混凝土新材料新技术与新工艺变革与创新

作者：冯乃谦傅军李先中

单位：清华大学土木工程系海南永桂联合水泥制品有限公司

摘要：由于矿物质粉体和减水剂技术的发展, 出现了高性能与超高性能混凝土;而自密实混凝土的出现则改变了混凝土结构与构件的生产技术及工艺, 将超高性能混凝土与自密实混凝土技术结合研发超高性能自密实混凝土。采用新材料新技术生产的C80混凝土预应力管桩经12h脱模混凝土抗压强度>45MPa, 可承受张拉预应力, 3d养护后抗压强度达90～95MPa;采用免蒸养、免蒸压的“双免”工艺达到了节能目的。通过泵送浇筑、自密实成型生产排水管改变了振动、离心辊压的生产技术, 给混凝土技术带来了变革与创新。

关键词：混凝土超高性能自密实混凝土新型材料减水剂工艺创新

作者简介：冯乃谦, 教授, E-mail:13520710239@qq.com;

0 引言

从波特兰水泥发明至今, 在不到100年的时间里, 混凝土由初始的大流动性发展为干硬性、半干硬性混凝土, 进一步发展为流动性、大流动性的流态混凝土, 20世纪90年代又发明了免振自密实混凝土。与此同时, 混凝土组成材料也发生了根本性变化, 20世纪80年代, 日本研发出强度为100MPa的水泥后进一步将强度提高为200MPa, 用以配制200MPa超高性能混凝土;20世纪70年代, 挪威首先在混凝土中掺入硅粉, 并研发出高性能混凝土;而后日本生产出超细矿粉;21世纪初, 新加坡与我国合资生产了比表面积为1 000cm²/g的超细矿粉, 用以配制高强度预应力管桩及超高性能混凝土;贵州某企业生产出亚纳米超细粉;李浩等推广应用纳米微珠超高性能混凝土技术。配制混凝土的减水剂由初始的纸张废液、木钙发展为萘系减水剂, 现今大规模应用聚羧酸减水剂。我国应用的混凝土强度由100MPa发展为150MPa, 且具备多种功能, 泵送高度>500m;日本试验应用的混凝土强度已达200MPa;欧美国家试验应用的混凝土强度已达300MPa。

由大量工程实践及研究成果可知, 混凝土材料发展仍以水灰 (胶) 比定律为指导, 并在以下方面不断改进: (1) 增大、改善流动性; (2) 提高强度; (3) 延长使用寿命; (4) 原材料、施工技术与环境相协调。在改进、创新过程中, 普通混凝土已发展为高性能、超高性能混凝土。

1 UHPC研制

结合深圳京基大厦施工条件, 采用粉体技术、高效减水剂复配技术及施工应用的混凝土材料, 配制强度150MPa、坍落度>250mm、保塑>3h的UHPC, 且泵送高度>500m。

1.1 UHPC配合比

采用水洗海砂配制UHPC, 配合比如表1所示。

表1 UHPC配合比
Table 1 Mix proportion of UHPC

注:编号601混凝土采用萘系减水剂 (含固量40%) ;编号605混凝土采用聚羧酸减水剂 (含固量40%) ;编号602, 603, 604, 606混凝土均采用氨基系与萘系按质量比6∶4复配的减水剂

1.2 新拌UHPC性能

新拌混凝土性能如表2所示。由表2可知, 编号602, 603, 604, 606混凝土坍落度、扩展度、倒筒时间在3h内基本无变化, 保塑效果良好。

1.3 UHPC不同龄期抗压强度 (见表3)

本试验除研发氨基系+萘系复配减水剂使UHPC获得较大流动性和保塑性外, 还应用新型粉体 (如微珠、超细矿粉及偏高岭土超细粉等) 配制性能更优越的UHPC。

1.4 掺加微珠的UHPC特性

微珠是经适当工艺处理的超细粉煤灰, 为一种球状玻璃体, SEM如图1所示。其中粒径≤0.2μm的占27.23%, 0.2～1.0μm的占42.43%, 即平均粒径≤1.0μm的共占69.66%。水泥比表面积4 000cm²/g, 平均粒径约10～20μm;硅粉比表面积约200 000cm²/g, 平均粒径约0.1μm。在水泥、微珠、硅粉三组分复合粉体中, 通过微珠填充水泥粒子间孔隙及硅粉填充微珠粒子间孔隙得到填充密实的胶凝材料。与其他矿物质粉体相比, 可使UHPC达到相同流动性的同时降低用水量, 或在相同用水量下增加流动性。

表3 UHPC抗压强度
Table 3 The compressive strength of UHPC

MPa

注:编号603混凝土56d抗压强度达150MPa, 高于原设计的C120强度等级要求, 可能是水泥、微珠与硅粉复配及氨基系、萘系减水剂复配应用带来的效果;编号605混凝土因缓凝未测强度;编号606混凝土为掺纤维混凝土, 未列入

图1 微珠扫描电镜图谱

Fig.1 SEM of micro-beads

1.5 基本规律

将UHPC研发与应用过程中发现的基本规律总结如下。

1) UHPC强度仍符合水灰 (胶) 比关系 (见图2) , 但由于水泥品种与强度、掺合料品种与细度的不同而有所差别。

表2 新拌UHPC性能
Table 2 Properties of fresh concrete

注:编号601混凝土4h坍落度260mm、扩展度670mm×730mm、倒筒时间7s;编号602混凝土外加剂掺量偏低 (3.2%) , 3h后倒筒时间偏长, 为12s;编号603, 604混凝土坍落度、扩展度及倒筒时间均符合本研究要求;编号605混凝土采用聚羧酸母液 (含固量40%) , 缓凝时间太长, 成型4d仍未凝结;编号606混凝土外掺纤维2kg/m3, 属微收缩混凝土

图2 不同水灰比UHPC龄期与强度关系曲线

Fig.2 Relationship between the age and strength of UHPC with deference water-cement ratio

2) 粗骨料对UHPC强度及流动性的影响 UHPC中粗骨料体积含量<400L/m³, 最大粒径≤10mm。当水灰 (胶) 比为0.25、粗骨料表现密度>2.65 g/cm³时, 可配制强度≥110MPa的混凝土;如吸水率≤1.0%, 可配制强度更高的混凝土。粗骨料还可用质量系数评价其优劣, 如式 (1) 所示。

式中:K为质量系数;M为细度模量;P为空隙体积百分率。针片状较多的粗骨料, P越大K越低, 且质量越差。

3) UHPC配制重点 UHPC配制除掺加高效减水剂外, 重点是发挥超细粉在混凝土中的特殊性能。在水灰 (胶) 比和用水量相同的情况下, 利用超细粉填充效应可使新拌混凝土流动性增加、黏度降低、倒筒时间缩短, 且可提高混凝土密实度、强度与耐久性。

2 C80预应力混凝土免蒸压、免蒸养 (双免) 管桩研发与生产

当前, 我国C80预应力混凝土管桩生产技术是20世纪由日本引进的, 其特点是应用水泥+磨细砂和萘系减水剂为原料, 生产工艺如下: (1) 管模内浇筑混凝土后张拉钢筋, 施加预应力; (2) 离心成型后放入养护池; (3) 在85℃左右养护4～6h, 混凝土强度≥40MPa且能承受钢筋张拉预应力后出池、脱模; (4) 放入高压釜蒸压养护, 在180℃高温高压条件下养护约10h, 养护过程中磨细石英砂与水泥反应, 使混凝土强度提高; (5) 当管桩混凝土抗压强度达80MPa后出高压釜, 得到C80预应力混凝土管桩。由于“双蒸”工艺消耗大量能源与劳动力, 生产时间长、设备投资大、存在安全隐患, 为此开展C80预应力混凝土“双免”管桩的研发与生产。

2.1 超细粉、复配减水剂与太阳能养护结合技术

1) C80管桩混凝土抗压强度混凝土配合比如表4所示。由试验结果可知, 新拌合混凝土初始坍落度为2.5cm, 1h后仍为2.5cm。太阳能养护温度最高达60℃左右, 编号1-1～1-3混凝土在太阳棚内养护1d后强度分别为70.6, 81.8, 79.5MPa;脱模后, 室外露天存放28d后强度分别为100.3, 97.2, 94.6MPa, 均超过脱模要求强度及C80强度等级要求 (见表5) 。

表5 C80管桩混凝土抗压强度
Table 5 Compressive strength of concrete for C80precast reinforced concrete piles MPa

2) 掺加微珠、矿粉和粉煤灰的C80管桩混凝土特性对掺加微珠、矿粉和粉煤灰的混凝土进行坍落度试验, 配合比如表6所示。由试验结果可知, 编号2-1～2-3混凝土坍落度分别为10, 35, 0mm;编号2-4混凝土初始坍落度为45mm, 1h后为40mm (该组采用新型复合高效减水剂) 。经太阳棚内养护1d及室外存放不同龄期的混凝土强度如表7所示。由表7可知, 编号2-2混凝土具有较好的流动性和保塑性, 且不同龄期强度较高, 说明微珠和矿粉复配的粉体效果较好。

表6 不同矿物质粉体组合的混凝土配合比
Table 6 Mix proportion of concrete with different powder

2.2 不同骨料配制C80混凝土

选择3种骨料配制C80混凝土, 配合比如表8所示。

表4 C80管桩混凝土配合比
Table 4 Mix proportion of concrete for C80 precast reinforced concrete piles

表7 不同矿物质粉体组合的混凝土抗压强度
Table 7 Compressive strength of concrete with different powder

MPa

表8 不同骨料配制的混凝土配合比
Table 8 Mix proportion of concrete with difference aggregate

注:编号3-1混凝土骨料为针片状较多的碎石, 圧碎值6.5%;编号3-2混凝土骨料为粒径较好的碎石, 圧碎值8.1%;编号3-3混凝土骨料为粒径较好的碎石, 圧碎值3.6%

编号3-1～3-3混凝土坍落度分别为3.5, 7.0, 6.7cm, 混凝土强度如表9所示。

表9 不同骨料配制的混凝土抗压强度
Table 9 Compressive strength of concrete with difference aggregate MPa

由表9可知, 粒型好及针片状较少的编号3-2, 3-3混凝土强度高, 且由试验结果可知其流动性好。

2.3 C80混凝土强度与养护时间、棚内温度的关系

为验证C80混凝土强度与养护时间、棚内温度的关系, 设计试验混凝土配合比如表10所示, 混凝土强度如表11所示。

表1 0 验证试验的混凝土配合比
Table 10 Mix proportion of concrete in verification test

表1 1 验证试验的混凝土抗压强度
Table 11 Compressive strength of concrete in verification test MPa

编号4-1～4-3混凝土经太阳棚内养护12h后强度均达80MPa, 室外存放2d后强度可满足C80混凝土强度等级要求。

2.4 脱模强度要求

以温度与养护经历时间的乘积 (K值) 评估混凝土硬化指标, 混凝土在太阳棚内养护约16h, K₁=689℃·h;在室外养护约22h, K₂=682℃·h, 这时对应的混凝土强度太阳棚内养护试件约为室外养护试件的1.08～1.23倍。由试验结果可知混凝土养护达到K₁, K₂值时, 均可满足脱模强度要求, 即强度>45MPa。

2.5 管桩模拟试验中的混凝土强度

为了解试验混凝土质量进行管桩模拟试验。模拟桩外径570mm, 高400mm;内径270mm, 高400mm;桩模具内安放直径510mm、高320mm钢筋笼, 由8钢筋焊接而成。模拟管桩试验的混凝土配合比如表12所示。

表1 2 管桩模拟试验中的混凝土配合比
Table 12 Mix proportion of concrete in simulation test

把模拟桩的模具放入太阳棚中, 搅拌好的混凝土直接浇筑入模, 振捣密实后留在太阳棚内养护。与此同时, 将部分混凝土成型试件 (10cm×10cm×10cm) 也放入太阳棚内养护;养护24h后取出模拟桩, 钻孔取样;其余试块转入露天潮湿环境中养护。由于试验时正值阴雨天, 太阳棚内最高温度为40℃。由试验结果可知, 混凝土试件1d强度62.1MPa, 钻孔取样强度54.4MPa;3d强度80.4MPa, 钻孔取样强度75.9MPa;7d强度94.8MPa, 钻孔取样强度84.5MPa;28d强度98.8MPa, 钻孔取样强度87.7MPa, 均满足C80管桩混凝土强度等级要求。

2.6“双免”管桩生产及应用

1) 管桩混凝土配合比生产管桩的混凝土配合比如表13所示。

表1 3 管桩混凝土配合比
Table 13 Mix proportion of concrete of pipe piles

2) 管桩生产及质量混凝土经搅拌、喂料入模、张拉钢筋、离心成型后进入太阳棚内养护24h后脱模。管桩混凝土强度变化如表14所示。经检验, 生产的管桩外观质量及抗弯承载力均合格。

图3 多功能混凝土生产排水管

Fig.3 Reinforced concrete sewer pipes

表1 4 管桩混凝土抗压强度
Table 14 Compressive strength of concrete of pipe piles MPa

3 自密实成型混凝土排水管的研发

3.1 现有技术

1) 离心辊压法生产技术 20世纪50年代由国外引进, 该生产工艺对管模强度、刚度要求高;且设备质量大, 离心振动时功率大、噪声大, 使得工人劳动强度大;干硬性混凝土密实性不易保证;离心辊压过程中钢筋易偏离, 保护层厚度不易保证。

2) 芯模振动法生产技术 20世纪80年代由国外引进, 该技术排水管需竖立, 振动器放在内模 (芯模) 上, 管内混凝土浇筑后开启芯模振捣器, 使排水管混凝土振动密实。

3.2 排水管生产新技术

1) 多功能混凝土具有自密实、自养护、低收缩、低水化热及高耐久性等多种功能, 混凝土配合比、性能、强度分别如表15～17所示。表15中炉渣为生活垃圾发电焚烧炉排出的灰渣, 代替混凝土30%～40%的细骨料。

表1 5 多功能混凝土配合比
Table 15 Mix proportion of multifunctional concrete

表1 6 新拌多功能混凝土性能
Table 16 Properties of multifunctional concrete

表1 7 多功能混凝土抗压强度
Table 17 Compressive strength of multifunctional concrete

MPa

2) 排水管生产排水管模板由内模及外模组成, 采取立式组装, 内模盖上锥形下料斗, 浇筑自密实混凝土, 免振动成型 (见图3) 。经多批试验验证, 并经质检单位检测, 管桩性能符合国家标准要求。

4 结语

1) UHPC配制需要新型胶凝材料, 一般为水泥+新型矿物质粉体+硅粉的组合, 粉体材料微观孔隙低, 粉体应为球状玻璃体, 如日本研发的球状颗粒水泥, 我国研发的微珠、超细矿粉等。

2) UHPC配制时掺入高效减水剂, 除减水率高外, 还需具有保塑性, 不发生泌水;选择粗骨料时, 粒径<10mm, 吸水率≤1.0%, 粒型与级配好。

3) 免蒸养、免蒸压的“双免”管桩生产工艺在组成材料上发生了变革, 采用水泥+超细粉+聚羧酸减水剂及保塑剂, 在太阳能养护条件下可配制C80混凝土。水泥+超细粉不需高温高压也能反应, 聚羧酸减水剂使用水量大幅降低, 混凝土强度发展较快。

4) 多功能混凝土生产钢筋混凝土排水管, 能立式浇筑自密实成型, 改变了离心辊压或芯模振动的生产工艺。这也是混凝土材料变革的产物, 组成材料的变革带来了生产工艺的变革。

参考文献[1]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社, 1996.

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The Innovation and Revolution of Concrete by Using New Materials, New Technologies and New Process

FENG Naiqian FU Jun LI Xianzhong

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University Hainan Yonggui Union Cement Products Co., Ltd.)

Abstract: High performance concrete and ultra-high performance concrete are produced due to the development of mineral powders and water reducing agent. Self-compacting concrete changes the producing technology of concrete structure and its elements. Ultra-high performance self-compacting concrete has been developed through the combination of high performance concrete and self-compacting concrete. The producing technology of pre-stressed reinforced concrete pile by using the new materials and technology with modules removed within 12 hours, 3 days compressive strength reaching 90 ～ 95 MPa, and steam curing and autoclaving are not need. The technology of vibration, centrifugal and rotarypressure to produce concrete drain pipe has changed by self-compacting concrete. These technologies bring innovation and revolution of concrete technology.

Keywords: concrete; ultra-high performance self-compacting concrete (UHPC-SCC) ; new material; water reducing agent; processing; innovation;

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