C60高性能混凝土的研究与应用

上海电力建筑工程公司 束廉阶 郑谦文 张翎 黄洪军

浙江省建工集团电力建设公司 李振杰

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【摘要】 高性能混凝土定义阐述、砼材料特性和配合比设计、砼施工工艺和工作性能，是高性能砼研制的重点，本文突出加以说明，与此同时结合工程实际和有关实例，介绍了C60高性能砼在电建系统应用情况和上海市高层建筑应用C60高性能砼的近况。
【关键词】 高性能混凝土 耐久性 抗裂性 抗氯离子渗透性 稳定性研究 高性能混凝土配制施工特点


1 概述
　　近年来，随着国民经济的增长，电力建设火力发电站的大规模兴建，更加讲究安全、实效，因此在30万kW、60万kW及100kW的大、中型火力发电厂除采用钢结构厂房之外，仍倡导主厂房等建筑采用钢筋砼结构，特别是为了提高砼的强度和耐久性，多采用高强和高性能的C50～C80等级的砼，目前C60砼开始用于主厂房框架。
　　本文对高性能砼的综述，从材料选择、配合比设计优化、现浇泵送砼的工艺性能的机理认识、解决合理的组织施工和工程质量如何做到抗裂、抗渗、耐腐蚀等砼耐久性的课题。简要阐述并结合工程应用情况的一些数据和体验，供读者参考，以期共同研讨，进一步促进高性能砼在电力建设中的推广应用。

2 高强砼和高性能砼的定义
　　现在建筑行业规范或地方规范中，往往出现高强砼与高性能砼，自密实砼等设计施工规范或指南等。
2.1 普通混凝土
　　一般房屋和一般构筑物的钢筋混凝土，预应力混凝土及素混凝土均适用称为普通砼，即C40等级以下的砼，所用的材料除满足强度要求外，尚应充分考虑环境条件影响，具有所需的耐久性。
2.2 高强砼
　　适用于工业与民用房屋和一般构筑物的钢筋砼及预应力砼承重结构的设计，其中砼是指由水泥、砂石原料、高效减水剂和外加粉煤灰、超细矿渣、硅粉等矿物掺合料采用常规工艺配制的C50～C80级高强砼。
2.3 高性能砼（简称HPC）
　　采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的各项力学性能且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的砼。高性能砼与高强砼不同，其重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所必需具备的其他性能，包括高弹性模量，低渗透性，除应具有高耐久性，高的抗裂性，高抗氯离子渗透性，高尺寸稳定性，尚应具有良好的工作性及较高强度。它的特点是低水灰比和含有硅粉混凝土拌合物，使用高效减水剂和较好的养护条件。
2.4 自密实砼
　　混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集配筋条件下，靠混凝土自重作用而无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土（又称免振混凝土）。

3 高性能混凝土的材料
　　高性能砼用于电厂钢筋砼结构中，应具有“四性能、一控制”，四性能：即砼的耐久性、工作性能、力学性能、体积稳定；一控制：即控制砼无有害裂缝和外观质量达到清水砼的要求，要做到以上要求，采取有效的手段，而对高性能砼的材料选择尤为重要。
　　高性能混凝土的技术指标符合下表的要求：
　　高性能混凝土的技术指标

表1

注：抗氯离子渗透性按附录B规定的方法测定。抗氯离子渗透性试验用的混凝土试件应在标准条件下养护28d，试验应在35d内完成。对掺加粉煤灰或粒化高炉矿渣的混凝土，可按90d龄期的试验结果评定。

4 高性能混凝土配合比设计与分析
　　电力建设泵送高性能混凝土应用面比较广，目前常用的C50～C60等级砼，适用于主厂房框架及输煤系统的卸煤间、转运站等地下建筑物水工系统的水泵房，预应力砼进水管、排水沟、大型冷却水塔以及民用高层建筑，LNG液化天然气储罐安全壳和核电厂的安全壳等，有着广阔的实用前景。高性能砼施工技术关键之一是适应环境条件的砼配合比优化设计。
4.1 砼配制原则
　　高性能砼配制必须考虑强度、耐久性等的因素，从配合比中材料的组分，约可分成6个组分，即：水、水泥、砂、石子、外掺粉煤灰、微矿粉、外加剂。除按照普通砼配合比设计规定的各组分的要求外，对外掺料（粉煤灰、微矿粉）外加剂（高效外加剂一羟基羧酸类外加剂），外掺粉煤灰等及高效减水剂的双掺，泵送砼的配合比设计方法有三种，即等量取代法，超量取代法和外加法，为了便于试验室人员计算，统计和对比宜采用超量取代法，用于实际工程适用。
4.2 配合比设计
4.2.1 高性能砼宜采用低水灰比及提高强度和保证耐久性为目标，高性能砼中胶结料总量较大，从而使需水量增大，但另一方面为提高砼自密性、耐久性，提高强度，又必需降水胶比，故其W/C+F+P的水胶比一般在0.4以下，且C60宜在0.23-0.35之间，水泥用量约在350-400kg/m³为基准，通过调整选用最佳用量。配合比矛盾的焦点是当水泥用量较大和必需降低水胶比时，其后果是砼变得粘稠度大，流变性变差（坍落径时损失很快），初凝时间缩短，甚至半小时后初凝，来不及捣固及浇上第二波砼，水化热加快、养护时间提前等砼工艺性问题，阻碍了现浇砼的应用，必须在配合比设计中加以考虑。解决上述矛盾的现实和有效途径，除优化砂、石级配和水泥外掺粉煤灰、微矿粉等匹配外，就是掺入高性能外加剂——复合性外加剂，必需具备以下条件：
　　A）减水剂对水泥颗粒的分散性要好，高性能减水率在20%以上；
　　B）对水泥的分散性和流动性随时间的变化，砼坍落度变经时损失小，2h内损失率10%直到基本无损失；
　　C）外加引气剂有一定的引气量，但不过大；
　　D）各种材料总的含碱量尽量小。
4.2.2 高效减水剂具有长的分子链和大分子量，它们包裹了水泥颗粒，使后者具有高的负电荷而相互排斥，从而显著地提高了水泥在拌合物中的分散性，大大降低水泥颗粒彼此凝聚成团，丧失流动度的趋势，赋予水泥浆体很高的流动性，就是高效减水剂对水泥的解絮（分散）效应。
　　如果水泥所含石膏（如过烧无石膏或硬石膏）在拌合水中溶解的太慢，那么高效减水剂就不得不较多地逐渐消耗于它和C3A的反应中，使本来吸附于水泥颗粒表面的高效减水剂数量减少，削弱了它对水泥的解絮效应，这就是所谓高效减水剂使砼拌合物的流动度（坍落度）随时间而明显降低的问题。
4.2.3 配合比设计
　　A）粗骨料量大粒径宜25mm，具有高强和耐久性；
　　B）胶体料体积在砼中约占35%，是为了保证抗渗性和高尺寸稳定性小于35%，能降低砼的均匀性、工作性，大于35%增大砼的干缩裂缝和徐变；
　　C）选择最佳砂率，提高可泵性；
　　D）高性能砼的试配强度应按正式确定：

5 高性能泵送混凝土的工作性能
　　高性能砼工作性能在电厂建设中主厂房框架以及辅助建筑物、构筑物主要是高程泵送砼，它要求拌合物在搅拌、运输、泵送、浇筑全过程具有良好的和易性、稳定性、可泵性，在各季节砼浇筑过程中满足经时坍落度损失，砼初凝时间、终凝时间、观察砼有无分层、砂、石、分离、泌水现象等高性能砼的工作特性，如，流动度大，表现在粘度小、剪切应力小、粘附力少、稳定性能好，展现在泌水少，经时坍落度损失小、高抗离析、可泵性能好，采用可泵剂，采用固定泵、移动泵高程泵送。
5.1 高性能泵送砼的生产准备工作
　　A）计量：泵送砼原材料的计量应按质量（重量）计，其允许偏差见表2：
　　高强泵送混凝土原材料计量允许偏差(%)

表2

原材料品种	复合胶凝材料	集料	水	外加剂
每盘计量允许偏差	±2	±3	±2	±2
累计计量允许偏差	±1	±2	±1	±1

注：1、复合胶凝材料包括水泥、矿渣微粉、粉煤灰和其它掺合料；
    2、累计计量允许偏差是指每一运输车中各盘混凝土的各种材料计量和的偏差。该项指标仅适用于采用微机控制计量，且对每盘计量误差自动修正的搅拌机。

　　B）砼搅拌工艺：由于高性能砼有6个组分，所用的胶凝材料有好几种复合而成，含有较多的粉料不易拌合，以及外加剂的适当投入搅拌，均有讲究，所以投料的顺序和拌和时间，宜符合以下工艺。

　　搅拌工艺之一：

注：1、上述搅拌时间不包括骨料及胶凝材料的下料时间，即粗细骨料投入后搅拌10S然后投入胶凝材料，投完胶凝材料搅拌20S，在第10S后开始加水。
　　2、外加剂的投入在加水搅拌的中间（约定10S时）开始投入。
　　3、外加剂投完后，至少搅拌40S方能出料。

　　搅拌工艺之二：

注：1、外加剂的投入应在加水到一半（10S后）时开始加入，外加剂加入后待搅拌均匀后（一般在20S左右）才可投入粗骨料。
　　2、全部材料投入搅拌后，至少搅拌40S才能出料。
　　砼搅拌是技术关键，亦可通过其它投料搅拌程序，在生产前“先试验，后使用”。
　　C）新拌砼的和易性检验：
　　高程泵送泵砼，采用高效减水性的新拌砼会导致坍落度损失过大，和砼初凝时间较短以及砼的粘稠度大等缺点，必须在现场通过目测以及坍落度，经时坍落度试验等适当进行调整，以利施工。
5.2 高性能砼的泵送性能
　　电力工程主厂房的最大高度已达80m，锅炉房可达140m，属多层框架结构，如采用现浇钢筋混凝土，其泵送高程较大，其它如超高层民用建筑，上海环球金融大厦101层已达492m，亦采用泵送砼。泵送高性能砼在施工时的可泵性，必需引起注意：
　　A）高程泵送砼的原材料级配和施工配合比调整；
　　B）泵送砼的设备与管道的选择和合理布置；
　　C）泵送砼拌合物的搅拌，运输和高空养护工作。
　　以上三个方面的内容，应结合工程实际，因地制宜的编制施工工艺方案加以实施。高程砼泵送水灰比宜为0.37～0.45。

6 工程实例
　　本文仅收集上海金茂大厦、宁海电厂、绥中电厂的有关工程高性能砼的技术应用情况。这里重点介绍绥中电厂（2×1000MW机组）工程高强砼的应用情况。
　　绥中电厂2台100万kW机组，东北电力设计院设计，主厂房采用钢筋砼结构设计，为C60级高性能砼，上海电力建筑工程公司对该项目成立《C60高性能砼施工技术》课题研究，通过优化配合比设计，清水砼模板改进，以及高性能砼柱模拟浇筑工艺试验进行探索研究，取得初步成果。
　　07年开始，因地制宜，就地取材，对当地区的砼中的水泥，粗细骨料及外掺剂及、外加剂进行材料试验和试配、试拌合的现场工作。
　　水泥选择当地秦皇岛浅野和唐山的冀东水泥、砂、石选用当地附近的优质材料（不用海砂）、外掺粉煤灰为绥中电厂Ⅰ级灰以及S95微矿粉，外加剂采用北京科普厂生产的聚羧酸高效外加剂，共用不同组分配比，分二个阶段试拌，共做了92次试验，特别是08年一季度，结合工程实际，调整了砼配合比的用料，譬如采用PO42.5普通硅酸盐或纯硅酸盐水泥以及外加剂的选用，选定最终的施工配合比，进行试生产，效果良好。总体应用分析认为：以0.25～0.35低水胶比为原则，其每立方砼中的用水量宜在130～150kg/m³，胶体料占30～40%，水泥用量在350～400 kg/m³为基准，砂率30～35%，粉煤灰掺量60 kg/m³，微矿粉掺量97kg/m³。
　　目前工程正在进行中，通过初步已浇筑除煤间框架C60砼配合比及R7d、R15d强度情况见表3、表4。

表3 绥中电厂工程(2×1000MW)C60砼配合比及强度表

注：水泥用秦皇岛浅野水泥PO42.5普硅、粉煤灰用绥电Ⅰ级灰、微矿粉秦皇岛宏远建材出口S95。

7 结语
　　高性能砼与普通砼的区别在于高性能砼主要是把砼的耐久性和它的工作性能放在第一位的，这里耐久性的涵义是高性能砼应具有高密度和高体积稳定性，混凝土具有高抗侵入性（即能抗环境中的水、气等流体中侵蚀性物质侵蚀混凝土内部的程度），例如水中的氯离子，大气中SO₂等有害气体抗冻融等，另外泵送高程高性能的施工工艺和工作性能亦是与普通砼泵送不一样的（例如高性能的流变性、可泵性、凝结时间、搅拌时间、投料次序、浇捣要求、高空养护等），为此，高性能砼组成材料施工配合比和拌和工艺，泵送条件等砼工艺性能的研究是工程成败的关键，本文归结以下几点：

表4 C60砼试生产情况

浇筑日期	浇筑部位	工程量m3	浇筑时间h	入模温度℃	出厂～入模坍落度mm	强度MPa
						R3d	R7d	R15d
08/3/26	除煤间框架 0m～+8m	25	15:00～17:30	19	220～190	46.6	58.4	66.8
08/3/29		61	9:15～18:00	16	245～190	35.2	52.2
08/3/30		82	8:30～20:00	18	235～190	35.9	49
08/3/31		85.5	11:30～22:00	18	235～190	31.5	44.1
08/4/1		82	8:30～18:30	17	235～220	33.4	44.9
08/4/13		107	13:45～19:00	20	235～220	33.4	44.9

7.1 外加剂与水泥的相容性
　　外加剂与水泥是否匹配，其相容性主要影响的因素是外加剂溶液中的SO₃含量与水泥中C₃A（铝酸三钙）的含量及熟料中的细度、塑化度有关。与普通砼不一样的是高性能砼采用0.25～0.4的低水灰比（或水胶比）SO₃在水泥浆中数量较少，此时若C₃A量高，则其水化时与CaSO₄争H₂O分子，自由水量少SO₃则难溶于水溶液中，这样水泥与高效减水剂的相溶性差，水泥中C₃A含量较高，配制砼时需水量大造成坍落度损失达不到要求。加工水泥时，需配制一定量的石膏，CaSO₄石膏形态不同，则溶解于水的速度亦不同，无水石膏溶解速度最低，二水石膏即生石膏CaSO₄•2H₂O溶解速度好，对改善流变性和坍落度有利。
7.2 砼流变性与水泥颗粒细集料颗粒度有关
　　水泥及微矿粉颗粒是影响砼流动性最大因素，好的级配颗粒应当是5～30μm≥90%；<10μm的≤10%。颗粒形状接近滚珠球形，比重大、填充性大、流动性（坍落度）亦好，此外影响坍落度（又称流动度）是水泥中C₃A铝酸三钙含量越小，早期的用水量也越少，经时坍落度损失的幅度就小。
7.3 C60高性能砼的工作性能指标
7.3.1 水灰比（水胶W/C+F+GF）0.25～0.40；
7.3.2 高效外加剂减水剂要求达到20～25%；
7.3.3 粉煤灰与微矿粉双掺料时
　　Ⅰ级低钙粉煤灰 ≤20%为宜
　　Ⅱ级低钙粉煤灰 ≤25%为宜
　　微矿粉S95、S105 ≤10%为宜
7.3.4 C60砼初凝时间 标准温度下，12～15h，夏季现场4～6h。
7.3.5 高程泵送砼 施工前根据泵送高度，选择固定泵的型号及配管计算，并现场做试验。
7.3.6 高空养护 筒壁及高层框架拆模后2h以内涂布偏氯乙稀等养生液以及其它有效养护措施。

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