混凝土组成成份对混凝土性能的影响

摘　要: 通过分析水泥标号.水胶比.胶凝材料用量.骨料的强度及级配等配比参数对混凝土性能的影响,指出提高混凝土性能.降低混凝土生产成本. 保持混凝土可持续发展的有效技术途径。

关键词: 混凝土; 性能; 配合比; 胶凝材料; 骨料

中图分类号: U 444 文献标识码: B

　　建国以来,我国水泥和混凝土工业发展迅速,水泥产量从1949年的66万t,到2006年年产量达13. 7亿t,占世界水泥生产总量50%左右。20世纪50年代我国混凝土设计强度为15MPa, 20世纪70年代平均强度为20MPa, 20世纪80年代平均强度已达25～30MPa,近年来大量使用的混凝土设计强度已达30～40MPa, C50以上高强度混凝土已大量用于预制构件,高层建筑和大跨度桥梁中,这是混凝土技术进步的重要标志。长期以来,水泥、混凝土、混凝土构件和工程结构被划分属于不同学科,在不同领域的不同层次进行研究,在工程上也分属不同行业,实际上,水泥、特别是混凝土,是一种复杂的、非均质的多相体,水泥浆体、混凝土、以至钢筋混凝土结构的行为都不能用其中各组分单个行为的简单叠加来表征。例于在混凝土中掺入硅灰时,混凝土的强度随硅灰的掺量而提高;但在水泥中,水泥强度并不随硅灰的掺量而变化,这说明混凝土的行为并不取决于水泥单独的性质和行为。在过去,在各个层次分离的情况下,本应是整体的水泥—混凝土—工程结构,由于分属不同领域,造成工程技术人员“隔行”,会出现矛盾而影响工程质量和混凝土技术的进步。例如,随着建设的发展,工程结构设计人员要求提高混凝土强度,提高混凝土强度则要求水泥提高标高;而不懂混凝土的结构设计人员并不知道混凝土的强度是怎样提高的;而混凝土的生产者也不了解水泥标高的提高是采取了什么措施,而这些措施反过来会对混凝土的其他性能和工程有什么影响;水泥的生产者并不了解混凝土技术的发展,不知道水泥的性质如何与混凝土技术相适应;结果导致发生使用外加剂的混凝土流变性能的问题,大体积混凝土的温度应力问题,收缩开裂的问题,混凝土的长期性能问题等。因此,混凝土工程技术人员不仅要了解水泥除强度以外的各种物理力学性能,而且要增加一些水泥组成和工艺的知识,还应了解施工的知识和结构、构造的知识,反之,结构工程设计和施工技术人员必须深化水泥、混凝土的知识,才能知道如何对水泥提出全面而正确的要求,并正确使用混凝土。业主,工程监理人员也要懂得水泥、砂石、外加剂等原材料的何种组合和性质对混凝土有何影响,以提高混凝土的性能,降低混凝土的成本,促进混凝土技术的健康发展。

　　近年来,建设工程的业主、施工、监理和设计对混凝土工程质量仅要求和注重强度,而忽视了混凝土结构的耐久性,在实践中只将强度作为混凝土质量要求和验收标准备。有些施工单位反映“混凝土一上C40就开裂”。其原因很复杂,涉及多方面,仅技术而言,施工质量控制(施工管理技术水平,施工人员素质) ,混凝土的原材料和配合比是影响工程质量的重要因素。

1　混凝土配合比设计

　　混凝土配合比是进行生产的依据,直接关系到混凝土的性能和生产成本,是混凝土质量控制的核心部分。混凝土配合比设计目标值应为: ① 具有较高的强度指标满足设计强度要求; ② 具有较好的流动性,易于施工; ③体积稳定性好; ④高度的耐久性; ⑤较好的原材料组合,达到材料成本最低化。确定混凝土的配合比设计应紧紧围绕这5个目标值,根据结构设计强度等级、混凝土的耐久性、及工程的结构部位、运输距离、施工方式等来确定原材料的品种、规格及拌合物的坍落度等性能。混凝土的配合比计算,一般先利用相关的混凝土强与水灰比的关系式计算出水灰比,然后根据经验,有关资料选定每1 m3 混凝土的用水量,胶凝材料用量,然后根据混凝土的工作性能要求确定砂率,外加剂掺量,确定粗骨料的用量,最后通过试配确定生产的配合比。在实际生产实践中,由于整个计算、试配过程基本以强度作为主要控制指标,加上部分试验人员对混凝土的用水量,胶凝材料用量,砂率、粗骨料用量及外加剂等对混凝土的强度、耐久性的影响关系认识不足,片面以加大胶凝材料(水泥)的用量以提高混凝土强度,最后试配不出最经济合理的配合比来指导生产。

　　下面就某项目2个施工单位预制50 m T梁的C50施工配合比进行比较。两单位均采用同品牌P. 042. 5级水泥,相同料厂生产的碎石与机制砂,相同掺量(1% )的同种高效减水剂,试配结果见表1。

经比较乙单位试配出混凝土性能比甲单位好,每1 m3 混凝土的成本要比甲单位低,且预制T梁的混凝土外观质量比甲单位好。

2　胶凝材料的控制

2. 1　我国水泥标准修订的影响

　　20多年来,我国水泥标准进行过3次修订。第1次修订的标准于1979年7月开始实施,第2次修订1992年开始逐步实施,第3次修订1999年开始实施。水泥标准的修订,促进我国水泥生产工艺的改进和产品质量的提高,通过对标准修订,增加了熟料中C3 S和C3A的含量,水泥细度从比表面积平均300 m2 /kg增加到平均330 m2 /kg, 提高了水泥强度,尤其是早期强度,导致水泥的水化速率过快、水化热大、早期强度发展过快过高、混凝土的微观结构不良、收缩大、抗裂性下降、抗腐蚀性差,同时使水泥与相同高效减水剂的相容性变差。实践表明,早期强度很高的混凝土,有些在14 d以后强度几乎不再增长,长期强度甚至还可能倒缩。水泥中C3A 的3 d水化热量分别约为C3 S的3. 7倍和C2 S的17. 7倍, 7 d水化热量分别约为C3 S的7倍和C2 S的37倍; C3A的收缩率大约是C3 S和C2 S的3倍。

2. 2　水泥强度等级的选择

　　混凝土的强度主要由水泥浆的强度、水泥浆与骨料界面的粘结强度、骨料颗粒强度决定。水泥浆将骨料牢固地粘结成整体,而水泥浆的强度取决于水泥的强度等级,因此,合理选择水泥的强度等级非常重要。研究表明,等级越高的水泥越易获得更高的强度,但其强度增长不与水泥抗压强度的增长成正比,当水泥的强度等级过高于混凝土设计强度等级时,水泥用量小,拌合物松散,粘性差,反之过低时,水泥用量过多,混凝土拌合物粘聚力大,成团,不便浇注,不经济,且过大的水泥用量也可能引起混凝土在水化初期出现塑性裂缝以及收缩量的增加。

2. 3　水胶比的控制

　　为使混凝土有较高的强度,就要减少硬化水泥浆体中的毛细孔隙,改善水化产物的结构,提高水泥石的结构强度,特别是骨料界面上的硬化浆体的结构强度,在水胶化较高的普通混凝土中,拌料内大量水份加大了水泥颗粒间的距离,硬化后留下大量毛细孔隙,拌料中过量的水份还有集结在粗骨料表面特别是底面的倾向,水泥石的结构强度因此也不可能很高,而硅酸盐水泥的主要水化产物是水化硅酸钙与氢氧化钙,氢氧化钙为强度较低的六角片状结晶,更使粗骨料界面成为混凝土中的薄弱环节,所以降低混凝土的水胶化和用水量是提高混凝土强度的重要环节。但混凝土获得较好的流动性需要较多的拌合水,由于水泥置于水中后会产生絮凝作用并禁闭部分自由水份,太多的拌合水不但增加了内部孔隙率,形成各种介质侵入的通道,而且由于导致的早期与后期的高收缩率很容易造成裂缝,这对混凝土的耐久性极为不利,而高效减水剂具有高度分散水泥颗粒.消隙絮凝的作用,解决了降低水胶化和用水量与提高和保证拌合料工作度之间的矛盾,提高了水泥石的密实性和混凝土的体积稳定性,改善了混凝土的耐久性,能够提高混凝土强度20%左右,同时能够节约水泥用量,降低生产成本,具有明显的经济效益。

　　改善胶凝材料粉体颗粒的级配也是减少混凝土中毛细孔隙的一种途径,目前混凝土工程中应用较多的细掺合料有: 硅粉、矿粉、粉煤灰等,细掺合料能很好地填充水泥在凝结和硬化过程中形成的空隙,改善水泥的微孔结构,改善水泥石与骨料之间的界面结构,使混凝土更加密实。细掺合料在氢氧化钙的激发下具有一定的活性,能与水泥水化产物薄弱结晶氢氧化钙起反应,生成水化硅酸钙,并能使水泥水化产物氢氧化钙的结晶变得细小,从根本上改善混凝土的微观结构性能,与骨料界面性能,使混凝土的强度和耐久性得到显著的提高。

　　工程实践证明,在相同材料和工艺条件下,混凝土强度取决于水胶比,即混凝土强度随水胶比增大而降低,这就是水胶比定则,但是有些技术员和操作工对现场加水破坏混凝土耐久性、和易性认识不足,以为用水稀释拌合物,增大坍落度便于搅拌、泵送、浇筑,殊不知,合理水胶比每增加0. 05,混凝土强度就可能下降10MPa,另外,搅拌好的混凝土是水与水泥,水泥浆与石子,砂浆与石子之间彼此包裹和填充的混合结构,向其加水,会加剧混凝土的离析和泌水,影响硬化后混凝土强度和耐久性,同时会造成混凝土泵送、浇筑过程胀模、跑浆现象,从而产生蜂窝、麻面、露筋等质量问题。

3　骨料的质量控制

　　粗细骨料作为混凝土的重要组成部分,占其质量的3 /4左右,骨料构成的骨架提高了混凝土的密实性,减少了荷载作用下的变形,同时水泥石硬化收缩产生的不均匀的收缩变形而产生内应力,会导致裂缝,而骨料能够制约水泥石的收缩,使混凝土具有较好的体积稳定性。同时骨料比胶凝材料等其他组成材料便宜很多,这也是混凝土比较便宜的一个重要原因。为了使骨料的技术及经济作用能够充分发挥,骨料应满足: 致密、坚硬、无有害物质和具有较小的粒间空隙和表面积,即: 粒形好、等径状颗粒多、针片状颗粒少、级配好。

3. 1　骨料强度

　　混凝土的强度一定程度上取决于水泥与骨料的的砂率都会影响拌合物的和易性,同时砂的细度模数也直接关系到砂率的选择,为获得相同的和易性,随砂的细度模数降低,砂率也相应降低,在保证和易性前提下,应尽量选用小的砂率,以减少水泥的用量,降低成本。

4　混凝土的可持续发展与砂石材料危机

　　可持续发展是以保护资源和环境以及节省能源为前提的。混凝土中的砂石料占总量的70%以上,砂石的生产和质量也影响到混凝土能否可持续发展的问题。

　　在混凝土的各种原材料中,长期以来人们只重视水泥的质量,而忽视砂石的质量,由于砂石原料来源广泛易得,生产工艺简单,价格低廉而长期不受重视,被认为是一种取之不尽的材料而随意浪费。近年来,由于国家加大对基础设施的投入,混凝土用量猛增,对砂石的需求大大增加,因而出现大量不具规模的作坊或私人采石场,采用安全措施很差的落后的破碎机破碎石料,采用这种工艺,强度越高的岩石针片颗粒越多,粒径越小针片状颗粒越多,为保证针片状颗粒总量不超标,几乎都将10 mm以下颗粒筛除,因此,石子生产过程中资源浪费严重,而且质量越来越差。砂子的开采更加无序,滥采滥用的结果,使一些建设项目越来越买不到混凝土所需级配良好的粗砂,用现有的砂石必须增加胶凝材料和高效减水剂掺量来满足拌合物流动性要求,不仅不经济,而且使混凝土弹性模量降低,收缩增大,从而影响耐久性。

　　节约资源一方面需要科学开采,只有使砂石的生产集约化,达到一定规模,才有力量改造落后的生产工艺,进行科学的质量控制和管理以及下脚的综合利用。另一方面还需科学使用,这需要我们纠正一些观念,倒如对粗骨料,若控制了风化(软弱)颗粒,含混(细粉)量和其他杂质含量,对强度不必要求太高,若破碎后的粒形好,等径状颗粒多,针片颗粒少,对混凝土强度影响小、而粗骨料的粒形对混凝土的性能尤其是施工性影响较为重要,放宽对粗骨料强度的要求,可扩大粗骨料的可用资源,减少加工过程中的浪费,同时可提高粗骨料的总体质量,解决砂石料危机,保证混凝土的可持续发展。

5　结语

　　1981年[英]悉尼·明德斯( Sianey Mrndes) ,[美]J·费朗西斯·杨( J ·Erancis·Young) ,在合著《混凝土》一书首页上写道“混凝土已经成为现代社会的基础,在日常生活中几乎各个方面都直接或间接地涉及到混凝土”。随着混凝土的广泛应用,通过对混凝土原材料品种、用量及品质对混凝土的技术经济性能的影响分析,加深对混凝土宏观技术、经济性与其组成成份的内在关系的认识,有利于工程技术人员在混凝土配合设计与混凝土生产时做到技术先进、性能良好、经济合理。

参考文献:

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

　　[ 2 ] 吴历斌. 高强高性能混凝土中集料对力学性能的影响[ J ]. 混凝土, 2001.