朱效荣  1970出生,教授、研究员级高级工程师,北京城建集团高级顾问,冀东发展集团首席科学家。
       科技创新
 
 
C100高性能混凝土研究与应用
 

 

C100高性能混凝土研究技术报告

一、概 

1.1研究与开发C100高性能混凝土的意义

 随着现代建筑物的高层化、大跨化、轻量化以及使用环境的严酷化,在建筑工程中所使用混凝土的强度等级逐渐增高,品质也日趋完善。目前,人们已在海洋深处建造大型的结构物,在辽阔的海面上建造巨大的工作平台,在城市里建造垂直城市(超高层大厦),也正在建造跨越大江、深谷、海峡的大跨度桥梁,穿越海峡的海底隧道,现代化的高速火车栈桥,以及各种大型的地下建筑物及井巷工程等等。根据预测,21世纪世界大跨桥梁的跨度将达到600米,高耸建筑物的高度将达到900米,而钢筋混凝土的超高层建筑将达100层以上。所有这些新奇建筑和巨型工程对混凝土的强度和耐久性提出了更高的要求。为适应这种要求,混凝土科学与工艺技术水平将不断提高,C60、 C70的混凝土将成为通常使用的混凝土,在许多情况下将使用C80~C100的混凝土,在特殊场合将使用C100~C200的混凝土,甚至更高强度等级的混凝土。因此,研究和开发高强、高性能混凝土具有重要的意义。

目前,在国家大剧院的施工建设项目中,为了满足承重和各种使用功能,设计采用了C100高性能混凝土,随着北京申办2008年奥运会的成功,预计今后还会有一批大型体育馆所及体育运动中心在设计中采用C100及C100以上的高强高性能混凝土。因此研制和开发C100高性能混凝土并应用到实际工程中成为本企业发展的一项迫切任务。

1.2 国内外技术现状

随着城市建设的发展和施工技术的进步,对混凝土品质指标和经济指标提出了更高的要求,促进混凝土向着高强、轻质、流态、耐久等高性能方向发展。

目前,国内外有关高强、高性能混凝土的研究及应用发展很快。国际上在工程上获得使用的混凝土强度已达到100~130MPa,发达国家已能普遍提供强度为80~100 MPa的商品混凝土。在我国高强、高性能混凝土的研究和应用起步较晚,发展速度也较慢,混凝土平均强度长期徘徊于30MPa的水平,比发达国家要落后10~15年。近年来,由于高性能外加剂、高标号水泥和掺合料的发展应用,为普通工艺条件下制备高强、高性能混凝土提供了有利的技术条件。在国内,一些大型结构、铁路工程和市政工程设计中,较多地出现了C50、C60甚至更高强度的混凝土,已有的许多实践应用说明了高强、高性能混凝土的特点和实际应用价值。

1.3 研制的技术路线

    为了大幅度提高混凝土的强度,目前主要采取以下几种技术途径:

    (1)为了改善混凝土的脆性,减少空隙,提高混凝土的密实性和强度,在混凝土中引入高分子聚合物,即聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土及聚合物混凝土等。由于新型复合胶结材料的引入,改变了原来水泥的结构和性质,在水泥新生物的结晶—凝聚结构的刚性空间骨架中聚集了有机聚合物,使刚性无机物之间被坚固的有弹性的和有粘附性的有机聚合物点或网膜所交结,既提高了混凝土的强度,又改善了混凝土的脆性。但是,此类混凝土价格昂贵,工艺复杂,此外聚合物混凝土还存在着老化及耐久性不良等问题,因此未能得到广泛地应用。

    (2)利用碱矿渣水泥配制高强混凝土。碱矿渣本身基本上没有自行水化的性能,但在矿渣中掺入石灰、石膏或硅酸盐水泥进行激发后,其水化能力增加,如用碱金属化合物进行配制时,其水硬性骤增,强度急剧增高。用这种材料配制的混凝土除强度高以外,耐久性优异,制造工艺简单,生产能耗低,但由于这种混凝土凝结速度快,不利于运输和泵送施工,另外碱的资源也有限,所以至今在实际工程中应用的还不多。

(3)以硅酸盐水泥为基材,掺入高效减水剂并同时掺加超细掺合料,再通过对骨料的优选,各材料达到最佳配合比例时,可以制得强度达80~150MPa的高性能混凝土。由于这种方法工艺简单,施工方便,成本也较低,材料来源丰富,因此易于推广。

经过认真的分析比较后,结合我国国情,我们把研究的重点放在第三种方法上,围绕着如何强化基材,改善骨料与胶结料的粘结强度进行研究,力求不采用特殊的原材料,不改变常规的施工工艺,就能配制出强度高,工作性能优异,耐久性好的高性能混凝土。

二、试验方案

1. 试验要求

采用常规生产工艺,利用北京地区常用砂、石和P.O42.5水泥,选择适宜的外加剂和掺合料,配制C100泵送混凝土,其性能指标要求如下:

(1) 试配强度:fcu,28≥115MPa

(2) 坍落度:220±30mm

(3) 扩展度:D≥500 mm

(4) 2h内混凝土坍落度损失:≤10%

2. 方案设计

根据试验要求,考虑研究目的,试验方案设计如下:

(1) 对外加剂、掺合料等原材进行选择性试验;

(2) 采用正交设计试验优选配合比;

(3) 对配制的C100混凝土进行工作性能、力学性能和耐久性能试验,同时对其微观结构进行分析。

3. 试验设备及相关条件

(1) 设备:60L强制式搅拌机

(2)搅拌时间:2min

(3)成型方式:机械振捣

(4)养护条件:标准养护

(5)龄期:3d、7d、28d、60d

三、试验研究

1. 原材料的选择

1.1水泥

常用的几种水泥的主要技术数据见表1。

表1    水泥技术数据

水泥

品种

细度

(%)

标准

稠度

(%)

抗折强度(MPa)

抗压强度(MPa)

3天

28天

3天

28天

鹿泉鼎鑫P.O42.5

1.2

27.2

6.5

9.8

35.5

58.7

琉璃河P.O42.5

1.2

28.0

6.1

8.2

26.8

52.2

冀东盾石P.O42.5

1.6

27.0

5.8

9.4

24.9

54.1

启新马牌P.O42.5

2.2

27.6

5.4

8.5

26.2

51.6

北京京都P.O42.5

0.8

27.5

6.2

9.5

35.1

56.0

经过对比,本研究初步确定从京都牌、鼎鑫牌和盾石牌三种水泥中选择活性高、质量性能稳定的P.O42.5水泥。分别采用这三种不同的水泥,同一种外加剂的三种不同掺量进行流动度对比试验,试验结果如图1所示。

图1   不同外加剂掺量对水泥净浆流动度的影响

根据对比试验结果,选用鼎鑫牌P.O42.5水泥,其性能见表2。

表2    鹿泉鼎鑫P.O42.5水泥性能

化学成分

C3A(%)

R2O(%)

Cl(%)

SO3(%)

C4AF(%)

含量

15.2

0.84

0.0004

2.56

9.3

物理性能

烧失量

(%)

标准稠度

(%)

凝结时间(h)

抗折强度(MPa)

抗压强度(MPa)

初凝

终凝

3天

7天

3天

28天

2.02

26.9

2:09

4:32

6.3

8.9

34.4

59.5

1.2集料

1.2.1细集料

    细集料采用洁净的中砂,细度模数为2.6~3.0。其性能如表3。

细度模数

表观密度

堆积密度

含泥量

泥块含量

2.8

2650kg/m3

1550kg/m3

0.4%

0

1.2.2 粗集料

    粗集料采用质地坚硬、级配良好、界面条件较好的机制碎石,针片状含量低,石子的粒径为5-25mm。性能指标见表4。

表4    碎石的技术指标

公称粒径

表观密度

堆积密度

含泥量

针片状含量

压碎指标

5-25mm

2630kg/m3

1550 kg/m3

0.3%

5.6%

6.3%

1.3拌合水

采用自来水。

1.4外加剂

C100高性能混凝土要求较低的水灰比,因此选用高效减水剂是实现高强度和高耐久性必不可少的技术措施之一。

采用同一种水泥(鼎鑫P.O42.5)分别对萘系减水剂W1、聚羧酸系列减水剂W2和蜜胺系列减水剂W3三种外加剂,进行流动度对比试验。试验表明,W1的最佳掺量为2% ,W2的最佳掺量为5% ,W3的最佳掺量为4%,经过对萘系减水剂(W1)、蜜胺系列减水剂(W3)和聚羧酸(W2)系列减水剂试验结果的对比,选用W2聚羧酸系列高效减水剂。它具有无氯、低碱、高效等特点,能非常明显的改善混凝土和易性及粘聚性,提高混凝土的密实性和耐久性等,其技术指标如表5所示。

表5   W2高效减水剂的技术指标

减水率%

31.2

碱含量%

0.37

比重(20℃)

1.04

PH值

7.1

固含量%

20

对钢筋锈蚀

抗压强度比%         

标准值

本品值

1天

≥140

165

3天

≥130

7天

≥125

130

28天

≥120

130

1.5矿物掺合料

    根据高强、高性能混凝土的研究成果,采用以下几种矿物掺合料,按一定的比例复合后用于配制C100高性能混凝土。

1.5.1矿渣粉

    采用首钢产?;呗笤?,其物理力学性能指标及化学成分见表6、表7。

表6    矿渣的物理力学性能指标                                                                                     

项目

级别

实测值

S105

S95

S75

密度,g/cm3     不小于

2.8

3.1

比表面积,m2/kg    不小于

350

420

活性指数,% 不小于

7天

95

75

55

98

28天

105

95

75

102

流动度比,%     不小于

85

90

95

91

 烧失量,%          不大于    

3.0

1.0

氯离子,%      

-

0.01

表7    矿渣粉的化学成分

化学成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

TiO2

含量(%)

33.56

11.4

0.33

40.39

11.20

0.57

0.57

1.34

1.5.2粉煤灰

粉煤灰能改善混凝土施工性能和力学性能、减少混凝土需水量、避免混凝土拌合物的离析、泌水、改善工作性、减少坍落度损失;本研究使用的粉煤灰各项技术指标见表8。

表8    粉煤灰技术指标

技术指标

分级标准

元宝

山灰

北京

东郊灰

蓟县

煤灰

高井

煤灰

Ⅰ级

Ⅱ级

细度(0.045mm方孔筛筛余%)

12

20

6.0

18.0

5.0

5.4

需水量比(%)

95

105

94

103

92

97

烧失量(%)

5

8

1.89

3.46

1.65

1.73

SO3(%)

3

3

0.68

0.96

0.72

0.65

1.5.3硅粉

本研究使用硅粉的主要性能指标如表9。

表9    硅粉的性能指标

项目

指标

实测值

比表面积m2/kg  不小于

18000

20000

SiO2%        不小于

85

94

1.5.4复合掺合料

配制C100高性能混凝土,依靠单一品种的掺合料无法满足要求,因此选择两种或两种以上掺合料复合的方案。本试验选用的复合掺合料性能指标见表10。

表10    复合掺合料的性能指标

项    目

级别

实测值

F105

F95

F75

比表面积,m2/kg          不小于

350

620

细度(0.045mm方孔筛筛余),%不大于

10

3.0

活性指数,%

7天         不小于

90

70

50

130

28天        不小于

105

95

75

128

流动度比,%            不小于

85

90

95

95

三氧化硫,%            不大于

3.0

1.7

烧失量,%             不大于

5.0

2.0

碱含量,%

----

0.64

2. 配合比的优化

2.1正交试验

在优选原材料和已确定的外加剂品种及掺量的基础上,考虑水灰比和复合料掺量对混凝土强度和工作性的综合影响,采用正交设计方案进行配比的优?。赫皇匝椴捎肔9(34)试验方案,即3因素、3水平正交试验,各因素水平见表11。

表11    正交设计因素水平(3因素3水平)

水平\因素

水胶比

A

复合料掺量(%)

B

砂率(%)

C

1

0.30

15

36

2

0.28

20

38

3

0.26

25

40

本试验共进行9组配比试验,具体试验数据见表12,极差分析见表13。

表12   L9(34)试验数据

试验号

水胶比

复合料掺量

砂率

空列

28d抗压强度(MPa)

坍落度(mm)

扩展度(mm)

A

B

C

D

1

1

1

1

1

88.8

250

560

2

1

2

2

2

94.2

255

580

3

1

3

3

3

95.4

250

600

4

2

1

2

3

108.1

250

550

5

2

2

3

1

115.3

255

600

6

2

3

1

2

116.6

260

600

7

3

1

3

2

119.8

240

580

8

3

2

2

3

118.2

260

600

9

3

3

1

1

124.2

240

600

因素

极差

28d抗压强度

坍落度

扩展度

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

K1

278.4

316.7

329.6

328.3

755

740

750

745

1740

1690

1760

1760

K2

340.0

327.7

320.5

330.6

765

770

765

755

1750

1780

1730

1760

K3

362.2

336.2

330.5

321.7

740

750

745

760

1780

1800

1780

1750

k1

92.8

105.6

109.9

109.4

252

247

250

248

580

563

587

587

k2

113.3

109.2

106.8

110.2

255

257

255

252

583

593

577

587

k3

120.7

112.1

110.2

107.2

247

250

248

253

593

600

593

583

R

17.9

6.5

3.4

2.0

3

10

9

5

13

37

16

4

表13   各因素对试验结果的极差分析

注: Ki、ki分别表示第i水平,每个因素的试验结果总和和平均值;R表示极差。

2.2试验结果分析

根据表12的试验数据和表13的极差分析,绘制出各因素水平对混凝土性能指标的影响程度分析图,由图中可以看出:

(1)采用A因素水平1配制的混凝土,其28d抗压强度未能达到试验要求的配制强度;采用A因素水平2和水平3所配制的混凝土28d抗压强度均可达到所要求的配制强度。

(2)3个因素对混凝土28d抗压强度影响程度中,水灰比的影响最为显著,掺合料掺量的影响次之。

(3)对坍落度、扩展度的影响程度中,掺合料掺量与砂率的影响均较显著。

根据上述影响因素分析和配比试验结果,可以看出:表12中9号配合比的混凝土28d抗压强度最高,流动性也好。因此采用A3B3C1配制方案,最终确定配合比如表14所示。

表14            C100混凝土配合比

W/C+F

Sp(%)

C

S

G

W2

复合料

0.26

36

450

614

1092

30.0

150

3. 混凝土拌合物性能试验

3.1工作性能试验

C100级混凝土除具有足够高的强度以外,还应具有良好的流动性和一定时间的保持性,我们对新拌混凝土进行了坍落度、排空时间和5小时内的坍落度损失试验,试验数据如表15和图4所示。试验结果表明:C100混凝土在5小时之内混凝土坍落度损失在20mm以内,排空时间在10-15s以内,具有大的流动性;新拌混凝土含气量低于1.0%,密实度好。因此,C100混凝土具有良好的工作性。

表15   C100混凝土拌合物工作性能

混凝土

强度等级

T0

mm

T1

mm

T2

mm

T3

mm

T4

mm

T5

mm

排空时间(s)

含气量(%)

C100

250

250

245

245

240

235

12

0.50

C100

255

255

250

245

240

240

15

0.56

C100

260

260

260

255

245

240

10

0.74

 

图4  混凝土坍落度随时间损失图

4. 硬化混凝土力学性能试验

4.1立方体抗压强度

我们按照已确定的配合比重复进行了14次立方体抗压强度的试验,验证该配合比的稳定性。试验结果见表16所示。

表16  C100混凝土的抗压强度

序号

抗压强度(MPa)

序号

抗压强度(MPa)

3天

7天

28天

60天

3天

7天

28天

60天

1

50.6

105.8

127.8

128.0

8

48.2

105.8

123.0

128.9

2

61.5

103.5

120.8

122.0

9

62.1

99.4

119.6

127.1

3

70.2

104.5

126.6

130.0

10

57.2

101.3

118.5

123.6

4

60.0

105.6

120.8

126.2

11

59.0

101.4

125.9

128.2

5

65.7

80.1

120.9

122.1

12

53.3

98.6

113.1

115.5

6

49.9

97.5

117.6

124.5

13

60.1

102.6

125.7

110.9

7

60.0

101.0

120.9

121.0

14

58.0

98.2

129.8

129.0

从试验结果可以看出,采用以上原材料和配合比配制出的C100高性能混凝土,其28d抗压强度能稳定地达到115MPa以上。

4.2强度发展规律试验

分别对C100高性能混凝土进行3d、7d、28d、60d立方体抗压强度试验,以寻求其强度发展状况。将试验数据在坐标图中描出,并进行强度曲线回归,回归曲线相关系数为0.928,表明试验结果具有良好的相关性。从试验的结果可以看出:混凝土在28d前(尤其是7d前)强度增长较为迅速、明显;28d以后,强度仍会继续增长,但比以前增长的较为缓慢。

4.3其它力学性能

为了进一步研究C100高性能混凝土的其他力学性能,我们还进行了抗折、轴心抗压、劈裂抗拉等强度试验,其结果列于表17。

试验结果表明,随着混凝土抗压强度的提高,混凝土抗折强度、轴心抗压强度、劈拉强度也随着提高。C100混凝土轴压比为0.77,与普通混凝土的较为接近;拉压比达到6.1%,比普通混凝土略低,但规律是一致的;静弹性模量高于《高强高性能混凝土结构设计与施工指南》中给出的数值。

表17    C100混凝土力学性能数据

项目

 

龄期

立方体抗压强度 fcu(MPa)

轴心抗压强度fcc(MPa)

劈拉强度ft(MPa)

抗折强度fts(MPa)

 

静弹性模量(MPa)

 

比        值(%)

fcc/fcu

ft/fcu

fts/fcu

30天

115.4

88.1

7.02

11.0

56700

77.3

6.1

9.5

90.2

7.10

平均值

89.2

7.06

5. 耐久性能试验

5.1收缩性能

混凝土的收缩性能是指混凝土在规定温度、湿度条件下,不受外力作用引起的长度变化。我们成型了100mm×100mm×515mm的C100高性能混凝土试件2组,为了测定混凝土的早期收缩,分别在水中养护1天和3天;再放在温度20±3℃,相对湿度60±5%的恒温恒湿室测量其长度变化,试验数据如表18和图6所示。

表18      C100混凝土的收缩试验数据

试件编号

收缩率(×10-6)

备    注

3d

7d

14d

28d

45d

60d

90d

1

-

30

50

71

89

101

112

水中养护3天

2

33

42

62

83

98

110

123

水中养护1天

      图6     C100混凝土的收缩曲线

试验结果表明:由于C100混凝土掺入了大量优质的矿物掺合料,提高了混凝土的密实性,使混凝土在实现高强度的同时,具有良好的体积稳定性。

5.2抗渗性能

混凝土的抗渗性能是反映混凝土耐久性的重要指标之一。为了验证C100混凝土的抗渗性能,按照标准试验方, 法进行抗渗性试验。试验表明,由于C100高性能混凝土具有良好的密实性,抗渗等级可达到P35以上,适合于地下工程结构和自防水结构混凝土。

5.3抗冻性能

混凝土的抗冻性是指其在饱和状态下遭受冰冻时,抵抗冰冻破坏的能力,它是评定混凝土耐久性的重要指标,以抗冻等级(F)表示。我们成型了100mm×100mm×400mm的C100高性能混凝土试件进行了快冻法试验,试验数据见表19。

表19    C100高强混凝土冻融试验结果

D100次冻后

D200次冻后

D300次冻后

相对动

弹模(%)

平均

(%)

失重

(%)

平均

(%)

相对动

弹模

(%)

(%)

失重率

(%)

平均

(%)

相对动

弹模(%)

(%)

失重率

(%)

平均

(%)

96.7

97.0

0.00

0.00

95.5

95.8

0.00

0.00

94.0

94.1

0.00

0.00

96.9

0.00

95.9

0.00

94.0

0.00

97.5

0.00

96.1

0.00

94.1

0.00

试验结果表明,由于C100混凝土水胶比小,强度高,结构致密,所以抗冻融性能好。经过300次冻融循环后,失重为0,相对动弹模仍保持94.1%,远远优于普通混凝土。因此,C100高性能混凝土具有良好的耐久性能??梢栽ぱ?,这种高性能混凝土结构的使用寿命可达百年以上。

5.4氯离子扩散试验

混凝土中孔溶液的PH>10时,如果钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值,就会破坏钢筋表面的钝化膜,使钢筋局部活化形成阳极区。钢筋一旦失钝,氯离子的存在就会使筋局部酸化,导致锈蚀速率加快。因为FeCl2的水解性强,氯离子能长期反复地起作用,而增大孔溶液的导电率和电腐蚀电流。所以,氯离子的渗透性对于混凝土的耐久性极为重要。

我们对C100高性能混凝土进行了氯离子扩散试验,并和C30普通混凝土进行了对比。试验结果见表20。

表20   C100 混凝土的离子渗透试验数据

强度等级

氯离子扩散系数(×10-8cm2/S)

1

2

3

平均值

C30

2.47

2.83

2.83

2.71

C100

1.13

0.87

1.03

1.01

试验数据表明,C100高性能混凝的氯离子扩散系数明显低于C30普通混凝土。

5.5混凝土的碳化试验

空气中的CO2不断向混凝土内部扩散,且溶于毛细孔的孔隙水中呈弱酸性;溶于水的CO2与水泥碱性水化物Ca(OH)2发生反应,生成不溶于水的CaCO3,使混凝土孔溶液的pH值降低,这种现象称为中性化,又称碳化。当混凝土的PH<10时,钢筋的钝化膜被破坏,钢筋要发生锈蚀。钢筋生锈后的体积要比原来钢筋的体积膨胀2.5倍,因此会导致混凝土开裂,与钢筋的粘结力降低,混凝土?;げ惆?,钢筋断面积发生缺损,严重影响混凝土结构的耐久性。

本试验成型了四组C100混凝土试件,按照规定龄期放入CO2浓度20±3%、温度20±5℃、湿度70±5%的碳化箱中加速碳化,测得3d、7d、14d、28d混凝土的碳化深度均为零,试验数据见表21。试验结果证明C100混凝土的密实性好,具有较高的抗碳化能力。

表21   C100 混凝土的碳化试验数据

碳化龄期(d)

碳化深度(mm)

碳化龄期(d)

碳化深度(mm)

碳化龄期(d)

碳化深度(mm)

碳化龄期(d)

碳化深度(mm)

3

0.0

7

0.0

14

0.0

28

0.0

3

0.0

7

0.0

14

0.0

28

0.0

3

0.0

7

0.0

14

0.0

28

0.0

3

0.0

7

0.0

14

0.0

28

0.0

5.6 微观孔结构分析

采用压汞法对混凝土结构进行微观孔结构分析,试验结果表明,C100混凝土的总孔隙率为6.94%,其中>100nm的孔为1.43%;50~100nm的孔为0.27%;10~50nm的孔为1.14%;<10nm的孔为4.10%,可以看出:总孔隙率低,且绝大多数孔的孔径<100nm属于无害孔,如图7示。在混凝土的孔径分布中,一般认为>100nm的孔为有害孔,<50nm的孔为无害孔,因此可以认为混凝土的孔结构分布合理,这是保证混凝土耐久性能的重要条件。

 5.7含量计算

由于C100高性能混凝土水泥用量较高,为防止碱—集料反应、应严格控制各组分带入混凝土的含碱量,尤其是水泥与外加剂。为防止混凝土中发生碱集料反应,采用河北怀来的低碱活性机制碎石,潮白河系列低碱活性砂,同时控制总含碱量不超过5kg。本试验配制C100混凝土的碱含量计算如表22所示:

表22     每m3混凝土的碱含量计算

 

C

S

G

W2

复合料

混凝土碱含量(kg)

原材用量(kg)

450

614

1092

30.0

150

2.29

碱含量(%)

0.42

低碱活性

0.37

0.64

由表可知:C100混凝土单方碱含量符合《北京市预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定》(试行)中的规定。

四、试验结论

1.  本研究利用P.O42.5水泥、高效减水剂、复合掺合料和其他组成材料用合理配合比配制成功C100高性能混凝土,其28d抗压强度平均大于115MPa。

2.  利用该技术配制的C100高性能混凝土流动性好、坍落度经时损失小,适合于高层建筑和大型混凝土结构的泵送施工。

3.  C100高性能混凝土力学性能优良,劈裂抗拉、轴压、抗折强度、弹性模量均随着抗压强度的提高而提高;混凝土的拉压比和折压比与普通混凝土相近。

4. C100高性能混凝土水胶比小,结构致密、碳化收缩小、对钢筋?;ば院?、耐久性优异,抗渗等级可达到P35以上,可用于自防水混凝土结构工程。

5.  利用该技术配制的高性能混凝土,其他物理学力性能指标,符合相应的规范要求,具备高性能混凝土的优异品质。

6.  C100高性能混凝土大量利用工业废料,节约能源,?;せ肪?,降低制造成本,符合可持续发展战略,具有较强的市场竞争力。

C100高性能混凝土工程应用报告

1. 工程概况

   国家大剧院工程位于北京市西城区兵部洼胡同34号,人民大会堂西侧,临近天安门广场、人民大会堂、中南海、长安街等重要建筑物与重要区域,为全额国家财政拨款的国家重点工程,由法国AEROPOROTS  DE  PARIS设计公司设计。工程总占地面积11.89公顷,建筑面积19.45万m2,建筑总高46.25m。主体结构从-7.08m起共有86根钢管柱,截面尺寸分别为Ф500mm、Ф400mm,其中部分钢管柱芯采用C100混凝土,对混凝土各项指标要求较高。

2. C100高性能混凝土的试生产

2.1 C100高性能混凝土的试生产的要求

(1)原材料的计量必须由专人负责,并记录计量结果。计量精度允许偏差如下:水泥±1%;掺合料±1%;砂石±2%;外加剂±0.5%;水±1%。

(2)必须先进行物料的均化。

(3)生产过程有专人负责,抽检不合格及时通知相关部门有关领导进行处理。

2. 2 原材料的选用

(1)水泥:P.O42.5级;

(2)石子:粒径为(5~25)mm三河碎石;

(3)砂:选用中粗砂,模数2.6,含泥量0.2%,泥块含量为0,属于B类低碱活性集料;

(4)外加剂: W2;

(5)复合掺和料:自配制复合料;

(6)水:符合国家标准的饮用水。

2. 3 配合比

    采用试验室理论配合比进行试拌,根据原材料含水率确定施工配合比。

3. C100高性能混凝土性能

3.1 拌合物性能

对所配制的C100高性能混凝土拌合物坍落度及其损失值、凝结时间、含气量等进行检测,结果见表23。

表23  C100高性能混凝土拌合物性能应用试验数据

混凝土

强度等级

坍落度(mm)

扩展度

mm

含气量(%)

排空时间(s)

0

1h

4h

5h

C100

250

245

240

220

620

1.0

13

3.2 力学性能

C100混凝土运输到施工现场后,我们同时留置了3d、7d、28d、60d、边长150mm立方体试件,送法定检测机构进行抗压强度检测。根据检测报告提供的28d抗压强度数据进行统计分析评定,C100高性能混凝土结果如表24所示。

  表24   C100混凝土强度评定

组数

抗压强度均值

均方差

验收函数A

验收界限B

结果

μfcu

Sfcu

μfcu1 Sfcu

[0.90×fcu,k]

A>B

21

117.9

6.75

106.8

90

fcu,min

[0.85×fcu,k]

A>B

107.3

85

结论

强度合格

 

4. 工程应用情况

   自2002年9月9日至11月16日,我公司进行了C100高性能混凝土在国家大剧院工程中的实际应用。由于工程项目的特殊性和施工现场和周边环境的限制,C100高性能混凝土与普通混凝土相比,无论是在强度方面还是在运输和施工中都有一定的难度。根据具体情况,试验人员合理选用原材和外加剂,使得混凝土初始坍落度为220mm~240mm,扩展度550mm~650mm,经过4小时,当预拌C100高性能混凝土由搅拌运输车运输到达施工现场时,坍落度保留值仍为220mm~240mm,工作性能优异,和易性好,易于振捣,混凝土泵送正常,不离析,不泌水,粘聚性好。负责现场施工的监理和甲方技术人员非常满意。我公司与施工单位在现场依据规范要求共同取样留置试件,分别编号,养护至规定龄期分别送检,共留置28天试件21组,强度平均值117.9MPa,最高值129.8MPa,标准差6.75MPa,根据GB107-87评定为合格。

5. 经济效益和社会效益分析

5.1经济效益

C100高性能混凝土,采用P.O42.5普通硅酸盐水泥、洁净的中砂和质地坚硬、级配良好的碎石,主要技术是依靠特制的高效减水剂和优质掺合料,不采用特殊的原材料,也不改变常规施工工艺,其成本价格与市售商品混凝土价格相当, C100混凝土代替C40混凝土,自重可减轻40%,降低造价16%;C100代替C35混凝土,如重量不变,可节省钢材40%,降低造价14%,因此经济效益明显。

5.2社会效益

C100高性能混凝土生产技术,采用传统工艺生产高性能混凝土,有利于预拌混凝土的施工和现场质量控制。特别是在配制高强超高强混凝土时,采用C100高性能混凝土,无需任何特殊设备即可制得110MPa~130MPa的超高强混凝土。而且C100高性能混凝土刚度大、变形小、耐久性好,可承受恶劣环境的侵蚀,延长结构使用寿命,特别适合于大跨度的铁路、公路桥梁以及高层建筑的梁柱等。它不但可以节约大量混凝土,而且还可以增加使用空间10%左右,具有明显的社会经济效益,因此推广和应用C100高性能混凝土是混凝土可持续发展的一条途径。

6. 结论

C100高性能混凝土在国家大剧院工程中的成功应用,表明C100高性能混凝土生产技术成熟,经济效益和社会效益显著,有重要的推广应用价值。

 

 

 

C100高性能混凝土生产技术规程

1.        总则

1.1        为适应工程建设的发展需要,安全合理的应用C100高性能混凝土,保证工程质量,特制定本规程。

1.2        本规程适用于工业与民用建筑、水利、市政工程及构筑物等建设工程。

1.3        C100高性能混凝土应用,除符合本标准外,还应满足现行有关国家标准。

2.       使用的标准和规范

JGJ/T55-2000《普通混凝土配合比设计技术规程》

GB50204-2002 《混凝土结构工程施工及验收规范》

GB107-1987   《混凝土强度检验评定标准》

GBJ80-1985   《普通混凝土拌合物试验方法》

GBJ81-1985   《普通混凝土力学收能试验方法》

GBJ82-1985   《普通混凝土长期性和耐久性试验方法》

CECS        《高强混凝土结构技术规程》

3.       C100高性能混凝土的配制

3.1  原材料

3.1.1  水泥选用质量稳定、强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥;

3.1.2  粗骨料应采用级配良好的碎石,最大粒径不应大于25mm,针片状颗粒含量不应大于5.0%,含泥量不应大于0.5%,不得含有泥块,其他指标应符合《普通混凝土用石质量标准和检验法》JGJ53的规定;3.1.3  细骨料细度模数宜大于2.6,含泥量不应大于1.0%,不得含有泥块,其他指标应符合《普通混凝土用砂质量标准和检验法》JGJ52。

3.1.4  必须掺用高效减水剂与活性较好的矿物掺合料;

3.1.5  水宜采用自来水,不得用海水或污水配制,采用地下水时应对水质进行分析,不得含有对水泥有害的成份。

3.2 配合比

3.2.1  C100高性能混凝土的配制强度可按《普通混凝土配合比设计技术规程》(JGJ/T55-1996)的规定,经计算试配、调整来确定。配制强度fcu,o为:fcu,o=fcu,k+1.645σ

式中  fcu,o—高性能混凝土配制强度(MPa)

      fcu,k—高性能混凝土的标准值(MPa)

      σ —高性能混凝土的标准差(MPa)

如无资料,设计强度为C100时,σ取6MPa;

3.2.2  配合比中各参数的确定

水胶比宜控制在0.24~0.28之间,胶凝材料总量不超过600kg/m3,水泥用量一般不少于450kg/m3,砂率可根据混凝土拌合物的和易性及混凝土的施工性能进行调整,一般为(34~40)%。

3.2.3  配合比确定后,尚应用该配合比进行不少于6次的重复试验进行验证,其平均值不应低于配制强度。

4.       C100高性能混凝土的制备

4.1  原材料的管理

4.1.1  制备C100高性能混凝土所用原材料必须与试配时所用原材料相同。原料改变时,必须重新进行试配。

4.1.2  试配前应对原材料严格进行检验。

4.1.3  要有专人负责定时检测骨料中的含水量,及时调整混凝土的实际用水量。

4.2  计量

4.2.1  C100高性能混凝土的原材料的计量允许偏差按重量计量,不得超过下列规定:

水泥   ±1%      外加剂     ±0.5%       水     ±1%

粗细骨料  ±2%     掺和料   ±1%  

4.2.2        应控制计量后的投料冲量,避免影响实际配合比。

4.3  搅拌

4.3.1  C100高性能混凝土的搅拌必须使用强制式搅拌机。

4.3.2        投料顺序与基准混凝土的相同。必须搅拌均匀。流程如下:

掺和料

外加剂             

砂子         同时放入搅拌5秒钟    加水   搅拌180秒钟   出料

石  子

水泥

4.3.3  搅拌过程中如出现异常现象,应及时检查原因采取相应的措施,严禁随意改动配合比,拌合物稠度过大时,可适当延长搅拌时间,并酌量减水;如稠度过小时,则不得随意加水。应及时检查计量投料、骨料含水的情况,及时调整配合比。

4.3.4  当有必要改动配合比时,必须经过试验室负责的技术人员同意,并由专门的技术人员主持进行。

 

4.4    预拌C100高性能混凝土应在出机后和泵送前检测拌合物的坍落度和温度,现场搅拌混凝土在出机后检测。

5. C100高性能混凝土的施工操作

5.1  C100高性能混凝土的浇注按照GB50204-2002进行,不得过振

或漏振。当混凝土坍落度大于180mm时应采取快插后立即慢拨的方式振捣,将插捣间距缩短一些,并适当延长振捣时间。

5.2 混凝土浇注完毕后,立即紧密覆盖塑料薄膜,待混凝土初凝后,

终凝前,用抹子进行搓抹,至少二遍然后覆盖塑料薄膜或严密喷洒养护剂。终凝后,立即覆盖和湿润养护。

5.3 混凝土湿润养护不得少于7天,平均气温低于5℃时不得少于14天。

5.4 拆摸后混凝土暴露面,特别是外壁受阳光直射或寒气侵袭时,

必须注意隔热或保温。

6.C100高性能混凝土的质量检验与评定

6.1 C100高性能混凝土的质量检验与评定,按照GB107-1987《混

凝土强度检验评定标准》和GB50204-2002《混凝土结构工程施工及验收规范》,并参考CECS《高强混凝土结构技术规程》执行。

6.2 现浇、自然养护和低温施工的高性能混凝土,应加强早期强度

检验,并预留长期试件备查。大体积混凝土和冬季施工的混凝土,应定期检测混凝土内部温度。

6.3 混凝土拌合物性能检验

6.3.1  坍落度及其经时损失的试验

   C100高性能混凝土拌合物的坍落度及经时损失的试验参照GBJ80-1985《普通混凝土拌合物试验方法》进行试验,分别测出其初始、30min﹑60min﹑90min时的坍落度,从而计算坍落度损失。

6.3.2  坍落流动度及其经时损失试验

在试验室测出拌合物坍落度及其损失的同时,需检测坍落流动度及其损失。方法为待拌和物坍落扩展稳定后,测量铺展的直径垂直测两次,取其平均值,即坍落流动度。分别测出拌合物在初始、30min﹑60min﹑90min时的坍落流动度,计算坍落流动度的损失。

6.3.3  凝结时间

采用贯入阻力仪测定。具体方法参照GBJ80-1985《普通混凝土拌合物试验方法》进行。试验时按每批混凝土拌合物取一组试样,凝结时间取三个试样的平均值。初凝时间的误差均不大于30min,如果三个数值中有一个数值与平均值之差大于30min,则取三个值的中间值作为结果,如果最大值和最小值之差大于30min,则应重新试验。

6.4  硬化混凝土力学性能检验

C100高性能混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、静力弹性模量、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能试验均按GBJ81-1985《普通混凝土力学性能试验方法》进行。

6.5  抗冻性

参照GBJ82-1985《普通混凝土长期性和耐久性的试验方法》进行试验,若快冻法与慢冻法相矛盾时,以慢冻法为准。

6.6  抗渗性

    参照GBJ82-1985《普通混凝土长期性和耐久性试验方法》进行试验。初始压力为零,每隔8h增加0.1MPa,直至六个试件中四个试件开始渗水为止,记录此时的最大水压力Ph(MPa)??股慷鹊燃禤i按下式计算:

Pi=10Ph-1  

式中Pi:抗渗强度等级;

     Ph:六个试件中四个试件出现渗水时的最大压力。

6.7  碳化速率

按照GBJ82-1985《普通混凝土长期性和耐久性的试验方法》进行碳化试验,碳化结果以三个试件碳化28天的碳化深度平均值作为混凝土碳化的特征值,若碳化特征值大于混凝土?;げ愫穸仁?,评定为不合格,反之则评定为合格。

6.8  收缩率的测定

    潮湿养护的C100高性能混凝土在限制条件下比普通混凝土有较大的膨胀率,停止养护后,有较小的收缩率和膨胀-收缩落差,如不进行养护则收缩减小不明显,因此对C100高性能混凝土参考GBJ82-1985《普通混凝土长期性和耐久性的试验方法》和GBJ119-1988《混凝土外加剂应用技术规范》中的规定,检测其在限制条件下水中养护7天后继续在空气中养护28天的收缩率和膨胀—收缩落差。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鉴定文件之六

 

 

 

C100高性能混凝土

检测报告

 

 

 

 

 

 

 

 

 

北京市建筑材料质量监督检验站

国家建筑工程质量监督检验中心

清华大学土木水泥学院建筑材料实验室

国家建材行业水泥基材料科学重点实验室

鉴定文件之七

 

 

 

C100高性能混凝土

工程应用证明

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

国家大剧院工程指挥部

鉴定文件之八

 

 

 

 

科技情报查新报告

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

建设部建筑科技信息研究所查新部

 
 

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