多组分混凝土理论工程应用

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第1章 当前混凝土技术发展需要解决的问题
　　1.1 混凝土行业发展存在的问题
　　1.1.1 技术理论需要完善
　　1.混凝土技术理论发展概况
　　自波特兰水泥诞生以来，水泥混凝土技术发展过程中出现了各种不同的理论，目前国际上公认的有1918年艾布拉姆斯(D.A.Abrams)提出的混凝土强度与水灰比之间的计算公式，1920年格里菲思(A.A.Griffith)提出的脆性断裂理论，1930年瑞典学者保罗米(Bolomy)提出的混凝土强度与水泥强度和水灰比之间的计算公式。这些理论对混凝土技术的发展发挥了重要的作用。中华人民共和国成立以来，我国混凝土行业得到了快速的发展。在混凝土水化机理方面，吴中伟院士提出了中心质假说。在配合比设计方面，陈建奎教授和王栋民教授提出了全计算法，朱效荣教授提出了多组分混凝土理论。这些技术理论在不同的领域得到推广和应用，满足了社会发展不同阶段的建设需求，促进了我国混凝土技术的进步。
　　2.水灰比与强度之间的关系需要完善
　　由于经典理论创立的时候还没有外加剂，配制的混凝土强度等级都不高，只有能够成型的混凝土拌和物凝结硬化后才能够形成混凝土。这种情况下配制混凝土必须加入足量的水分，混凝土拌和物用水量越多，浆体凝固后水分蒸发形成的孔隙越多，形成的混凝土强度越低。因此得出水灰比越小，混凝土强度越高的结论。对C40以下的塑性混凝土而言，用于质量控制非常有效。随着工程项目对技术要求的提高，现代的混凝土已经广泛使用外加剂，特别是减水剂的大量使用，即使混凝土配制过程中加入比以前更少的水，也可以让混凝土拌和物具有很好的流动性。对于C50及以上混凝土，由于使用较低的水灰比，通过增加减水剂用量实现拌和物的流动，这导致混凝土拌和物黏度大，不易泵送，成型的混凝土出现早期强度高、后期强度不增长甚至倒缩的现象。因此完善理论，确立水灰比和强度之间的准确对应关系，才能更好地适应生产。
　　3.用砂率控制混凝土包裹性的理念需要改变
　　目前使用的砂石料密度发生了很大的变化，在砂率相同的情况下，砂子和石子的体积完全不同，传统观念下合理的砂率并不能保证混凝土包裹性良好。因此改变观念，建立砂石合理用量的计算方法非常有必要。
　　4.外加剂在混凝土中的功能需要准确定位
　　外加剂已经成为混凝土不可或缺的组分，减水剂更是已经广泛应用于预拌混凝土行业。准确地说，泵送剂属于胶凝材料的表面活性剂，主要作用是降低浆体的表面张力，使浆体变成圆球形结构，便于流动。泵送剂合理的作用是提高胶凝材料浆体的流动性，而不是用于减水。因此，准确定位外加剂在混凝土中的作用非常必要。
　　5.混凝土耐久性设计的目标需要量化
　　由于工程项目的耐久性技术要求是明确的，在混凝土配合比设计理论中必须建立耐久性指标与设计参数的对应关系。
　　1.1.2 混凝土生产过程存在的问题
　　1.水泥性能发生了巨大的变化
　　经过近三十余年的快速发展，水泥性能发生了巨大的变化：①水泥的早期强度越来越高，后期强度增长缓慢，60～90d时水泥胶砂强度基本上没有增长甚至有所下降；②水泥越来越细，水化速度越来越快，水化放热集中，使混凝土内外温差加大，导致混凝土结构内部细微裂缝增加，增加了混凝土开裂的机会；③混合材掺量过高，使水泥的性能与传统的硅酸盐系列水泥性能大相径庭；④助磨剂的大量使用使水泥与外加剂的适应性变差。因此，在水泥的使用过程中就要研究水泥性能的改变对混凝土性能的影响。
　　2.胶凝材料强度快速检测
　　水泥强度是混凝土强度计算的最主要来源，快速测量水泥、矿渣粉和粉煤灰的强度是保证混凝土强度的关键。由于目前混凝土企业具有生产规模大、峰值高和连续性差的特点，胶凝材料进场就直接使用的情况特别普遍，这导致许多企业在没有测量胶凝材料强度的情况下就使用了，这样就会引起生产企业对混凝土强度的失控。因此，建立快速检测水泥、矿渣粉和粉煤灰强度的方法非常必要。
　　3.砂子的质量需要同步控制
　　当前影响混凝土质量的一个因素是砂子质量的波动，主要表现在紧密堆积密度的变化、含石率的变化、吸水率的变化以及级配的变化。砂子紧密堆积密度变化的主要原因是矿山资源的多元化、母岩密度的变化以及机制砂中石粉含量的波动。砂子含石率变化的主要原因是砂子生产、运输及堆垛过程中砂子离析。在混凝土生产过程中，铲车总是先铲取外围含粗颗粒的砂子，后使用中间细粉较多的砂子，导致混凝土生产过程中粒径4.75mm以上小石子的含量不同。砂子吸水率的变化主要是由制造砂子的母岩开口孔隙率不同、砂子含粉量不同以及砂子含水率不同引起的，砂子级配不好主要是由堆垛过程中砂子的离析引起的。这就要求企业建立与砂子质量变化对应的混凝土质量控制体系。
　　4.外加剂与砂子的适应性问题
　　关于外加剂的适应性，以前指胶凝材料与外加剂的适应性，机制砂和再生骨料的大量应用，砂子中石粉含量提高，对外加剂的吸附能力增强，因此在配制混凝土的过程中不仅要解决外加剂与胶凝材料的适应性，还要解决外加剂与砂子的适应性，对混凝土研发单位、外加剂企业和混凝土生产企业提出了新的要求，需要研究解决外加剂与砂子适应性的有效措施。
　　5.配合比设计的动态化
　　目前国内混凝土企业的生产规模都较大，每一天都会针对不同的工程项目生产不同强度等级的混凝土，因此经常出现同一批原材料生产很多品种混凝土的情况，也存在完全不同的原材料同时供应同一个工地的情况。固定配合比搞生产已经无法适应混凝土企业生产的要求，研究智能化混凝土配合比设计和生产技术，实现动态化配合比设计和动态化生产质量控制技术势在必行。
　　1.1.3 混凝土施工过程存在的问题
　　1.混凝土拌和物坍落度损失问题
　　坍落度损失是混凝土施工过程中的共性问题，在以前主要是水泥、矿渣粉和粉煤灰引起的。当前由于天然砂含泥量的提高以及机制砂含粉量的增加，吸附了对应比例的外加剂，混凝土拌和物的坍落度损失变大，如何减少混凝土拌和物的坍落度损失是目前混凝土施工过程中必须解决的问题。
　　2.现场二次加水必须杜绝
　　在施工现场进行二次加水是当前混凝土施工现场存在的通病，一种是由于混凝土工为了减少自己的劳动量引起的盲目加水，严重影响混凝土强度，另一种是由于混凝土拌和物黏度大、坍落度小以及无法泵送引起的加水。因此，准确分析施工过程中二次加水的原因，提出合理的解决方案非常必要。
　　1.2 解决当前混凝土技术问题的措施
　　1.2.1 技术理论的完善
　　1.多组分混凝土理论
　　为了配制优质的混凝土，改善混凝土的耐久性，适应工程建设对混凝土质量的要求，解决当前混凝土行业存在的各种问题，采用多组分混凝土理论进行配合比设计和质量控制显得非常重要。多组分混凝土强度理论准确定义了水泥、掺合料、砂、石、外加剂和拌和用水量与强度的对应关系。只要检测出水泥的强度、密度、比表面积和需水量，矿渣粉、粉煤灰和硅灰的活性系数、密度、比表面积和需水量比，外加剂的减水率和掺量，砂子的紧密堆积密度、含石率、含水率、含泥量和压力吸水率，石子的堆积密度、空隙率、表观密度和吸水率，计算出胶凝材料水化形成的标准稠度浆体的强度、胶凝材料填充强度贡献率u、硬化密实浆体在混凝土中的体积m，就可以广泛用于多组分混凝土强度的早期推定、混凝土配合比设计、固定胶凝材料调整配合比、利用已知配合比数据设计一系列新混凝土配合比和根据砂石含泥量调整混凝土配合比。这是符合当前工程实际的混凝土技术理论。
　　2.选定最佳的水胶比
　　根据多组分混凝土理论，水胶比与混凝土强度之间的关系以胶凝材料标准稠度用水量对应的水胶比为界限分为两个部分，当水胶比小于这个值时，随着水胶比的增加，混凝土的强度提高；当水胶比大于这个值时，随着水胶比的增加，混凝土的强度降低。胶凝材料浆体在标准稠度时，混凝土强度最高，因此在混凝土配合比设计过程中，将胶凝材料标准稠度用水量对应的水胶比定义为胶凝材料的最佳水胶比。客观地说，水泥的强度和用量决定混凝土强度，水胶比影响混凝土强度。配制混凝土时，最佳水胶比只有一个值，并且用最佳水胶比配制的混凝土浆体收缩最小，抗渗性和抗冻性最好，拆模后碳化值最小，对耐久性的改善最明显。当前大多数资料介绍的技术是混凝土水胶比大于最佳水胶比的情况，特别适应C40及以下强度等级的普通混凝土。对于C50及以上强度等级的高强混凝土，配制混凝土时胶凝材料用量较大，化学反应所需的水增加，混凝土强度增长规律符合水胶比小于最佳水胶比的情况，因此配制混凝土的过程中适当提高水胶比有利于混凝土性能的改善和强度的提高。盲目降低水胶比是错误的，过低的水胶比将会导致混凝土配制过程中用水量太少、外加剂掺量过高和混凝土拌和物黏度过大的问题，配制的混凝土早期强度高，后期强度不增长甚至倒缩，如果养护不及时，还容易造成混凝土开裂。
　　3.确定最佳砂率
　　由于砂率是砂石用量的质量分数，属于衡器确定的数据。包裹性是体积问题，属于尺寸问题，属于量器确定的数据。当砂石技术指标符合假定的基础时，用砂率解决混凝土包裹性问题，能够满足配合比设计需要，可以通过调整砂率控制混凝土的包裹性。以前假定砂子堆积密度为(1550±100)kg/m3，而现场砂子的堆积密度为1100～2300kg/m3，假定石子堆积密度为(1650±100)kg/m3，而现场石子的堆积密度为1200～1800kg/m3，与假设区别很大。以前的假定基础已经不复存在，假定不能成立。在配合比设计过程中，砂石用量的计算就应该以现场检测的数据为准。砂子用量应该是用砂子的紧密堆积密度和石子的空隙率确定，石子体积用量应该是1m3混凝土中扣除胶凝材料浆体体积和砂子体积之后的体积值，石子用量等于这个体积与石子表观密度的乘积，不能用假定容重和假定砂率确定。这样确定的砂率最合理，配制的混凝土匀质性最好，体积稳定性最佳，最有利于预防混凝土开裂，提高建筑物和构筑物的寿命。
　　4.准确定位外加剂的功能
　　准确地说，混凝土泵送剂属于胶凝材料的表面活性剂，主要作用是降低胶凝材料浆体的表面张力，使浆体变成圆球形结构，提高混凝土拌和物的流动性。因此，混凝土泵送剂合理的作用是提高胶凝材料浆体的流动性，而不是用于减水。在混凝土用水量合理的情况下，为达到相同的工作性，随着胶凝材料用量的增加，外加剂的实际用量增加，但是外加剂与胶凝材料的质量分数随着胶凝材料用量的增加而降低。也就是说，配制C20～C100混凝土，胶凝材料用量为300～600kg，推荐掺量为2%的外加剂用量为6～12kg，外加剂合理的掺量并不是固定为2%，而是随着胶凝材料用量的增加而降低，呈下降趋势。
　　5.确定胶凝材料用量的合理范围
　　按照填充理论，石子是混凝土的骨架，砂子填充在石子的空隙中，胶凝材料填充在砂子的空隙中。合理的砂子体积用量等于1m3石子中石子空隙的体积，合理的胶凝材料体积用量等于1m3混凝土中砂子的空隙体积。符合标准的石子空隙率为30%～45%，砂子空隙率为35%～45%。目前配制混凝土时使用的复合胶凝材料的密度平均值为(2850±100)kg/m3。
　　在配制混凝土的过程中，同时取空隙率最小的砂子和石子时胶凝材料B的用量最少，；同时取空隙率最大的砂子和石子时胶凝材料B的用量最多，，为了实现胶凝材料对砂石空隙的完全填充以及浆体对砂石的完全包裹，在多组分混凝土理论中确定胶凝材料用量控制在300～600kg。
　　6.确定泌水系数
　　在混凝土配制过程中，一直都是通过试验测量混凝土拌和物的泌水率或者压力泌水率，这是一种非常有效的方法，数据非常准确。为了实现在配制混凝土前预先计算出泌水量，在配制混凝土的过程中直接将这部分水扣除，实现混凝土拌和物不泌水，与预应力混凝土通过施加预应力预防混凝土开裂的原理一样。在这里提出了泌水系数的概念，考虑预拌混凝土最小胶凝材料用量为300kg，在配制混凝土时