按混凝土性能要求设计混凝土配合比
1 概述
我国2007年预拌混凝土的年产量预计约5.8亿立方米(2006年不完全统计数为4.8亿立方米),预制混凝土行业即将走出低谷,目前的总年产量约1.6亿立方米。水泥耗量已居世界首位,约为全世界水泥总产量的50%。然而,随着混凝土产量的持续增长,水泥耗量的不断上升,由于生产混凝土而直接带来的自然资源消耗过度,CO2的排量的增加,由于耐久性问题带来的经济负担,结构提前退出服役期,对环境带来的压力也日趋严重。
遵循科学发展观,坚持行业走可持续发展的道路的思想日渐深入人心。混凝土掺合料技术的发展促进了混凝土配合比设计水平的提高,外加剂技术的进步改善了混凝土的施工性能;对环境与混凝土性能关系的认识,已提高到与和荷载同样重要的地位;结构物使用领域的不断扩大,使混凝土在不同工程领域范围内的性能要求也在不断地深化;在配合比设计中如何兼顾力学性能、变形性能以及耐久性能,能否通过配合比设计的优化,尽可能地减少裂缝;不同使用领域的混凝土如何来正确地制定其要求的技术指标;混凝土外加剂的选用应遵循什么原则……。
上述一系列问题都启示我们从事混凝土生产的业内人士应更重视如何来搞好混凝土配合比设计,以便这些本已十分紧缺的原材料资源能更充分地发挥作用,使所有的混凝土结构能更耐久,延长其服役期。使混凝土工业真正遵循科学发展观的思想走可持续的道路。
在混凝土配合比设计领域内都十分强调,混凝土是一门实验科学,配合比设计(计算)是仅供参考的初步比例,其最终配比应通过实验室验证并调整后获得。然而,目前在国内一个非常严重的问题是对新拌混凝土阶段一些性能指标的测试手段、仪器设备、技术指标都相当落后,导致至今仍以强度作为混凝土配合比设计最主要的(甚至是唯一的)指标。
在我国传统的混凝土配合比设计环绕了两个中心内容,一是强度;二是经济性。在国际上,自70年代开始,一般从四个方面考虑,即一是新拌混凝土阶段的性能;二是硬化后混凝土物理力学性能;三是耐久性;四是经济性。我国自进入上世纪90年代开始对混凝土的耐久性予以特别的关注,提出了获得优质混凝土的三个指标,即耐久性、强度、经济性。
材料科学的追求目标是按使用要求提出性能目标,通过已积累的知识设计出符合这些性能的配比和工艺;工程学的目标是在最经济的条件下制作出符合性能要求的材料。然而,对于混凝土这样一种复杂的复合材料,它的各项性能要达到完全按设计的要求来获得需要的性能在目前来说尚有很大的距离。逐步从定性的要求向定量的性能指标过渡,使混凝土配合比设计更趋合理、更科学,是我们当前应该追求的目标。
1.1 在混凝土配合比设计中应逐步端正观念
混凝土性能是由工程需要而定的,混凝土结构的性能是由它所处的环境和服役期荷载决定的,通过正确的混凝土配合比设计,混凝土性能指标是有可能逐步接近预期的目标的。
1.2 规程与混凝土配合比设计的关系
目前国内混凝土配合比设计规程主要还是以建设部颁布的中华人民共和国行业标准《普通混凝土配合比设计规程》为指导性标准,其它部系统都有结合该部工程特色的有关规程中提及的混凝土配合比设计方法作为对部属范围内的各种混凝土工程配合比设计的指导意见。如果按我国当前强制性规范和推荐性规程来分析,应该属于推荐性规程。然而,其中也有必须遵循的共性的规律如:混凝土配制强度的确定;混凝土强度直线式规律;用水量的确定原则;最大用水量及最低水泥用量……等等。在遵循强制性条文的前提下,混凝土配合比的设计是应该应时应地根据工程对象,正确选用原材料,按工程对混凝土性能的要求进行配合比设计。
混凝土结构的耐久性与混凝土的耐久性还不能完全等同。因此,混凝土结构耐久性设计应该以设计为龙头。设计首先应明确结构的使用年限;设计应提出结构的环境等级;设计应对混凝土的碳化、氯离子对混凝土的侵蚀、钢筋锈蚀对混凝土的影响、混凝土的抗冻性、抗渗性、混凝土碱-集料反应等对混凝土结构耐久性影响予以足够的重视。然后在混凝土的配合比设计中应针对设计对混凝土结构耐久性的要求来考虑混凝土的抗碳化性能、抗氯离子侵蚀的性能和抗渗性、抗冻性等性能指标。
混凝土的生产和供应者应针对设计提出的混凝土性能进行科学合理地配合比设计。
2 以工程对象的要求确定混凝土性能指标
对混凝土性能的要求不是从工程需要的角度考虑,而往往单纯地追求强度指标;片面地要求大流动(大坍落度);不切实际地提高早期强度;不分场合地使用补偿收缩混凝土;抗冻、抗渗指标的要求和工程对象不对号;只求降低成本盲目掺加掺合料;……凡此种种对混凝土性能不是针对性地提出要求,是对混凝土配合比设计的误导。从材料科学的角度来看,按性能要求进行设计,选择工艺,组织生产,按质验收……在理论上是完全可行。但是对于像混凝土这种复杂的复合材料要完全做到是十分困难的。然而根据结构需要的功能和施工的要求提出混凝土的性能,在性能要求的指导下进行配合比设计仍是十分重要也是必须遵循的原则。
从目前我国混凝土工程的实际状况和接触到的问题可以从以下几个方面来思考:(1)新拌混凝土阶段的性能要求;(2)水硬化过程和硬化后混凝土的物理力学性能要求;(3)混凝土结构服役期的耐久性和其环境荷载对性能的要求。
2.1 对不同工程对象新拌混凝土阶段、水硬化过程和硬化后物理力学性能指标
为讨论方便,我们把混凝土性能指标分成两大类,第一类就是本节讨论的新拌混凝土、水硬化过程和硬化后混凝土的物理力学性能。第二类是混凝土耐久性。
以下列举四类不同混凝土工程类型,针对不同要求简要介绍其应重点考虑的性能指标。
2.1.1 大体积混凝土
(1)设计强度等级宜在C25~C40范围内;
(2)可利用混凝土60d或90d后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土设计的依据;
(3)温控指标:
1)绝热温升最大值为45℃;
2)混凝土浇筑砌体里表温差(不含混凝土收缩当量温度)为30℃;
3)混凝土浇筑体的降温速率为2.0℃/d;
(4)到浇筑工作面的坍落度应不大于160±20mm(140±20mm);
(5)对不同气候条件及环境条件还应提出相应的抗冻、抗渗性能指标;
(6)总功效系数的概念:d=4?(d1·d2·d3·d4)
式中:d1——耐久性Cl-氯离子渗透指标;
d2——绝热温升;
d3——工作性;
d4——28d抗压强度。
2.1.2 钢筋混凝土结构裂缝控制与混凝土性能的关系
(1)干缩率混凝土90d干缩率宜小于600με;
(2)应遵循在满足施工要求工作性的前提下坍落度尽可能小的原则:
1)基础梁、板、屋面用混凝土宜小于120mm;
2)柱、墙宜小于150mm;
3)泵送高层建筑用混凝土宜控制在180mm;
(3)泌水量要控制在0.3ml/m2。
2.1.3 高精度预应力混凝土工程
高精度预应力混凝土工程在国内是近二十几年才逐步发展起来的混凝土工程新领域。其中典型的工程是上海磁悬浮工程。历史最长的是地铁管片用混凝土和杨浦、南浦大桥、东方明珠工程中特殊部位的预应力混凝土工程。该类工程的结构、预应力工艺复杂,对结构(构件)的精度要求高,因此,对混凝土的体积稳定性能的要求特别高,也就是收缩和徐变的要求特别高。90d的干缩率宜小于400με,360d的干缩率宜小于500με;混凝土的最终徐变系数宜控制在1.2。
2.1.4 自密实混凝土
自密实混凝土定义:混凝土能够保持不离析和均匀性,不需要外加振动,完全依靠重力作用充满模板每一个角落,达到充分密实和获得最佳性能。
自密实混凝土的性能重点应放在新拌混凝土的性能指标,主要是以下三方面:(1)流动性;(2)抗离析性;(3)自填充性。
自密实混凝土不要和大流动高性能混凝土的概念混淆。
大流动(高流动)是指新拌混凝土的屈服剪应力小,所以流动性好,但忽略了抗离析性也就塑性粘度不够。自密实混凝土更注重于高抗离析性和自填充性。
所以自密实混凝土的配合比设计思想和大流动高性能混凝土还不完全一样。
2.2 不同工程对象,混凝土耐久性指标的确定
对混凝土耐久性应考虑的各项性能指标,应从结构的年限分级、环境类别、不同环境类别下的作用等级出发,考虑混凝土的抗碳化、抗冻融、抗氯离子侵入、电通量、抗磨蚀等各项指标进行针对性地配合比设计。
2.2.1 对混凝土结构设计使用年限的分级
不同的标准对混凝土结构设计使用年限的分级见表1~表3。
表1 结构的设计使用年限分级(建设部混凝土结构耐久性设计规范)
级别设计使用限名称示例
一约100年重要建筑物标志性、纪念性、大型公共建筑、博物馆、会议大厦、文体卫生建筑、政府重要办公楼、电视塔
重要土木基础工程设施大型桥梁、隧道,高速公路上的桥涵、城市干线上大型桥梁、大型立交,城市地铁
二约50年一般建筑和构筑物一般民用建筑和公寓、住宅以及中小型商场和文体卫生建筑,大型工业建筑
次要土木设施工程二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵
三约30年不需要较长寿命的结构物,可替换的易损构件某些工业厂房
表2 结构设计基准期(交通部)
级别名称举例设计基准期
一重要基础设施工程特大型桥涵、隧道,立交桥枢纽,二级以上(含二级)公路和城市一般道路上的桥涵等100年
二一般基础设施工程三级公路上的大型桥涵,其他等级公路上的桥涵,其他基础设施工程50年
表3 混凝土结构设计使用年限级别(铁道部)
设计使用年限级别设计使用年限
一100年
二60年
三30年
注:公路和桥梁上的挡墙和防撞护栏、护墙等部件的设计基准期,原则上宜于主体结构相同。
2.2.2 环境类别及作用等级
环境类别是指结构所处环境的温度、湿度、大气、碳化、氯离子侵蚀、冻融、化学侵蚀等因素。作用等级是指这些环境条件对结构腐蚀作用的程度。分别见表4~表11。
表4 环境作用等级(建设部耐久性指南)
级别作用程度级别作用程度
A可忽略D严重
B轻度E非常严重
C中度F极端严重
表5 环境类别及作用等级(建设部耐久性指南)
环境类别环境条件等级示例
一般环境(无冻融,盐、酸等作用)室内干燥环境A低湿度环境(RH2的室内混凝土构件
非干湿交替的室内潮湿环境和露天环境,长期湿润环境B中、高湿度环境(RH>60%)2的室内混凝土构件;不受雨淋或与水接触的露天构件;长期与水或湿润土体接触的水中或土中构件
干湿交替环境C与冷凝结露水接触的室内天窗构件和地下室顶板构件,表面频繁淋雨或与水接触的室外构件,处于水位变动区的构件,靠近地表、湿度受地下水位变动影响构件
一般冻融环境3(无盐、酸等作用)微冻地区4,混凝土高度饱水5B水位变动区的构件,频繁受雨淋的构件水平表面
严寒和寒冷地区4,混凝土中度饱水B受雨淋构件的竖向表面
严寒和寒冷地区,混凝土高度饱水C水位变动区的构件,频繁受雨淋的构件水平表面
除冰盐冻融环境3混凝土中度饱水5D受除冰盐溅射的构建竖向表面
混凝土高度饱水5E直接接触除冰盐的构件水平表面
环境类别环境条件等级示例
近海或海洋环境6水下区D长期浸没于水中的桥墩
大气区轻度盐雾区离平均水位15m以上的海上大气区,离涨潮岸线50m外至200m内的陆上室外环境D靠海的陆上室外构件桥梁上部结构构件
重度盐雾区离平均水位上方15m以内的海上大气区,离涨潮岸线50m内的陆上室外环境E靠海的陆上室外构件桥梁上部结构构件
水位变化区和浪溅区,非炎热地区、7E桥墩
水位变化区和浪溅区,南方炎热地区F桥墩
盐碱结晶环境轻度盐碱结晶E与含盐土壤接触的电杆、墙、柱等露出于地面以上的“吸附区”
重度盐类结晶(大温差、频繁干湿交替)F
大气污染环境汽车或机车废气C受废气直射的结构构件,处于有限封闭空间内受废气作用的车库或隧道构件
酸雨(酸雨pH值小于4时按E级)D遭酸雨频繁作用的构件
盐碱地区含盐分的大气和雨水作用(盐度很高的情况宜按E级,较轻时可按C级)D盐碱地区的露天构件,尤其是受淋雨的迎风构件
土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境(海水环境除外)见表6
与含有腐蚀性化学介质如硫酸盐、镁盐、碳酸、氯化物等土体、地下水、地表水接触的结构构件
注:1.表中环境条件系指配筋混凝土结构钢筋保护层一侧混凝土表面所接触的局部环境,对素混凝土结构为混凝土表面的局部环境。但一侧干燥而另一侧湿润或饱水的配筋构件,其干燥一侧的配筋需按表中的干湿交替环境考虑。
2.相对湿度RH指年平均值。
3.一般冻融环境、除冰盐环境下的混凝土均按引气混凝土考虑。
4.冻融环境按当地最冷月平均气温划分为严寒地区、寒冷地区和微冻地区,其最冷月的平均气温t分别为t≤-8℃,-8℃
5.高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体,混凝土体内高度水饱和;中度饱和指冰冻前偶受雨水或潮湿,混凝土体内饱水程度不高。
6.海洋环境中的水下区、水位变动区、浪溅区和大气区的划分,按《海港工程混凝土结构防腐蚀规范》JTJ275-2000的规定。此外,海洋环境中的混凝土即使没有抗冻要求也宜适当引气。
7.遭受冻融环境作用的海洋环境混凝土,按引气混凝土考虑。
8.表中不同环境条件下的作用等级适用于配筋混凝土结构构件。对于素混凝土结构,其在海水和近海环境(表5)中的作用登记以及土、水中氯离子环境(表5)中的作用等级可比配筋构件低一个等级取用。
表6 环境分类及其作用等级(建设部混凝土结构耐久性设计规范)
作用等级BCDE
水中SO42-(mg/L)200200~10001000~40004000~10000
土中SO42-总量(mg/kg)强透水土层弱透水土层≤300
≤1500300~1500
1500~50001500~6000
5000~150006000~15000
15000~50000
水中Mg2+(mg/L)300300~10001000~30003000~4500
水的pH值水或强透水土层中弱透水土层中≤6.5
≤5.55.5~6.5
4.5~5.54.5~5.5
4.0~4.54~4.5
3.5~4.0
水中CO2(mg/L)水或强透水土层中弱透水土层中
15~30
30~6030~60
60~10060~100
>100
氯离子浓度水中(mg/L)干湿交替长期浸水土中(mg/L)潮湿
100~500
500~5000
150~750500~5000
5000~20000
750~75005000~10000
20000~40000
7500~15000
注:1.水中及强透水土层中的硫酸盐和镁盐环境,如无干湿交替,表中数据可乘系数1.5。
2.冰冻环境下按引气混凝土考虑。
3.受硫酸盐、镁盐和酸作用下的混凝土需符合含气量和气泡间距系数的要求,不得使用仅硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的混凝土。
4.沿海地区的地下工程或海底工程,如土与地下水中的含盐成分与海水相似,则与水、土触的构件环境作用等级可按海洋环境中的水下区考虑(但在地下水位的变动区内则需适当提高等级),而构件与空气接触的另一侧,则宜按接于干湿交替的海洋环境条件考虑。
铁道部标准见表7~表11。
表7 碳化环境
环境作用等级环境条件特征
T1室内环境
长期在水下(不包括海水)或土中
T2室外环境
T3水位变动区
干湿交替
注:1.当钢筋混凝土薄型结构的一侧干燥而另一侧湿润或饱水时,其干燥一侧混凝土的碳化作用等级应按T3级考虑。
2.对于梁部结构,碳化作用等级应按不低于T2级考虑。
表8 氯盐环境
环境作用等级环境条件特征
L1长期在海水水下区
离平均水位15m以上的海上大气区
离涨潮岸线100~300m的陆上近海区
L2离平均水位15m以内的海上大气区
离涨潮岸线100m以内的陆上近海区
海水潮汐区或浪溅区(非炎热地区)
L3海水潮汐区或浪溅区(南方炎热地区)
盐渍土地区露出地表的毛细吸附区
遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位
表9 化学侵蚀环境
化学侵蚀类型环境作用等级
H1H2H3H4
硫酸盐侵蚀环境水中SO42-含量(mg/L)≥200
≤600>600
≤3000>3000
≤6000>6000
强透水性环境土中SO42-含量(mg/kg)≥2000
≤3000>3000
≤12000>12000
≤24000>24000
弱透水性环境土中SO42-含量(mg/kg)≥3000
≤12000>12000
≤24000>24000-
盐类结晶侵蚀环境土中SO42-含量(mg/kg)-≥2000
≤3000>3000
≤12000>12000
酸性侵蚀环境水中pH值≤6.5
≥5.5<5.5
≥4.5<4.5
≥4.0-
二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量(mg/L)≥15
≤40>40
≤100>100-
镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量(mg/L)≥300
≤1000>1000
≤3000>3000-
注:1.对于盐渍土地区的混凝土结构,埋入土中的混凝土遭受化学侵蚀;当环境多风干燥时,露出地表的毛细吸附区内的混凝土受盐类结晶型侵蚀。
2.对于一面接触含盐环境水(或土)而另一面临空且处于干燥或多风环境中的薄壁混凝土接触含盐环境水(或土)的混凝土遭受化学侵蚀,临空面的混凝土遭受盐类结晶侵蚀。
3.当环境中存在酸雨时,按酸性环境考虑,但相应作用等级可降一级。
表10 冻融破坏环境
环境作用等级环境条件特征
D1微冻地区+频繁接触水
D2微冻地区+水位变动区
严寒和寒冷地区+频繁接触水
微冻地区+氯盐环境+频繁接触水
D3严寒和寒冷地区+水位变动区
微冻地区+氯盐环境+水位变动区
严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水
D4严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区
注:严寒地区、寒冷地区和微冻地区是根据其最冷月的平均气温划分的。严寒地区、寒冷地区和微冻地区最冷月的平均气温t分别为:t≤-8℃,-8℃<t<-3℃和-3℃≤t≤2.5℃。
表11 磨蚀环境
环境作用等级环境条件特征
M1风蚀(有砂情况)风力等级≥7级,且年累计刮风时间大于90天
M2风蚀(有砂情况)风力等级≥9级,且年累计刮风时间大于90天
流冰冲刷被强烈流冰撞击、磨损、冲刷(冰层水位下0.5m~冰层水位上1.0m)
M3风蚀(有砂情况)风力等级≥11级,且年累计刮风时间大于90天
泥砂冲刷被大量夹杂泥砂或物体磨损、冲刷
2.2.3 混凝土耐久性指标
不同工程对象(使用年限及环境条件不同)耐久性指标主要有耐久性指数、抗冻性、抗氯离子侵入性、氯盐环境下的电通量、含气量分别列于表12~表19。
表12 混凝土抗冻性的耐久性指数1DF%(建设部混凝土结构耐久性设计规范)
使用年限级别一(100年)二(50年)三(30年)
环境条件高度2饱水中度饱水盐和化学侵蚀下冻融高度饱水中度饱水盐和化学侵蚀下冻融高度饱水中度饱水盐和化学侵蚀下冻融
严寒地区[***********]5
寒冷地区[***********]
微冻地区[***********]
注:1.耐久性指数DF为300次快速冻融循环后的动弹性模量与初始值的比值。如在300次循环以前,试件的动弹性模量已降到初始值的60%以下或重量损失已超过5%,则以此时的循环次数N计算DF值,并取DF=N/300×0.6。快速冻融循环试验的方法可参照水工混凝土试验标准,试件自现场或模拟现场混凝土构件中取样,如在实验室制作,试件养护温度及试验龄期需按实际工程情况选定。对海水或化学腐蚀下冻融环境,试验时用于浸泡试件的水需用海水或含化学物质,其浓度取与实际工程环境中相同。
2.高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体,混凝土体内高度水饱和;中度饱水指冰冻前偶受雨水或潮湿,混凝土体内饱水程度不高;盐冻指接触海水、除冰盐或其他化学腐蚀物质下的冻融情况。
3.严寒地区、寒冷地区和微冻地区按其最冷月的平均气温t分别为:t≤-8℃,-8℃<t<-3℃和-3℃≤t≤2.5℃划分。
表13 冻融破坏环境下混凝土的抗冻性(铁道部标准)
设计使用年限级别一(100年)二(60年)三(30年)
环境作用等级D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4
抗冻等级(56d)≥F300≥F250≥F200
表14 混凝土抗氯离子侵入性指标(建设部耐久性指南)
使用年限级别一(100年)二(50年)
抗侵入性指标DEFDEF
电量指标(56d龄期)库仑
氯离子扩散系数DRCM(28d龄期)10-12m2/s
表15 氯盐环境下混凝土的电通量(铁道部标准)
设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三(30年)
环境作用等级L1L2、L3L1L2、L3
电通量(56d),C
表16 化学侵蚀环境下混凝土的电通量(铁道部标准)
设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三(30年)
环境作用等级H1、H2H3、H4H1、H2H3、H4
电通量(56d),C
表17 混凝土含气量(平均值,%)(建设部混凝土结构耐久性设计规范)
骨料最大粒径(mm)混凝土高度饱水混凝土中度饱水盐或化学侵蚀下冻融
107.05.57.0
156.55.06.5
256.04.56.0
405.54.05.5
注:1.高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体,混凝土体内高度水饱和;中度饱水指冰冻前偶受雨水或潮湿,混凝土体内饱水程度不高。
2.气泡间距系数(平均值)在高度饱水、中度饱水和盐冻条件下宜不大于250、300和200μm。
3.表中含气量为从现场新拌混凝土中取样测得的数值,允许绝对误差±1.5%,但不小于4%。
4.气泡间距系数为从现场或模拟现场的硬化混凝土中取样或钻芯测得的数值。测定方法可参照有关标准。
表18 混凝土适宜含气量(%)(允许误差±1)(公路标准)
集料最大粒径(mm)含气量(%)
高度水饱和环境中度水饱和环境盐或化学侵蚀环境
107.05.57.0
156.55.06.5
256.04.56.0
455.54.05.5
注:1.表中所列含气量为在现场新拌混凝土取样测得的平均值。在施工前,应参考表18中的要求,对拟用混凝土做抗冻法(快冻法)与含气量的对比试验。采用对比试验确定的含气量以及试验用的原材料及水胶比等混凝土工艺参数,进行施工方案编制和质量控制。
2.在试验室条件下进行新拌混凝土试样的含气量测试时,不论混凝土的坍落度大小,测试前均应在标准振动台上振动不小于20s的时间。对于现场泵送和高频振捣的混凝土,应检测试验泵送和振捣过程造成的含气量损失,以判断所用引气剂品种的适用性。
3.在盐冻、高度水饱和及中度水饱和条件下,气泡间距系数不宜大于200μm、250μm及300μm。气泡间距系数为在现场钻芯取样或模拟现场的硬化混凝土中取样测得的数据。测定方法可参照有关标准。
表19 最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量(建设部混凝土结构耐久性设计规范)kg/m3
环境作用等级一100年二50年三30年
AC30,0.55,280C25,0.60,260C25,0.65,240
BC35,0.50,300C30,0.55,280C30,0.60,260
CC40,0.45,320C35,0.50,300C35,0.50,300
DC40,0.40,340C40,0.45,320C40,0.40,320
EC45,0.36,360C40,0.40,340C40,0.40,340
FC50,0.32,380C45,0.36,360C40,0.36,360
注:1.表中胶凝材料最低用量指骨料最大粒径约为20mm的混凝土,当最大粒径较小或较大时需适当增减胶凝材料的用量。
2.对于冻融和化学腐蚀环境下的薄壁构件,其水胶比宜适当低于表中对应的数值。
3.对于100年设计使用寿命且环境作用为D或D级以上时,可在混凝土的胶凝材料中加入少量硅灰。
3 从混凝土性能要求出发,设计混凝土配合比
从不同的工程对象、工程性质来分析和考虑混凝土需要达到哪些性能指标已在前面一章做了介绍,然而,在混凝土的配合比设计中,除了一些最基本的通用指标可以用《普通混凝土配合比设计技术规程》中推荐的设计方法、计算公式和经验图表获得以外,还必须根据不同的性能指标,通过周密设计才能达到按设计要求获得预期性能的目标。
3.1 针对新拌混凝土阶段,混凝土性能要求的配合比设计原则
3.1.1 有关流变学性能评价指标
坍落度是目前世界上应用最普遍也是最简单的测试和评价混凝土流动性的试验方法。(德国标准DIN不采用坍落度试验)。然而,随着混凝土技术的进步,坍落度已不是评价混凝土流动性的唯一指标。
屈服应力也是评价工作性的重要指标,屈服应力低于某一临界值时混凝土才能流动。然而在自密实混凝土中,除考虑到坍落度和屈服应力外还必须考虑到它的塑性粘度和稳定性。
所以大流动要求屈服值τ小,自密实要求塑性粘度η大。在配制自密实混凝土时,必须考虑系统具有足够的浆量并使浆体具有足够粘度以克服在流动过程混凝土拌合物中的骨料在自重作用下沉降的自然趋势。当系统中水泥、掺合料组成的浆体粘度还不能达到要求的塑性粘度值时,添加增稠剂就是必须的。
大流动性高性能混凝土配合比设计中考虑的重点是减水剂的选用和总用水量的控制。
自密实混凝土配合比设计中就必须考虑粉体的组成(即总的浆体量),骨料的体积含量、外加剂的选择和增稠剂的选用。
在《自密实混凝土应用技术规程》CECS203-2006中国工程建设标准化协会标准中对单位体积用水量、水粉比和单位体积粉体含量均作了推荐性的要求:
自密实混凝土配合比设计时水胶比对混凝土强度的影响和水粉比对自密实性能的影响;
配合比设计宜采用绝对体积法;
当仅靠增加粉体量不能满足浆体粘性时,可适当添加增粘剂;
宜采用增加粉体材料用量……,改善浆体粘性和流动性;
自密实混凝土配合比设计应注意粉体、骨料、外加剂的合理选择;
自密实混凝土的单位体积用水量宜控制在155~180kg/m3;
自密实混凝土水粉比宜取0.8~1.15,单位体积粉体量宜为0.16~0.23m3,单位体积浆体量宜为0.32~0.40m3;含气量宜为1.5%~4.0%;
单位体积胶凝材料用量为粉体量减去惰性粉料;
验证和调整坍落扩展度、V型漏斗、U型箱、全量检测。
3.1.2 混凝土水硬化过程中体积变形和配合比设计的关系
在大体积混凝土和对裂缝防治有要求的钢筋混凝土结构中,混凝土水硬化过程中由于温度、湿度以及混凝土结构形成过程中体积稳定性,都是非常重要的指标,因此在配合比设计中必须予以关注。
(1)控制绝热升温值。采用复合胶凝材料技术,尽可能地减少系统中硅酸盐水泥熟料的含量;降低C3A和C3S的含量;利用混凝土后期强度。
(2)减少收缩值,自身收缩和干燥收缩值。
(3)规范、指南中推荐参数:
1)大体积混凝土
60d、90d可以作为混凝土强度等级设计依据;
坍落度宜
强度等级宜为C25~C40;
拌合用水3;
矿物掺合料粉煤灰40%,矿粉50%,同时使用时总量50%。
2)钢筋混凝土结构裂缝控制要求
干缩率混凝土90d
坍落度在满足施工要求的条件下,尽量采取小坍落度:基础、梁、楼板、屋面
用水量不宜大于180kg/m3;
胶凝材料总量普通强度等级混凝土(≤C50)270~450kg/m3;高强混凝土(≥C50)不宜大于550kg/m3;
水胶比在满足工作性要求条件下应优先采用小水胶比,最大不宜≥0.60;
宜采用引气剂;
氯离子按重量计≤3.0kg/m3。
3)自密实混凝土
自密实混凝土配合比设计应注意粉体、骨料、外加剂的合理选择;
自密实混凝土的单位体积用水量宜控制在155~180kg/m3;
自密实混凝土水粉比宜取0.8~1.15(体积比)。单位体积粉体量宜为0.16~0.23m3。 单位体积浆体量宜为0.32~0.40m3;
含气量宜为1.5%~4.0%;
单位体积胶凝材料用量为粉体量减去惰性粉料;
验证和调整坍落扩展度、V型漏斗、U型箱、全量检测。
3.2 满足混凝土主要物理力学性能指标应考虑的几个基本问题
随着混凝土工程结构应用范围的不断扩大,混凝土配合比设计的目标已从单一的28d抗压强度(即强度等级)为主要目标逐步转向,针对不同工程对象,在满足28d抗压强度的同时还必须达到不同使用领域对某些性能的指标要求。这里仅举几类工程为例说明,如道路、机场跑道等混凝土对某些性能的指标要求,可能比对抗压强度的要求更重要;再如在高精度预应力混凝土工程中,除了满足抗压强度指标外,还必须考虑混凝土的收缩和徐变的性能指标。
3.2.1 抗压强度
抗压强度是混凝土长期物理力学性能中最重要的性能指标之一。因为它与混凝土的密实性、渗透性、耐磨性、耐蚀性……等一系列物理力学性能都紧密相关。在一般工程领域中,往往可以用抗压强度指标来粗略地表述这些性能,也就是说高强混凝土一般来说,其密实度高,抗渗性能好也比较耐磨、耐冲蚀……等等。因此,长期以来在普通混凝土配合比设计中,往往只以28d抗压强度指标(混凝土的强度等级)fcu,R作为最主要的配制目标,水胶比理论和混凝土强度直线式在当前的配合比设计中仍占主导地位。
W/C=(αb·fce)/(fcu,o+αb·fce)
是最基本的配合比设计公式。
3.2.2 弯拉强度
在传统的配合比设计中,往往不把抗弯强度作为独立的性能指标来考虑,认为抗压强度高,抗折性能和弯拉性能也就好。然而,大量的试验资料和工程实践都证明混凝土的抗压强度和抗折性能的相关性并不十分好,抗压强度不高并不能表示其抗折性能很差。反之,有些抗压强度很高的混凝土抗折性能又不一定十分理想。据此,在道路路面用混凝土的配合比设计中,已由原来的混凝土强度指标以抗压强度为目标,改为以弯折强度为目标。
在GBJ-97-87《水泥混凝土路面施工及验收规范》中,混凝土配合比设计时W/C的计算公式为:
W/C=0.46Ce0/(C+0.2392Ce0)
在JTGF30-2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》中,
W/C=1.5684/(fc+1.0097-0.3595fs)
式中:fc——配制28d弯拉强度的均值,MPa;
fs——水泥实测28d抗折强度,MPa。
当然,在路面混凝土的配合比设计中除了弯拉强度外还必须考虑路面混凝土的耐磨性和抗冻性以及抗盐性等性能指标。同时也带来了对混凝土外加剂、掺合料等不同的要求,也证明了按性能设计配合比的重要性。
3.2.3 收缩、徐变
混凝土的收缩除了在3.1中已提到的在新拌混凝土阶段和混凝土水硬化过程中已提到的应注意的塑性收缩(化学收缩、自收缩、干燥收缩),对大体积混凝土及混凝土结构的裂缝引发产生的影响外,在硬化后的混凝土中也存在收缩和徐变两个变形性能的问题,在高精度大型预应力结构中必须引起重视。骨料一般不产生收缩变形,但骨料对浆体起约束作用,因此体系中骨料含量愈高,收缩变形就愈小。同样大量的研究资料和徐变理论分析,认为混凝土的徐变主要是水泥石中凝胶颗粒的性质引起的。同样可以得出混凝土的骨料含量愈高,徐变愈小。因此,在这里混凝土配合比设计中,浆骨比就特别重要,在满足强度等级和工作性要求的前提下,减少胶凝材料用量、增加粗骨料用量就成为重要的技术措施。
3.3 混凝土耐久性
通过配合比设计达到预期的混凝土耐久性指标,近期在我国混凝土工程技术科研、设计、生产、施工领域内引起广泛重视,总的来说围绕以下几个方面重点考虑:抗裂、碳化、氯离子渗透、抗冻融、耐化学腐蚀、碱-集料反应。
3.3.1 强度等级、水胶比、胶凝材料用量
混凝土的强度等级一定要符合工程的实际需要,切忌盲目追求高强度等级;在满足施工要求的前提下,尽可能降低水胶比;采用复合胶凝材料配制混凝土技术,限制单方混凝土胶凝材料总用量,在满足要求性能的前提下,采取各项可能的技术措施减少硅酸盐水泥的用量。
3.3.2 矿物掺合料技术对混凝土耐久性的贡献
为了提高混凝土密实性,从混凝土细观结构上根本性地降低有害物质的侵蚀,科学合理地掺加矿物掺合料,是降低氯离子渗透量,延续钢筋脱钝速率,提高混凝土抗渗性能,抵制酸性化学腐蚀,防止碱-骨料反应等的有效措施。
3.3.3 引气混凝土技术对混凝土性能的影响
引气混凝土技术近几年在国内引起广泛的重视,引气对新拌混凝土性能、抗冻性、抗盐冻、碱-骨料反应等一系列有效的积极作用在认识上有了深化。
在混凝土结构耐久性设计和施工指南中明确指出“使用优质的引气剂,将适量引气作为配制耐久混凝土的常规手段。”
“冻融环境下的混凝土一般需采用引气混凝土……”。
3.3.4 水泥和骨料与混凝土耐久性的关系
指南中在配制耐久混凝土途径中指出:
(1)选用低水化热和含碱量偏低的水泥,尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥;
(2)选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料。
4 工程实例
从以往已有的工程经验中,选择了几个具有典型性能要求的混凝土配合比实例,可以看出对不同性能的混凝土其配合比组成有很大的区别。
4.1 大体积基础混凝土
降低水泥用量,采用60d强度作为验收标准,控制合理的坍落度是大体积基础混凝土配合比设计的原则(见表21~22)。
表20 1998年上海JYTV工程R28C40S6配合比(坍落度120±30mm)kg/m3
材料名称水水泥矿粉粉煤灰砂碎石(mm)外加剂
规格型号自来水P.O52.5S95II级磨细中粗5~25C6210
用量[***********]1.2
表21 2005年元月上海环球金融中心主楼基础R60C40P8配合比(坍落度150±30mm)kg/m3
材料名称水水泥矿粉粉煤灰砂碎石(mm)外加剂
规格型号自来水P.O42.5S95II级中5~25
用量[***********].72
4.2 低收缩、低徐变、高精度预应力混凝土
从下面两个工程实例可以看出,尽可能地(在满足其它性能要求前提下)增大粗骨料含量(1160~1200kg/m3),对降低收缩和改善混凝土徐变性能都是有利的(见表22~23)。
表22 1989-1990南浦大桥后张预应力曲线箱梁C50配合比(坍落度90mm)kg/m3
材料名称水水泥砂碎石外加剂
规格型号自来水P.O52.5中粗5~15mm13~25mmJRC-2A
用量176440624.87044666.6
164443628(5~25mm)1165FTH2.66
表23 磁悬浮kg/m3
水水泥高钙灰低钙灰砂(中粗)碎石
[1**********]615~16mm5~20mm
1201082
4.3 海工混凝土
合理地掺加矿物掺合料是海工混凝土配制的重要措施(见表24)。
表24 海工混凝土配合比
部位水泥掺合料砂碎石5~16mm水外加剂
粉煤灰矿粉
承台132
[1**********]474.48
塔座[***********]04.65
作者:朱稚石