粉煤灰高性能混凝土在北京莊勝廣場工程的應用
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用中的實際情況，并對其各項性能作了較詳細的研究。
關鍵詞：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進行設計的混凝土，粉煤灰為作為一種優(yōu)質的活性摻和料，已被廣泛地應用于各種混凝土工程中。在北京地區(qū)，雖然粉煤灰的應用較早，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面影響，但也對粉煤灰的很多功能作了“犧牲”，也限制了粉煤灰“綜合效應”的發(fā)揮。經過特殊配制的粉煤灰混凝土在北京莊勝廣場工程的應用表明，粉煤灰的合理摻入，可以顯著改善混凝土的強度、耐久性及工作性能，而且，由于水泥用量的減少，對降低工程造價、節(jié)約能源等具有可觀的效果。僅由于節(jié)約水泥用量一項就可以使混凝土的單方造價降低3.5%。因而，粉煤灰高性能混凝土在該工程的應用取得了良好的技術和經濟效果。
北京莊勝廣場由莊勝房地產有限公司投資，中建一局華江建設有限公司和日本大成建設株式會社共同承建，混凝土由中建一局華江公司混凝土攪拌站供應。工程采用框架結構，首期工程總建筑面積170000m2，設計高度86.3m，工程±0.00m以上主體結構中的梁、板、柱中使用粉煤灰高性能混凝土，其強度等級為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混凝土和易性及界面結合力等都有利，所以選用5～20mm的粒徑。其壓碎值指標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 細集料
細集料選用永定河水系質量合格，級配合理的中粗砂。其密度2680kg/m3，容重1590kg/m3，細度模數2.6，含泥量1.0%。
2.3 水泥
唐山冀東水泥廠生產的盾石牌P.O42.5R低堿水泥，其主要物理化學性能見表達1。
表1 水泥的主要物理化學性能
|
細度
(%)
(R+80µm) |
比表
面積
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
堿含量
(%) |
抗壓強度
(Mpa)
3d 28d |
抗折強度
(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信公司生產的優(yōu)質Ⅱ級磨細粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔篩篩余9.9%，粉煤灰的化學成分見表2。
表2 粉煤灰的化學成分
|
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抗壓強度比156%，28d抗壓強度比137%。
3 配合比設計
粉煤灰高性能混凝土的配制應根據達到一定的目標強度、耐久性和工作性時粉煤灰摻量和水膠比的關系來確定混凝土的配合比。
粉煤灰對強度的貢獻比水泥對強度的貢獻與水膠比的關系更加敏感。因此，摻有粉煤灰的混凝土應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量的重要因素。
通過對不同粉煤灰摻量下混凝土性能的對比，表明在相同的水膠比下，粉煤灰的摻量不超過20%時，粉煤灰混凝土與基準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。只有在其摻量達到或超過25%時，粉煤灰才會顯著改變混凝土的性能，從而實現高耐久性。
經過大量的試驗，采用正交設計方法，試驗粉煤灰的摻入對混凝土強度及耐久性的影響，來確定施工時合理的配合比。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
|
強度
等級 |
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 |
各配合比在施工時的工作性能見表4。
表4 混凝土的工作性質
|
強度
等級 |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
坍落度(mm)
0min 60min 90min |
擴展度(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 強度
粉煤灰對混凝土強度有三種影響：減少用水量、增大膠結材含量和通過長期火山灰反應提高其強度。粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大，這對混凝土的抗裂性能有利。其力學性能見表5。
表5 混凝土的力學性能
|
強度等級 |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
抗壓強度(Mpa)
1d 3d 7d 28d 90d |
28d劈拉強度（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，雖然強度等級不同，到28d時的彈性模量都可以達到4.0×104Mpa以上，比基準混凝土提高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，用水量越少，收縮也越小?；炷粮鼾g期收縮值的試驗結果見表6。
表6 混凝土各齡期的收縮值
|
強度 FA/C+FA 各齡期的收縮值×10-4
等級 (%) 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慢，水分蒸發(fā)快，所以粉煤灰對混凝土的早期干縮影響很大。在施工過程中，早期養(yǎng)護尤其重要，早期養(yǎng)護不良的混凝土會造成較大干縮，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，粉煤灰火山灰反應程度低，粉煤灰—水泥體系結構疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度較大。隨著齡期的增長和粉煤灰火山灰效應的逐漸發(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)
|
編號 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，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
混凝土中粉煤灰的摻入可抑制混凝土發(fā)生堿集料反應。根據試驗結果，粉煤灰摻量大于20%時，抑制堿集料反應才有效。當摻入30%時，可有效抑制堿集料反應。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，使之對結構物的長期性能不至構成破壞，在工程中除摻入優(yōu)質的粉煤灰外，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，經堿含量評估，混凝土中有效堿的含量可控制在3.0kg/m3以內，符合北京市建委的規(guī)定。
5 結語
（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，水膠比為0.3~0.4時，可以制備具有優(yōu)良耐久性的高性能混凝土。
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