于普通强度混凝土,前者的最小值与最大值之比为0.69,而后者则为0.75。这项研究也得出试件的尺寸影响在高强混凝土中更为显著的结论。
  由于机器能力的限制,高强混凝土常用10cm边长的立方试件进行强度测定,得到的强度?cu.10应该乘以折算系数k换算到15cm边长标准立方试件的强度。普通强度混凝土中的这一k值为0.95。为了确定高强混凝土的k值,国内已作了不少试验,多数结论是k值随混凝上强度提高而降低,对于80~90MPa混凝土约为0.92。国外的许多试验也给出类似结果,但也有个别试验得到高强混凝土抗压强度不受试件尺寸影响的结论。这种情况其实并不足为奇,因为在普通强度混凝土的尺寸影响试验中,也曾有人得到尺寸影响系数为1的结论。当试件上下的加压板刚度非常大时,尺寸影响系数趋于减少。
  如果条件许可,应该采用标准尺寸立方块。当必须采用 I0cm边长试件时,从偏于安全考虑,建议折算系数k取为随?cu.10而变的数值。当?cu.10≤55MPa时k=0.95,当?cu.10=90MPa时k=0.91.中间值按线性插入。
  在高强混凝土性能的检验标准上,还有混凝土拌料工作度的测试方法和混凝土抗掺性能测试方法急需制订。常规的坍落度测试方法不能完整反映流态高强混凝土的工作度特性,而现行的抗渗性能测试方法主要用压力水的渗透程度进行评估,显然不适用于实际上不透水的高强混凝土。
  (五)结语
  现代高强混凝土的出现是建筑工业上的一个重要进展。在可预见的将来,它是最有潜力能被大量用于各类重要结构尤其是基础设施工程的新一代结构材料。
  工程中应用强度高达100MPa的高强混凝土在一些发达国家里已是比较成熟的技术。我国在现代高强混凝土领域已经作了大量的研究工作并且有了10年以上的工程实践经验,目前已经具备普遍推广C50—C80高强混凝土的基本条件。
  应用高强混凝土可带来很大的技术经济效益。在设计高强混凝土结构时必须注意加强构件的延性,要改变过去习惯追求低配筋率的倾向。高强混凝土的施工必须有严格的质量控制和保证制度,材料的试配和高效减水剂的使用应该在有经验的专业人员指导下进行。

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