对免振混凝土理论及配比试验结果的讨论

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  摘要传统的混凝土施工技术已不能适应日异发展的高、大、难、新结构的需要,尤其是混凝土的振捣工艺,本文通过对免振捣混凝土的研究,着重解决混凝土振捣问题,依靠自身的高流动性,就能达到足够的密实度,满足混凝土施工中所需的高流动性要求,同时满足粘聚性、保水性及强度要求,通过多次试验与理论研究确定免振混凝土组成材料。
  关键词混凝土高流动性免振捣配合比优化设计试验研究
  中图分类号:TU528.53文献标识码:A文章编号:
  
  
  Abstract: The traditional architectural construction technology for concrete can no long meet the ever-increasing demands for new advanced and difficult structure, especially the concrete vibration density technology of concrete. This paper through the study of self-flowing concrete focuses on the solution of the problem of concrete vibration density. It proposes a method of relying on high-liquidity to achieve an adequate solidness to satisfy the demand high-liquidity demand of concrete construction process. As well as bond collect, keep water and strength. It composes lucid of self-flowing concrete material after a series of tests and theoretical studies.
  Key words: concrete high-liquidity self-flowingmix proportion optimum design test research
  
  
  
  引言
  
   人類社会的不断发展,使建筑艺术和技术得到高度的统一,建筑物外形体态各异,从而对现场施工也提出了更高的要求。以前建筑结构致密是依靠树木捣实的,随着科学技术的不继发展和进步,虽然现在在振捣方面有各种各样的工具可使砼密实,但还没有从根本上摆脱借助外物致密,只是从工具形式上发生了点改变。所以现在急需一种能节省材料和劳力就能使混凝土在自重作用下密实的方法,同时它的性能也不亚于用普通混凝土作业致密的程度。
   本课题研究小组认为,所谓免振混凝土(Self-Flowing Concrete),是指混凝土拌合物不需振捣或者只需微微振捣就能达到普通混凝土各项性能指标的要求,同时具有高流动性、良好的体积稳定性和耐久性能、并具备加快施工进度、降低工程成本,节约工程造价的优势。
   以上矛盾是不可调和的,所以减少和消除这些矛盾,改善混凝土结构,关键一条措施是掺入高效减水剂。本研究工作将采用加入高效减水剂+普通混凝土组成材料+外掺活性材料这一路线进行。
  
  现阶段研究免振混凝土的必要性
  
   现今的混凝土结构工程,不断向大规模、高难度、高层化方面发展,混凝土结构中的配筋也越来越密、越来越复杂,施工难度逐渐增大。与此同时施工噪音问题也变得尤其突出。因此需要一种既不需要振捣就能在重力作用下穿越稠密钢筋间隙又能填充复杂模型各个角落且能达到规定强度和耐久性、经济性、适用性等要求的混凝土。
   据笔者观察,几乎所有的混凝土结构采用振捣法致密,采用振捣法虽可通过振动致密,但在振动过程中的絮动使骨料按比重不均匀沉降形成粗细骨料的分离,特别是采用泵送的高、深、大的剪力墙结构,由于拌合物入模时要落入2~3m高的模具,已经形成初步分离,如再经捣棒强力振动,势必加剧离析程度,所以研究免振捣的混凝土就有必要了。
  
  研究依据与技术原理
  
   根据经济适用原则,以控制混凝土的强度和拌合物的流动度为基准,进行拌合物的试配,从而确定选定原材料的配比材料用量。
   1)用几种外加剂和几种水泥(本研究只选取了二种),对其进行组合制成水泥净浆,测定在某一特定材料下时的最大流动度和减水率;
   2)根据自密实的要求,确定混凝土中砂、石含量占有率与堵塞的关系,从而确定粗细集料所占拌合物的质量比;
  
   3)由于自密实混凝土拌合物所用胶凝材料量往往很大,同时易产生泌水离析,有必要用掺合料代替部分水泥来减小浇筑过程中的水化热以及减少收缩和徐变;
   4)免振捣混凝土的水胶比很小,因此在配制拌合物中起主导作用的就是合理选择稳定高效的减水剂,它可以改善混凝土拌合物流变性能;
   5)调整每立方的用量,在各材料合理的情况下测定和评定混凝土的各项性能;
  
  4免振砼配合比优化设计
  
  材料的遴选
  
   由于试验地点在宁波,遂直接选择宁波当地的工程材料,因水泥质量的好坏直接影响减水剂的减水效果,更重要的是水泥与减水剂必须相容,否则将直接导致拌合物施工稳定性能差,因而就没有工程实际意义可谈。
  
  水泥
  
  水泥各项物理指标如下:
  
  表格 1
  
  
  4.1.2外加剂选择
  
  减水剂介绍:
  1)、天津ZR-1型高效减水剂
  2)、Addiment FM37超高效减水剂(缓凝型)
  3)、Addiment FM38超高效减水剂(早强型)
  4)、Glenium SP-8N超高效减水剂
  5)、Glenium SP8-HR超高效减水剂(缓凝型)
  
  对五种常用外加剂进行检测,结果如下:
  
  表格 2
  
   依据GB50119-2003,用水泥的适应性试验(净浆流动度)来比较,试验时的温度为13.5℃;湿度为72.5%;水泥用量为600g;水为210g;得到水泥净浆流动度如下:(单位:cm)
  表格 3
  
  
  图1
  五种外加剂在不同掺量时的净浆减水率
  (余姚舜江)
  
  表格 4
  
  
  图2
  五种外加剂在不同掺量时的净浆减水率
  (宁波海螺)
  
   由于FM37大体上 掺入1.5%~2.5%情况下的减水率为25%~30%,所以选用FM37减水剂作为混凝土拌合物的外掺剂。
  
  4.1.3粉煤灰
  
   由宁波江北粉煤灰加工厂出厂,其中细度为16.2%,含水量为0.3%,需水量比为102%,烧失量为3%,三氧化硫为0.3%,属Ⅱ级粉煤灰,该结果按GB1596-91标准测得。
  
  4.1.4砂、石的选择
  
   砂的选择要符合普通混凝土用砂的规定,要配置大流动度的拌合物,砂宜中粗,这样有利于减小滑动时的阻力。据研究资料分析,拌合物中的砂与强度的关系曲线呈上凸曲线形分布,顶点在2.5~3.0左右,即当细度模数在2.5~3.0之间的砂所得的强度较高,高于或低于它时强度将有所降低。本试验选用砂的细度模数3.0,产地是福建省。
   为避免离析和分层造成堵塞必须限制石子的最大粒径,石子最大粒径的选择根据水胶比应考虑砂浆和石子的比重,石子粒径的缩小对混凝土强度影响并不是最主要的,由于拌合物中的水泥用量较大,多余的水泥浆可以填充骨料间的空隙,所以对级配的要求就不那么苛刻了。本试验石子选用5~20mm的连续级配,产地是宁波高桥。
  
  4.1.5水:普通自来水
  
  4.2混凝土拌合物初步配合比试配与分析
  
  4.2.1试配前应注意如下内容
  
   1)水胶比是决定硬化后混凝土强度的首要因素,即确定水胶比后,绝不能任意变动;
   2)为使混凝土能满足工程耐久性要求,必须保证最小水泥用量和最大单位用水量;
   3)免振混凝土由于粗细集料的限制和选取,宜采用质量法确定;
  
  4.2.2试配免振混凝土(质量法)采用如下方法
  
   1)根据配制强度确定W/C;
   2)选取每立方用水量W,根据水灰比和坍落度(≥200mm)要求确定水泥用量(不宜小于450 kg/m3);
   3)确定活性材料占水泥用量的百分率,宜控制在20%~30%之间;
   4)确定砂率为40%~50%之间;
   5)取混凝土拌合物表观密度为2400kg/m3,骨料掺量由总质量减去胶凝材料用量和用水量,再通过砂率确定砂、石质量;
   6)外加剂掺量由外加剂减水率确定,免振混凝土宜控制在1.5%~2.0%之间;
   7)最后测定成型试块密度与假定密度的差值,再对砂、石用量进行调整,即可得到每立方米各材料用量;
  
  结论与分析
  
   由上述方法试配出的单位混凝土拌合物材料用量不是唯一的,而是有几组不同的配合比。但其中必有一组是最佳配合比。该组配比具有其它组所具有性质的同时混凝土在流动过程中发生堵塞机率是最小的。
   按以上配合比方法得到C50混凝土每立方各材料用量为:(kg/m3)
  
  表格 5
  成分
  
  品种 水
  泥 水 细
  骨
  料 粗
  骨
  料 粉
  煤
  灰 外加剂
  (FM37)
  余姚舜江 450 197 616 924 113 8.44
  宁波海螺 452 180 681 1015 62 10.23
  
   用以上材料组合配成的拌合物粘聚性较强,保水性良好,粗细骨料分散地较为均匀,对泌水和骨料离析表现甚微,已接近普通混凝土拌合物的各项标准。
  表格 6
  水泥品种 数量
  L 初坍
  mm 终坍
  mm 终扩mm 3d强度值
  MPa 7d强度值MPa 28强度值MPa
  舜江 15 230 240 600 33.9 43.47 53
  海螺 15 220 250 643 43.9 68.4 76.8
  
   由于骨料最大粒径≤20mm,通过对多组试块进行表观密度测定,测得其表观密度在2200-2300kg/m3之间,测得其收缩为0.01mm/m。
   我们采取两套方案分别对其流变性能和穿透钢筋的能力进行测定。
   其一,测试混凝土拌合物穿透能力采用50cm×50cm×50cm的立方体上开口的模型,分别在距模具底面150mm、300mm、450mm处铺设1Φ20纵横向钢筋网片,净距30mm(模具剖面见图3)。然后在其上注入0.0375m3混凝土拌合物,观测它的穿透钢筋能力。
   结果观察与分析:拌合物在三层钢筋网上滞留的混凝土量呈倒三角分布,最上层钢筋网孔堵塞的孔占所有钢筋网孔的大约20%[① 20%通过数钢筋网格的数量通过比值的百分率来确定]①,同时观察到第二层钢筋网片上被堵塞约12%,同时也有一个有趣的现象,注入混凝土滞留量沿各层似S形分布,即最上层注要集中在钢筋网中间,第二层主要集中在沿模具周边,第三层又主要集中在钢筋网中间,模具底板上分布基本趋于均匀分布了。
  
  
  
  
  图3
  穿透细密钢筋实验模具剖面(轴测)
  
   其二,测试混凝土拌合物流变性能采用1000mm×250mm×500mm(长宽高)的上开口的立方体模具,在沿长度方向500mm处设置一分格板,分格板底离模底200mm(模具剖面见图4),然后将拌合物注入任一半,5min后测得另一半与注入处混凝土之间的高差,高差越小,流变性能越好。
   结果观察与分析:5分钟后测得混凝土拌合高差为4.9cm,从表面看混凝土拌合物较密实,为了得到免振混凝土的各项性能指标,我们将硬化后的混凝土采取钻芯取样3组,分别测得3天、7天和28天值见下表
  
  表格 7
  
  图4
  流变性能实验模具剖面(轴测)
  
   事实上,抗压强度对混凝土来说是首要的,为满足工程实际需要,同时还应测抗拉强度和混凝土与钢筋的粘结强度,使其能与普通混凝土相媲美。
   它也有缺点:对配合比要求控制严格,对现场作业人员要求较高,同时免振混凝土拌合物的粗细骨料很容易离析,骨料的选取要考虑粗细骨料在流动状态下的分离,所以在拌合物中掺入增粘剂是解决骨料分层离析的一条途径。
   免振混凝土本身的缺点还不止这些,只有事先对它具有的缺点估计的充分一点才能在工程中顺利应用。我们希望有专业混凝土知识的科研人员对免振捣混凝土在施工方面的内容进行研究。
  
  5工程优点及应用
  
  优点
  
   以免振捣理论配出的拌合物与普通混凝土拌合物相比,它的早期强度发展较快,3d强度将达到30MPa以上,能满足对工期有要求的工程,可以大大缩短模板周转期,工程意义重大。同时它的表觀密度比普通混凝土要小50~100kg/m3,可减轻结构自重,从设计方面来说可以缩小断面,节省材料;从使用方面来讲,小断面可以有效提高室内的净高,改善采光和通风的功能,也能提高房屋其它的物理性能。
   免振捣混凝土是一种新型大流动度混凝土,它是应用现代混凝土技术来增加混凝土结构的安全使用寿命,减少因修补或拆除旧混凝土结构物造成的浪费和建筑垃圾;同时它可大量利用工业废渣和矿石,减少自然资源和能源的消耗,减少对环境的污染。免振捣混凝土具有优异的工作性能,便于施工,可节省劳力、减少机械和振捣用电,降低环境噪声等。
  
  应用
  
   基于免振捣混凝土所具有的各项特性,考虑实际情况可以用于以下方面:杭州湾跨海大桥;高层建筑剪力墙;大面积地下室底板;模型造型复杂;钢筋过密的结构;沉管灌注桩;钻孔灌注桩;地下连续墙;水下浇灌混凝土等;
  
  6关于免振捣混凝土尚待解决的问题
  
  6.1免振捣混凝土的施工工艺
  
  免振捣混凝土的试配与评价
  拌合物原材料的管理与运输
  混凝土的搅拌与输送
  浇灌方法与养护
  
  6.2制定免振捣混凝土的相关标准与规范
  
  混凝土的质量控制技术标准
  混凝土配比原材料的选择
  硬化后的抗渗、抗冻、抗侵蚀性、耐碳化和骨料对钢筋的腐蚀作用进行监测标准
  关于免振捣混凝土强度评定依据和标准
  
  7继续研究的必要性和前景展望
  
   随着科学技术和近代工程的复杂化,工程结构形式的的多样化和大型化,势必加大混凝土工程的施工难度,同时对耐久性也提出了更高的要求。因此研究免振捣高性能混凝土是一条可持续发展方向,它势必会拓展出新的一块空间。
   我国从1992年首次引进高性能混凝土,现在,不少国家正在大力研发此类混凝土,美国和日本对此特别重视。我国现在已有条件配制和采用免振捣混凝土,只有我们掌握好混凝土基本原理,运用已有经验,重视理论成果,经过试验,我们完全有能力做好和用好不同用途的混凝土,满足各种工程的要求。在此基础上要加大混凝土科研队伍建设和资金投入,不断创新,在免振混凝土技术方面上,走在世界前列。
  
  参考文献
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