粉煤灰高性能混凝土在北京莊勝廣場(chǎng)工程的應(yīng)用
2005-03-18 00:00
摘 要：
本文敘述了粉煤灰高性能混凝土在工程應(yīng)用中的實(shí)際情況，并對(duì)其各項(xiàng)性能作了較詳細(xì)的研究。
關(guān)鍵詞：高性能混凝土 耐久性
1 概述
高性能混凝土是以耐久性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的混凝土，粉煤灰為作為一種優(yōu)質(zhì)的活性摻和料，已被廣泛地應(yīng)用于各種混凝土工程中。在北京地區(qū)，雖然粉煤灰的應(yīng)用較早，但很多是以單純降低混凝土的成本考慮的，而且摻量一般在20%以下。這些做法雖然可以避免粉煤灰摻入過多所帶來的負(fù)面影響，但也對(duì)粉煤灰的很多功能作了“犧牲”，也限制了粉煤灰“綜合效應(yīng)”的發(fā)揮。經(jīng)過特殊配制的粉煤灰混凝土在北京莊勝廣場(chǎng)工程的應(yīng)用表明，粉煤灰的合理摻入，可以顯著改善混凝土的強(qiáng)度、耐久性及工作性能，而且，由于水泥用量的減少，對(duì)降低工程造價(jià)、節(jié)約能源等具有可觀的效果。僅由于節(jié)約水泥用量一項(xiàng)就可以使混凝土的單方造價(jià)降低3.5%。因而，粉煤灰高性能混凝土在該工程的應(yīng)用取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。
北京莊勝廣場(chǎng)由莊勝房地產(chǎn)有限公司投資，中建一局華江建設(shè)有限公司和日本大成建設(shè)株式會(huì)社共同承建，混凝土由中建一局華江公司混凝土攪拌站供應(yīng)。工程采用框架結(jié)構(gòu)，首期工程總建筑面積170000m2，設(shè)計(jì)高度86.3m，工程±0.00m以上主體結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱中使用粉煤灰高性能混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)為C40和C50，混凝土用量約51000m3。
2 原材料
2.1 粗集料
粗集料選用永定河水系的碎卵石，屬石灰?guī)r和花崗巖，抗壓強(qiáng)度較高，但屬于堿活性集料。由于粒徑較小的粗集料無論從自身的缺陷還是對(duì)混凝土和易性及界面結(jié)合力等都有利，所以選用5～20mm的粒徑。其壓碎值指標(biāo)6.7%，密度2710kg/m3，容重1560kg/m3，針片狀顆粒含量8.63%，含泥量0.2%。
2.2 細(xì)集料
細(xì)集料選用永定河水系質(zhì)量合格，級(jí)配合理的中粗砂。其密度2680kg/m3，容重1590kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.0%。
2.3 水泥
唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P.O42.5R低堿水泥，其主要物理化學(xué)性能見表達(dá)1。
表1 水泥的主要物理化學(xué)性能
|
細(xì)度
(%)
(R+80µm) |
比表
面積
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
堿含量
(%) |
抗壓強(qiáng)度
(Mpa)
3d 28d |
抗折強(qiáng)度
(Mpa)
3d 28d |
|
2.4 |
3650 |
3.14 |
1.45 |
2.49 |
0.49 |
27.8 58.0 |
3.1 9.9 |
2.4 粉煤灰
選用北京市三熱電達(dá)信公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)磨細(xì)粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔篩篩余9.9%，粉煤灰的化學(xué)成分見表2。
表2 粉煤灰的化學(xué)成分
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SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
MgO |
K2O |
Na2O |
Loss |
|
56.61 |
21.73 |
9.80 |
4.77 |
0.80 |
2.22 |
2.63 |
0.68 |
0.76 |
2.5 混凝土外加劑
選用一種復(fù)合型萘系高效減水劑。它可引入混凝土中3.5%的含氣量。其含固量為38%，摻量2.0%～2.5%，減水率24%，7d抗壓強(qiáng)度比156%，28d抗壓強(qiáng)度比137%。
3 配合比設(shè)計(jì)
粉煤灰高性能混凝土的配制應(yīng)根據(jù)達(dá)到一定的目標(biāo)強(qiáng)度、耐久性和工作性時(shí)粉煤灰摻量和水膠比的關(guān)系來確定混凝土的配合比。
粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比水泥對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)與水膠比的關(guān)系更加敏感。因此，摻有粉煤灰的混凝土應(yīng)該以盡可能小的水膠比（W/C+FA）來配制。低水膠比（0.3～0.4）是保證粉煤灰混凝土具有良好的強(qiáng)度和耐久性的必要措施，也是促使粉煤灰在混凝土中充分發(fā)揮作用，保證粉煤灰混凝土質(zhì)量的重要因素。
通過對(duì)不同粉煤灰摻量下混凝土性能的對(duì)比，表明在相同的水膠比下，粉煤灰的摻量不超過20%時(shí)，粉煤灰混凝土與基準(zhǔn)混凝土的性能不致發(fā)生多大的變化，只是混凝土溫升稍有降低。只有在其摻量達(dá)到或超過25%時(shí)，粉煤灰才會(huì)顯著改變混凝土的性能，從而實(shí)現(xiàn)高耐久性。
經(jīng)過大量的試驗(yàn)，采用正交設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)粉煤灰的摻入對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響，來確定施工時(shí)合理的配合比。優(yōu)選出的配合比見表3。
表3 粉煤灰高性能混凝土的配合比
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強(qiáng)度
等級(jí) |
W/C |
W/C+FA |
SP
(%) |
FA/C+FA
(%) |
混凝土配合比（kg/m3）
C W S G FA 外加劑 |
|
C40 |
0.40 |
0.37 |
40 |
30 |
309 165 758 1093 134 11.1 |
|
C50 |
0.36 |
0.34 |
38 |
27 |
368 170 667 1087 135 12.6 |
各配合比在施工時(shí)的工作性能見表4。
表4 混凝土的工作性質(zhì)
|
強(qiáng)度
等級(jí) |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
坍落度(mm)
0min 60min 90min |
擴(kuò)展度(mm)
0min 60min 90min |
|
C40 |
309 |
165 |
0.37 |
30 |
210 205 200 |
575 570 525 |
|
C50 |
368 |
170 |
0.34 |
27 |
215 210 200 |
580 570 530 |
4 混凝土的性能
4.1 強(qiáng)度
粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度有三種影響：減少用水量、增大膠結(jié)材含量和通過長(zhǎng)期火山灰反應(yīng)提高其強(qiáng)度。粉煤灰對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比抗壓強(qiáng)度還要大，這對(duì)混凝土的抗裂性能有利。其力學(xué)性能見表5。
表5 混凝土的力學(xué)性能
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強(qiáng)度等級(jí) |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
抗壓強(qiáng)度(Mpa)
1d 3d 7d 28d 90d |
28d劈拉強(qiáng)度（Mpa） |
彈模
×104
（Mpa） |
|
C40
C50 |
309
368 |
165
170 |
0.37
0.34 |
30
27 |
16.9 35.6 40.1 51.9 56.2
19.4 40.2 52.4 62.8 69.7 |
4.7
4.9 |
4.19
4.20 |
由表5可知，雖然強(qiáng)度等級(jí)不同，到28d時(shí)的彈性模量都可以達(dá)到4.0×104Mpa以上，比基準(zhǔn)混凝土提高5%～10%。
4.2 收縮
混凝土的收縮與混凝土的拌和用水量和漿體體積有關(guān)，用水量越少，收縮也越小。混凝土各齡期收縮值的試驗(yàn)結(jié)果見表6。
表6 混凝土各齡期的收縮值
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強(qiáng)度 FA/C+FA 各齡期的收縮值×10-4
等級(jí) (%) 1d 3d 7d 14d 28d 60d 90d 120d 150d 180d |
|
C40 30 25 96 216 277 372 513 528 551 594 627
C50 27 24 92 203 269 363 507 586 664 683 691 |
由于粉煤灰混凝土的水化反應(yīng)慢，水分蒸發(fā)快，所以粉煤灰對(duì)混凝土的早期干縮影響很大。在施工過程中，早期養(yǎng)護(hù)尤其重要，早期養(yǎng)護(hù)不良的混凝土?xí)斐奢^大干縮，其優(yōu)良的耐久性就難以得到保證。
4.3 碳化性能
粉煤灰的摻入可使混凝土的PH值降低，早期會(huì)增加混凝土的碳化速度，特別在水化早期，粉煤灰火山灰反應(yīng)程度低，粉煤灰—水泥體系結(jié)構(gòu)疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度較大。隨著齡期的增長(zhǎng)和粉煤灰火山灰效應(yīng)的逐漸發(fā)展，碳化速度將逐漸降低，詳見表7。
表7 不同粉煤灰摻量下各齡期混凝土的人工碳化深度 (mm)
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編號(hào) C W FA/C+FA W/C R28 碳化深度 (mm)
(%) (Mpa) 28d 56d 90d |
|
1 390 170 20 0.36 68.1 0.8 1.2 1.4
2 381 170 25 0.36 65.2 0.8 1.3 1.4
3 363 170 30 0.36 62.0 0.9 1.4 1.5 |
由上表可知，在30%摻量范圍內(nèi)，較低的水膠比，粉煤灰混凝土的碳化深度隨水灰比及粉煤灰摻量的增加而有所增加，而其28d、56d、90d碳化深度值均較低。
4.4 堿集料反應(yīng)
混凝土中粉煤灰的摻入可抑制混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，粉煤灰摻量大于20%時(shí)，抑制堿集料反應(yīng)才有效。當(dāng)摻入30%時(shí)，可有效抑制堿集料反應(yīng)。北京地區(qū)基本沒有非堿活性的集料，為抑制混凝土的堿集料反應(yīng)，使之對(duì)結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期性能不至構(gòu)成破壞，在工程中除摻入優(yōu)質(zhì)的粉煤灰外，使用含堿量低的低堿水泥和混凝土外加劑，減少了帶入混凝土的堿含量，經(jīng)堿含量評(píng)估，混凝土中有效堿的含量可控制在3.0kg/m3以內(nèi)，符合北京市建委的規(guī)定。
5 結(jié)語
（1）用粉煤灰配制的高性能混凝土，其抗?jié)B、抗凍、抑制堿集料反應(yīng)效果顯著，體積穩(wěn)定性和耐久性良好。
（2）粉煤灰混凝土需要在較低的水灰比和適宜的摻量條件下，才能體現(xiàn)其良好的性能。粉煤灰取代20%~35%的等量水泥，采用適宜的超量系數(shù)，水膠比為0.3~0.4時(shí)，可以制備具有優(yōu)良耐久性的高性能混凝土。
編輯：
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