粉煤灰高性能混凝土在北京庄胜广场工程的应用
2005-03-18 00:00
摘 要：
本文叙述了粉煤灰高性能混凝土在工程应用中的实际情况，并对其各项性能作了较详细的研究。
关键词：高性能混凝土 耐久性
1 概述
高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土，粉煤灰为作为一种优质的活性掺和料，已被广泛地应用于各种混凝土工程中。在北京地区，虽然粉煤灰的应用较早，但很多是以单纯降低混凝土的成本考虑的，而且掺量一般在20%以下。这些做法虽然可以避免粉煤灰掺入过多所带来的负面影响，但也对粉煤灰的很多功能作了“牺牲”，也限制了粉煤灰“综合效应”的发挥。经过特殊配制的粉煤灰混凝土在北京庄胜广场工程的应用表明，粉煤灰的合理掺入，可以显著改善混凝土的强度、耐久性及工作性能，而且，由于水泥用量的减少，对降低工程造价、节约能源等具有可观的效果。仅由于节约水泥用量一项就可以使混凝土的单方造价降低3.5%。因而，粉煤灰高性能混凝土在该工程的应用取得了良好的技术和经济效果。
北京庄胜广场由庄胜房地产有限公司投资，中建一局华江建设有限公司和日本大成建设株式会社共同承建，混凝土由中建一局华江公司混凝土搅拌站供应。工程采用框架结构，首期工程总建筑面积170000m2，设计高度86.3m，工程±0.00m以上主体结构中的梁、板、柱中使用粉煤灰高性能混凝土，其强度等级为C40和C50，混凝土用量约51000m3。
2 原材料
2.1 粗集料
粗集料选用永定河水系的碎卵石，属石灰岩和花岗岩，抗压强度较高，但属于碱活性集料。由于粒径较小的粗集料无论从自身的缺陷还是对混凝土和易性及界面结合力等都有利，所以选用5～20mm的粒径。其压碎值指标6.7%，密度2710kg/m3，容重1560kg/m3，针片状颗粒含量8.63%，含泥量0.2%。
2.2 细集料
细集料选用永定河水系质量合格，级配合理的中粗砂。其密度2680kg/m3，容重1590kg/m3，细度模数2.6，含泥量1.0%。
2.3 水泥
唐山冀东水泥厂生产的盾石牌P.O42.5R低碱水泥，其主要物理化学性能见表达1。
表1 水泥的主要物理化学性能
|
细度
(%)
(R+80µm) |
比表
面积
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
碱含量
(%) |
抗压强度
(Mpa)
3d 28d |
抗折强度
(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
选用北京市三热电达信公司生产的优质Ⅱ级磨细粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔筛筛余9.9%，粉煤灰的化学成分见表2。
表2 粉煤灰的化学成分
|
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 混凝土外加剂
选用一种复合型萘系高效减水剂。它可引入混凝土中3.5%的含气量。其含固量为38%，掺量2.0%～2.5%，减水率24%，7d抗压强度比156%，28d抗压强度比137%。
3 配合比设计
粉煤灰高性能混凝土的配制应根据达到一定的目标强度、耐久性和工作性时粉煤灰掺量和水胶比的关系来确定混凝土的配合比。
粉煤灰对强度的贡献比水泥对强度的贡献与水胶比的关系更加敏感。因此，掺有粉煤灰的混凝土应该以尽可能小的水胶比（W/C+FA）来配制。低水胶比（0.3～0.4）是保证粉煤灰混凝土具有良好的强度和耐久性的必要措施，也是促使粉煤灰在混凝土中充分发挥作用，保证粉煤灰混凝土质量的重要因素。
通过对不同粉煤灰掺量下混凝土性能的对比，表明在相同的水胶比下，粉煤灰的掺量不超过20%时，粉煤灰混凝土与基准混凝土的性能不致发生多大的变化，只是混凝土温升稍有降低。只有在其掺量达到或超过25%时，粉煤灰才会显著改变混凝土的性能，从而实现高耐久性。
经过大量的试验，采用正交设计方法，试验粉煤灰的掺入对混凝土强度及耐久性的影响，来确定施工时合理的配合比。优选出的配合比见表3。
表3 粉煤灰高性能混凝土的配合比
|
强度
等级 |
W/C |
W/C+FA |
SP
(%) |
FA/C+FA
(%) |
混凝土配合比（kg/m3）
C W S G FA 外加剂 |
|
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 |
各配合比在施工时的工作性能见表4。
表4 混凝土的工作性质
|
强度
等级 |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
坍落度(mm)
0min 60min 90min |
扩展度(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 强度
粉煤灰对混凝土强度有三种影响：减少用水量、增大胶结材含量和通过长期火山灰反应提高其强度。粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压强度还要大，这对混凝土的抗裂性能有利。其力学性能见表5。
表5 混凝土的力学性能
|
强度等级 |
C
(kg/m3) |
W
(kg/m3) |
W/C+FA |
FA/C+FA
（%） |
抗压强度(Mpa)
1d 3d 7d 28d 90d |
28d劈拉强度（Mpa） |
弹模
×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，虽然强度等级不同，到28d时的弹性模量都可以达到4.0×104Mpa以上，比基准混凝土提高5%～10%。
4.2 收缩
混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少，收缩也越小。混凝土各龄期收缩值的试验结果见表6。
表6 混凝土各龄期的收缩值
|
强度 FA/C+FA 各龄期的收缩值×10-4
等级 (%) 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应慢，水分蒸发快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大。在施工过程中，早期养护尤其重要，早期养护不良的混凝土会造成较大干缩，其优良的耐久性就难以得到保证。
4.3 碳化性能
粉煤灰的掺入可使混凝土的PH值降低，早期会增加混凝土的碳化速度，特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰—水泥体系结构疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发展，碳化速度将逐渐降低，详见表7。
表7 不同粉煤灰掺量下各龄期混凝土的人工碳化深度 (mm)
|
编号 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%掺量范围内，较低的水胶比，粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加，而其28d、56d、90d碳化深度值均较低。
4.4 碱集料反应
混凝土中粉煤灰的掺入可抑制混凝土发生碱集料反应。根据试验结果，粉煤灰掺量大于20%时，抑制碱集料反应才有效。当掺入30%时，可有效抑制碱集料反应。北京地区基本没有非碱活性的集料，为抑制混凝土的碱集料反应，使之对结构物的长期性能不至构成破坏，在工程中除掺入优质的粉煤灰外，使用含碱量低的低碱水泥和混凝土外加剂，减少了带入混凝土的碱含量，经碱含量评估，混凝土中有效碱的含量可控制在3.0kg/m3以内，符合北京市建委的规定。
5 结语
（1）用粉煤灰配制的高性能混凝土，其抗渗、抗冻、抑制碱集料反应效果显著，体积稳定性和耐久性良好。
（2）粉煤灰混凝土需要在较低的水灰比和适宜的掺量条件下，才能体现其良好的性能。粉煤灰取代20%~35%的等量水泥，采用适宜的超量系数，水胶比为0.3~0.4时，可以制备具有优良耐久性的高性能混凝土。
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