試析高流態混凝土的主要性能與應用前景

論文類別:工學論文 > 材料工程學論文
上傳時間:2011/11/24 10:42:00

  【摘 要】 通過研究分析高流態混凝土的技術性能及經济性能,總結出大規模應用高流態混凝土可有效降低汙染物排放、提高構築物耐久性能,降低建築使用周期內的綜合成本,並提出高流態混凝土在不同領域的應用前景。
  【關鍵词】 高流態;自密實;補償收縮;性能;前景
  混凝土是人類最早使用的復合型材料之一,早在遠古時期,人類便使用以粘土、石灰、石膏、火山灰等為膠凝材料,以碎石、貝殼等為骨料,以稻草、灌木等為抗拉材料的原始混凝土。1824年,英國利茲城的泥水匠阿斯普丁(J.Aspdin)發明了波特蘭水泥,從而宣告了現代混凝土的诞生。用波特蘭水泥配制成的混凝土具有工程所需要的強度和耐久性,而且原料易得,造价較低,特別是能耗较低,因此,現代工程廣泛使用混凝土作為結構材料。隨著混凝土應用的推廣,一些混凝土自身性能的不足也逐漸体現出來,如耐久性差、振搗密实困難、生產效率低下、环保性能差等。針對上述問題工程界提出了高流態混凝土(High-Flowing Concrete)的概念。高流態混凝土,顧名思義就是指具有高流動性能的混凝土。高流態混凝土流动性好,混凝土拌合物依靠自重不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋,具有良好的施工性能和充填性能,而且骨料不離析,混凝土硬化后具有良好的力學性能和耐久性能。
  1高流態混凝土相較於普通混凝土的主要性能及特點
  1.1高流態混凝土的自密實性能。自密實混凝土(self-compacting concrete即SCC)是高流态混凝土的重要分支,根據其特性,自密實混凝土可以定義為[1]:混凝土在澆築過程中不經外力振搗,僅靠重力即可通過鋼筋間隙,密實填充模板的每一個角落,形成均勻密實的結構,且在澆築過程中不泌水、骨料不離析。現代混凝土自誕生以來已經發展到第四代——高性能混凝土(HPC),高流態自密實混凝土是第四代混凝土的一個重要的組成部分和發展方向。高流態自密實混凝土在施工中表現出優良的工作性能,混凝土在澆筑過程中無需振搗而完全依靠重力作用自由流淌並充分填充模板內的空间,混凝土硬化後,由於其密實填充的特點,因此較普通混凝土擁有更好的力學性能和耐久性能。自密實混凝土目前主要用於鋼筋密集、無法振搗的施工部位,保證混凝土在不利施工條件下也能密實澆築。
  1.2高流态混凝土的泵送性能好。隨著建築行業的發展,混凝土的強度等級愈來愈高,建築物的高度也愈來愈高。相应的,高強度商品混凝土的泵送高度、長度也越來越大。普通混凝土隨著強度的增加,水胶比相應減小,混凝土的流動性能隨之降低,無法滿足高層泵送要求。而經過配合比設計,加入高效泵送劑後配置而成的高流態高強混凝土可以長时間保持流動性,可有效提高高強混凝土的泵送高度和泵送距離,且混凝土凝結後的強度不受影響。如芝加哥Water Tower Place高262米,從地下室到25層的柱子均采用了強度C70以上的高流態泵送混凝土;現今的世界最高建築——阿聯酋迪拜塔,混凝土(C60)的泵送高度達到了驚人611米;在法國的Le Refrain供水隧道(見圖)的建設過程中,混凝土的水平泵送距離達到了2015米,混凝土从泵送入口到出口的时間達到了近2個小時。
  圖法國LeRefrain供水隧道
  1.3高流態混凝土單位成本節约。高流態混凝土的經濟性能可以從以下幾個方面體現:首先,高流態混凝土的應用減少了施工中人員、机械的投入。其次,高強度高流態混凝土的應用,縮减了結構物截面積,实際上增大了建築的使用面積;另外高流態混凝土的工程應用提高了結構物的耐久性、減少了今後可能的加固修復費用。我們以1m3C30混凝土的澆築成本为例,應用普通混凝土和應用高流態自密實混凝土澆築成本計算見表。從表中可以看出,由於材料費用和人工費用的增加,同強度下高流態混凝土的浇築成本已經低於普通混凝土的澆築成本。 轉貼于 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
  1.4環保性能好。高流態混凝土的環保性能主要體現在以下幾個方面:首先使用高流態混凝土減少了機械振搗工作量,降低了噪音汙染;其次,在同等強度的前提下,使用高流態混凝土減少了水泥用量,據估算,生產1t水泥熟料所排放的二氧化碳約為1t,二氧化硫約0.78kg,氮氧化合物約1.25kg,粉尘約2.3kg;二氧化碳的大量排放直接導致“溫室效應”,二氧化硫則会引起“酸雨”現象,而大量粉塵則直接汙染環境,應用高流态混凝土可以節約水泥用量,從而減少了上述“副產品”的排放;另外高流態混凝土的配制過程中摻加了工業廢料,如磨細礦渣、粉煤灰、矽灰等,可以節約水泥,保護環境,並能改善混凝土的耐久性。磨細礦渣活性好,對强度、耐久性、低水化熱甚至工作性都有利。粉煤灰具有火山灰活性,摻入混凝土中,能降低初期水化熱,少幹縮,改善新拌混凝土的和易性,增加混凝土的後期強度,顯著提高混凝土的耐久性。我國發電企業每年生產大量的粉煤灰,但利用率較低左右,如能大力發展高流態混凝土,將產生極大的環境“紅利”。

  表混凝土浇築成本比較
  以上材料單價以江蘇省造價信息2010年第6期中準價為取費依據。
  2高流態混凝土的應用前景
  高流態混凝土的概念誕生於上世紀70年代,但我國的研究和應用較晚。近年來,隨著我國國力的增強、國家對基礎設施投資的增加、勞動力成本的上升、環保要求提高等原因,高流態混凝土在我國的應用逐漸增多,但應用的領域較窄,使用比例較低。结合國內外的研究與應用现狀,高流態混凝土在以下几個領域使用較少,有著較好的應用前景:
  2.1水工高流態自密實混凝土。近年來國家加大了对基礎設施建設的投資,水利工程是投資的重点,一大批各類水利項目上馬建設。水利施工中存在著體量大,形狀復雜、配筋密集、作業面狹窄、難以振搗等困難。另外,水工混凝土對材料的流動性、粘聚性、抗分離性和鋼筋通過能力等性能指標有著特殊的要求,根據现有研究,水工高流態自密實混凝土有著下列特點:①混凝土坍落度大,流動性好,混凝土拌和物不需振捣僅靠重力便能通過自行流动達到均勻密實;②混凝土抗分離性能良好,在穿過鋼筋網後至凝結前無分層離析和泌水現象;③硬化後的混凝土幹缩小,能夠有效填充各結構部位,達到內實外光。水工高流態自密實如能大量应用,將極大的減少施工難度,提高施工效率及工程质量。
  2.2補償收縮高流態混凝土(微膨脹高流態混凝土)。普通的矽酸鹽水泥在自然條件下硬化,具有一定的幹縮性。混凝土的收縮值隨著水泥的品種、熟料的矿物組成、水泥顆粒的細度水灰比的大小、養护條件的不用以及使用環境的差異等的變化而變化。根據理论7~60天內混凝土的收縮率較大,60天後混凝土的收縮率逐漸趋於緩慢、平穩。混凝土內部由於收縮會產生微裂紋,微裂紋會破坏混凝土結構的整體性,影響混凝土的力學性能和耐久性。而經過配合比設計的補償收縮高流態混凝土在保證強度和流動性的同時還能有效的抵償混凝土的干縮,甚至微膨脹。補償收縮高流态混凝土在裂縫修補,新老混凝土交接施工等方面有着良好的應用前景。
  2.3水下施工高流态混凝土。目前在大型公路橋梁的基础形式主要采用水下鉆孔灌註樁。鉆孔灌註樁基礎屬於隱藏工程,其質量的好壞直接决定了整個工程的質量。水下混凝土施工隱蔽性強,混凝土極易產生松散、離析、縮頸等質量問題,控制水下混凝土施工的質量是整個水下鉆孔灌註樁施工質量控制中的節點工程。在水下施工中,水流速度快,施工環境復雜,施工工程难度很大。水下混凝土的整平和密實完全依靠混凝土自重來完成,混凝土如果沒有良好的抗離析性和粘聚性將極易被水流沖散而影響成樁質量。此外,根據灌註樁的澆築特點,首盤混凝土澆築後將被后續混凝土持續頂升,在此過程中混凝土必須一直保持較高的流動性,否則就容易造成斷桩、夾層等質量事故。首盤混凝土在保持長時間流動性的基礎上,初凝時間還不能太遲,否则就無法達到設計強度。上述技術性能,普通混凝土很難達到。經過設计的水下施工高流態混凝土具有良好的流動性、粘聚性,塌落度延時損失小,在水下灌註樁等施工项目中有著良好的應用前景。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
  2.4結構補強高流態混凝土。近四五十年以来,混凝土結構物因材質劣化造成過早失效以至破壞崩塌的事故在国內外屢次發生,造成了重大的經濟損失和不良的社會影響。例如,在日本沿海地區,許多橋梁、港灣建築等,建成後10年不到的時間裏,混凝土表面即出現裂紋、剝落,鋼筋銹蚀外露的現象。我國很多早期混凝土構造物使用壽命遠低於設計要求便出現了嚴重的損壞。結構補強高流態混凝土在混凝土構造物的補強修復中可以发揮很大的作用。結构物剝蝕、裂縫的修復中難度最大的就是作業面窄小,混凝土振捣困難,無法密實,這樣補強工程就无法達到預期的效果。高流態混凝土因其高流动性、自密實性能,可有效解决上述問題。結構補强高流態自密實混凝土在國外已有应用,國內的研究與應用目前還是空白。

  國内外大量研究及工程實例表明,大規模應用高流態混凝土可有效降低汙染物排放、提高構築物耐久性能,降低建築使用周期內的綜合成本,為我國實現節能、高效、可持續性發展的目標提供支撐。
  

參考文獻


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