客运专线高性能混凝土的应用与研究.docx
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客运专线高性能混凝土的应用与研究
客运专线高性能混凝土的应用与研究
【摘要】
本文介绍了高性能混凝土的高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性。
以及在我国高速铁路建设中的发展状况与前景,高速铁路客运专线建设中的重要性。
初步探讨分析了影响高性能混凝土独特性能的主要因素和改善途径。
【关键词】
高性能混凝土、发展与前景、探讨分析
【绪论】
随着我国高速铁路建设的飞速发展,客运专线铁路建设步伐加快,混凝土需用量越来越大。
相应的资源消耗也是越来越大,对环境污染更是越来越严重。
如何解决一系列现代化建设高速发展与混凝土工程对环境污染的矛盾,其主要的方法就是提高混凝土的使用耐久性,从而节约资源降低混凝土工程对环境的污染。
因此在客运专线铁路建设中我们使用到新型混凝土——高性能混凝土。
而高性能混凝土不仅具备上述特点,而且由于其具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性,且能改善劳动条件,经济合理。
至今已在不少重要工程中被采用。
特别是在高速铁路桥梁、隧道建设等工程中具有独特的优越性。
高性能混凝土是现代社会发展的必然产物,具有广阔的使用领域和发展前景。
它在我国高速铁路建设中发挥着举足轻重的作用。
【高性能混凝土的概述】
所谓高性能混凝土是多种材料经过无数次的试配得到的一种既满足施工要求,又具有耐久性的一种现代混凝土。
它对目前基础建设起着重要的作用,高性能混凝土配出来的好坏对降低施工成本,提高建筑物的耐久性,并且环保,都有很大的作用,目前国内的高性能混凝土已经取得了不小的进步,但与其他国家相比还有比较大的差距!
高性能混凝土一般具有高工作性,较高强度和高耐久性的新型混凝土,其特点是:
(1)混凝土拌合物具有流态性、自密性、不振动或稍加振动即能保证成型混凝土均匀密实。
(2)混凝土拌合物具有良好的粘聚性、保水性和可塑性,水下不分散、不离析、稳定性好、可泵性强。
(3)在混凝土凝结硬化过程中水化热低,利于大体积混凝土浇筑。
混凝土硬化后体积稳定,收缩变形小,故混凝土内部微裂纹等缺陷少,结构均匀。
(4)混凝土的密实度高,抵抗水、侵蚀性液体及氯离子等渗透的能力强,对混凝土内钢筋有很强的保护能力。
(5)混凝土中所含易被硫酸盐、镁盐等物质腐蚀的氢氧化钙、水化硫酸钙的量少,保证混凝土具有极强的耐海水腐蚀能力。
(6)混凝土的抗渗性能极高,并且具有一定的空气含量,空气泡分布均匀、密实,因此混凝土具有极高的抗冻融性和抗风化性,故非常适宜浇筑浪溅区混凝土结构。
(7)混凝土强度较高,混凝土内部凝胶的含量较普通混凝土为少,故用于预应力混凝土。
【高性能混凝土的发展状况与前景】
混凝土至今仍是使用最多的建筑工程材料。
目前我国大部分建筑都为混凝土结构,其消耗大量环境资源不说,况且因其普通混凝土结构的质量差每年因维护更新的混凝土结构物需要花费的财力物力是相当大的。
所以在改变这些状况的过程中我们推广出新型混凝土——高性能混凝土。
任何新技术、新材料的发展,都需要经历漫长的、反复的过程,需要克服的诸多障碍中,首先是人们的观念和认识。
当前我国正处于基础设施建设的高潮,对于高性能混凝土的发展应该是一个难得的机遇。
当然,任何发展迅速的新技术,都必定给相关的业界带来显著的效益。
大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土将会给混凝土业带来巨大的影响和冲击。
应用大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土发展高性能混凝土是最可行的途径,因为它不仅能够提高混凝土的品质,还能有效地降低生产成本。
在人们对发展高性能混凝土取得共识的基础上,注重骨料品质的提高,并将大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土恰当地用于我国的基础设施建设,这不仅有利于混凝土业的可持续发展,同时对整个国民经济建设的可持续发展都会发挥一定的促进作用。
中国作为未来对高性能混凝土有高需求以满足其建筑和基础设施需要的国家,随着农村、中小城镇房屋建筑、道路;还是高层、超高层钢筋混凝土建筑的不断发展,其发展趋势是高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性的高性能混凝土,为高性能混凝土的发展提供了一个良好的机遇。
【高性能混凝土的应用与研究】
高性能混凝土是近年来国内高速铁路建设中开始应用到的一种新型高技术要求的混凝土,是在普通混凝土中大幅度提高其耐久性、工作性、强度及体积稳定性能的基础上采用现代混凝土技术制作的新型混凝土,高性能混凝土以其高耐久性作为主要指标,并且针对不同用途的要求,尤其是在高速铁路桥涵、隧道施工中得到广泛应用。
对于高性能混凝土的分析与研究,必须从各项原材料做起,从而让他们更好的搭配出高性能混凝土。
品质稳定的原材料是高性能混凝土至关重要的前提条件:
1.原材料的生产与选用
水泥除了最主要的强度指标外,其矿物组成和细度都对高性能混凝土的性能有显著影响。
选择水泥时不仅要满足国家相关标准的规定要求,而且要考虑水泥的细度,其细度不宜过细,早期强度不宜过高,并且还必须与所用的其他矿物掺合料及外加剂相容性好。
使高性能混凝土在满足高工作性的前提下尽可能降低用水量而保证坍落度损失小。
矿物掺合料对于高性能混凝土的工作性能、力学性能、内部组成及结构状况有很大的改善作用,从而大幅度提高了高性能混凝土的结构耐久性。
因而矿物掺合料在高性能混凝土的配置中是必不可少的组分。
实验证明高性能混凝土随着粉煤灰掺量的增加,混凝土早期强度呈下降趋势,但随着龄期的增长其后期强度增长很快。
这是因为高性能混凝土的早期强度主要靠水泥的水化作用,而粉煤灰的火山灰效应主要在28天龄期后才显现。
随着粉煤灰的增加,混凝土电通量呈下降趋势。
这说明,粉煤灰的掺入除了火山灰效应促进水泥的进一步水化,其未水化的颗粒还能填充混凝土中的空隙,增大密实度。
双重作用优化了混凝土内部结构。
同时也提高了混凝土的后期强度,提高了耐久性。
因此,在不影响高性能混凝土早期强度的前提下尽可能地多掺加矿物掺合料。
骨料的品质优劣是影响高性能混凝土的主要因素。
目前粗骨料生产比较落后,大部分或绝大部分粗骨料仍然是由分散的小采石厂生产,采用落后的颚式破碎机破碎,粒形不好、针片状颗粒多;由于破碎前的表土或夹层土去除需要较大投入,所以破碎后的骨料含泥量通常偏大;因此拌和物需要浆体量多,不仅增加了胶凝材料用量,而且混凝土的变形也随之增大,尤其在用于承受动载的桥梁、道路等构件时,对其抗冲击、抗疲劳荷载的能力更加不利。
然而骨料品质的改善并不是可望而不可及的事,如果你细心观察就会发现国内的沥青混凝土生产所用骨料的品质和级配就讲究得多。
原因呢?
通常认为是沥青比水泥昂贵,尽量减小沥青用量节约成本是主要出发点。
这固然不错,但是从使用性能和耐久性来说,骨料品质的影响也是非常重要的。
混凝土用骨料品质的提高,会增加这方面的费用,这是人们普遍的顾虑所在。
但是随之而来水泥和胶凝材料的减少亦同样有经济效益。
至于目前市场上品质较好的骨料价格偏高的现象,如果它在高性能混凝土中应用的市场发展了,价格就会逐渐得到调整。
在为高性能混凝土工程选用骨料时,目前也还存在一些误区,例如特别关注的是骨料的压碎强度值。
许多资料教科书和专著中,仍然沿用骨料压碎强度应为混凝土强度1.2~1.7倍,尤其是在配制高性能混凝土时,更是将压碎强度作为主要的控制指标,四处寻找压碎强度值相对高的骨料,而骨料的其他许多重要品质参数如粒形级配、线胀系数、弹性模量、表观密度及吸水率等则很少考虑。
针对上述骨料与高性能混凝土的关系可以看出,对高性能混凝土中使用到的骨料,我们应该采用多种不同规格的骨料进行搭配,以改善骨料的颗粒级配及高性能混凝土的密实度降低孔隙率。
适当减少最大粒径,尽量选用粒径小的骨料等角度考虑。
因为如果选用大粒径的骨料,在混凝土施工时其通过性就差,造成混凝土浇筑质量不均匀等现象发生。
对高性能混凝土的耐久性极为不利。
很多人在和国外的混凝土相比较时,总是感叹我们的水泥、外加剂、掺和料等原材料质量不如别人。
实际上,近些年来各种原材料,主要是外加剂和掺和料的品质已经有很大提高,例如新建发电厂排放的粉煤灰,细度、烧失量大幅度地降低;一些高效减水剂的减水率也和国外的相差无几。
而原材料品质的波动显著,才是我们最薄弱的环节。
粗骨料的生产如上所述,其品质波动自不用说;其他原材料,例如河砂,许多地方都是直接从河床抽吸到船上就交付给用户。
其中混凝土生产现场就发现:
不同批次砂子的细度模数差异竟超过了0.5;水泥厂,即使是很大的水泥厂,出厂产品的波动也很惊人,甚至同一水泥厂不同批次的产品离散性也会很大。
国外的外加剂产品要比我们的贵得多,尚能占领了一片不小的市场份额其原因就是品质稳定。
2.高性能混凝土配合比设计
高性能混凝土的配合比是以耐久性、强度、良好的工作性作为主要设计指标的。
合理的配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下,确定各种成分的用量,获得最经济和适用的混凝土。
要对高性能混凝土配合比设计深入系统的研究,使高性能混凝土配合比设计体系更加科学合理、方便快捷,从而推动高性能混凝土科学的发展。
2.1传统配合比设计方法是一种基于经验的方法,混凝土结构对材料性能提出的要求比较简单,配制混凝土的原材料种类也比较少,因此传统的配合比设计方法还存在许多不足之处。
混凝土配合比设计理应是一个完善的体系,包括原材料选择、配合比计算、性能设计和性能检测。
事实上,人们在进行配合比设计时已经有意或无意地采用了这一体系,但所采用的体系的完善程度各不相同,而且大都不完善。
(1)从原材料选择来看,多数是依据个人经验知识进行的,带有很大的主观性。
各人的经验知识不同,知识量也不等。
这就为混凝土配合比设计带来了一定的随机性。
(2)从配合比设计计算来看,各种没计方法的计算方法互不相同。
配合比计算的实质就是四元(单位混凝土中水、水泥和粗细集料用量)一次方程组求解。
从数学角度来讲,四元一次方程组求解需要四个独立方程式的联立才能解出。
而配合比设计中一般都采用需水性定则、水灰比定则和绝对体积法或假定容重法,这就提供了三个方程式;各配合比设计方法的不同在于第四个方程式的确定。
为了完成配合比设计,各种方法都引进了不同的关系式。
我国引入了砂率;前苏联引入了砂浆拨开系数;英国引入了骨灰比;美国引入了粗集料最佳用量。
另外因对高性能混凝土的认识不足,对它的配合比设计主要依赖于经验和大量的试配,计算过程在各种设计方法中似乎都不甚重要。
(3)从性能设计来看,理想的配合比设计应能实现对混凝土的主要性能(即:
工作性能、强度和耐久性)的设计,虽然目前的各种设计方法基本都考虑到了这三方面的性能,但是似乎还没有一种方法真正做到了对这三方面性能的设计。
虽然最终都可能配出满足三方面性能要求的混凝土,但这似乎不能归功于该配合比设计体系的先进性,而应归功于设计人员的大量试配工作。
(4)从性能检测来看,每一种配合比设计体系也都是不甚完善的。
对混凝土力学性能和耐久性的检测相对来说还比较完善,而对新拌混凝土性能(主要是工作性)的检测应该说是不合理、不完善的。
各个设计体系大都采用坍落度试验(塑性混凝土)和维勃稠度试验(干硬性混凝土)来检测新拌混凝土的工作性。
但这两种试验都不能全面有效地反映新拌混凝土的工作性。
当然,在试验室内可能会使用其他方法来检测新拌混凝土的工作性,但它们毕竟没有很好地应用到混凝土施工中去。
2.2现代高性能混凝土配合比设计思想
随着现代建筑工程技术要求的提高,高性能混凝土配合比设计的指导思想应从强度设计向多种性能设计转化,从可行性设计向优化设计转化。
合理的材料配合比设计应该在符合相关规范给出的包括强度、耐久性、均匀性、和易性、渗透性和经济性等要求的前提下,确定各种成分的用量,获得最经济和适用的混凝土。
配合比设计中主要考虑的因素有:
(1)水胶比。
有关水胶比、胶凝材料品种、外加剂、粗集料级配等因素对高性能混凝土性能影响的试验表明,无论28d抗折强度还是抗压强度,上述因素的主次为:
水胶比一胶凝材料品种一外加剂一粗集料级配。
由此可见,水胶比对高性能混凝土强度的影响是很大的。
水胶比过大,多余水在硬化后的混凝土中形成气孔,减小了混凝土抵抗荷载作用的有效断面,在孔隙周围产生应力集中。
水胶比愈小,混凝土的强度也愈高,因此在满足工作性要求的前提下,应尽可能采用小的水胶比。
此外,高性能混凝土水胶比大小还应考虑耐久性等级、气候因素等。
(2)砂率。
其大小主要影响混凝土的稠度,在水胶比低时这种影响表现得比较迟钝,但砂率的改变会使混凝土的空隙率和集料的总表面积有显著改变,直接影响硬化混凝土的品质。
砂率过大,在水泥浆用量不变的情况下,会使混凝土的水泥浆显得过少,成型的混凝土表现砂浆层过厚,对耐磨耗、减少收缩不利。
另外,从混凝土抗断裂的角度考虑,砂浆也不宜过大。
试验表明,混凝土的抗裂能力随粗集料的增加而增加,因此在正常砂率的基础上,适当减少砂率,增加粗集料用量,对提高混凝土的抗折性能是必要的。
(3)集胶比。
对混凝土强度的影响在混凝土强度较高时表现得较明显,当水胶比相同时,混凝土随集胶比的增长呈增长趋势,这与集料数量增大、集料吸收的水分量增大、实际水胶比变小有关,与混凝土内部孔隙总体积减少有关,还与较高标号混凝土胶凝材料用量较大有关。
在适当增大集胶比后,胶凝材料胶结作用和集料的连锁作用得到了充分的发挥。
(4)提高高性能混凝土性能的核心在于提高集料与砂浆界面的粘结强度,这可以通过合理选择原材料和正确的配合比设计来实现。
选用合适的水泥及矿物掺合料;选用细度模数大,含泥量低、耐磨性好的细集料;岩石品种是选择粗集料的关键,应综合考虑岩石的物理力学性能,通过比较试验确定;配合比设计采用合适的水胶比、砂率及集胶比至关重要,也应尽量通过比较试验确定。
3.高性能混凝土的生产
原材料的品质波动,在很大程度上制约了混凝土质量的稳定性;而混凝土生产过程缺乏产品质量稳定性的意识,在混凝土生产拌和站建设过程中不考虑均化设施,例如粗、细骨料的洗筛、水泥与掺和料的倒库等,以及在选择原材料时忽视其品质的稳定性,则是进一步造成其波动显著的原因。
诚然,建设均化设施需要增加投入,乃至增加生产成本,但是产品品质的稳定会带来显著的技术和经济效益,也是毋庸多说的。
品质波动大的原材料肯定生产不了满足匀质性需要的高性能混凝土产品,可见品质稳定的原材料对生产高性能混凝土是至关重要的前提条件。
高性能混凝土要具备所要求的性能,因此混凝土生产过程另一个至关重要的问题,就是必须根据条件的变化,及时调整生产中的参数。
例如粗、细骨料的含水率、环境温度等都会引起一系列的连锁反应——各原材料组分之间的黏聚性、温度随之变化,影响水泥的水化速度,运到现场的混凝土拌合物性能明显下降,或是对温度十分敏感的、掺有缓凝剂的拌合物凝结时间发生急剧的变化。
以上因素再次说明:
仅在实验室条件下配制出来的高性能混凝土,即使进行了很全面的试验,也难以表征它是否高性能。
4.高性能混凝土的施工及养护
高性能混凝土的浇筑与养护质量管理是混凝土质量控制的重要环节。
对混凝土质量控制中应作为重点监管内容。
高性能混凝土一般都掺有高效减水剂,水灰比(水胶比)可以大幅度降低,拌合物具有较好的粘聚性,在运输和浇注过程不易离析,且要比干硬混凝土易于捣实,这是高性能混凝土工作性的一些优点。
但是事物总是一分为二的——有利必有弊,表现在以下几方面:
(1)因为比较粘,用“普通的”拌合设备就难以搅拌均匀,目前大部分试验室仍使用的立轴强制式(或自落式)搅拌机就更不用说了,所以需要采用先进的搅拌设备,例如逆流式或行星式搅拌机,否则不得不放大水灰比(水胶比),不仅增加胶凝材料用量,而且获得不了粘聚性良好的拌合物。
(2)因为比较粘稠,用插入式振捣棒捣实时振动作用的衰减会加剧,明显增大了适当振捣的困难——容易出现漏振或过振现象,而且在振捣过程还容易出现局部离析现象——振捣棒拔出时所造成。
(3)在水灰比(水胶比)降低、泌水减少的同时,混凝土表面向外蒸发的水分得不到补充,塑性收缩开裂的现象随之加剧,因此及早开始覆盖和湿养护非常必要。
正确的养护方式,是覆盖湿土工布或其他保湿物品,并不断喷雾,借助水分蒸发以尽量降低混凝土的温峰,防止早期开裂。
当环境温度与混凝土温度相差较大时,需要在温度检测表明混凝土达到温峰以后,撤去保湿物品并铺设塑料膜或其他保温材料,以减小降温阶段其体内外的温差。
在混凝土升温阶段覆盖塑料膜或浇水养护,以及盲目延长浇水时间作为“加强养护”的做法,都是错误的,不仅白白浪费大量净水,而且会加剧混凝土的开裂。
所以混凝土施工后其养护环节也是至关重要的。
【结论】
高性能混凝土的研究与开发应用,对传统混凝土的技术性能有了重大的突破,对节能、工程质量、工程经济、环境与劳动保护等方面都具有重大的意义。
可以预期,高性能混凝土在工程上的应用领域将迅速扩大,并取得更大、更多的技术经济效益。
从目前的研究开发现状来看,还值得进一步深入研究的内容是:
矿物细掺合料的科学分类和品质标准及其与混凝土外加剂之间的相容性;高性能混凝土多组分复合材料的复合化超叠加效应;高强度高性能混凝土的韧性等等问题。
相信在今后研究取得的机关报成就必将使高性能混凝土的性能得到进一步的提高和改善。
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