CN105481317B - 一种用于型钢混凝土组合结构c50强度等级的混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于型钢混凝土组合结构C50强度等级的混凝土,水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶高效减水剂∶消泡剂:硅灰∶粉煤灰:复合激发剂(kg/m3)=320∶706∶1201∶156∶6∶1∶40∶60∶2.5。其制备方法为:先将聚羧酸系高效减水剂和复合激发剂均匀拌入称量好的水中得到混合物,按照重量配比在搅拌机中依次加入细骨料和混合物总量的1/3,搅拌,加入粗骨料和混合物总量的1/3,搅拌,加入水泥、硅灰和粉煤灰,搅拌,加入消泡剂和剩余混合物,搅拌,出料。该混凝土能在自然状态下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能,有效发挥钢与混凝土两种材料各自的力学性能与相互协同工作性能,从而大幅度提升结构构件的承载能力与使用性能,提高结构的耐久性。

Description

一种用于型钢混凝土组合结构C50强度等级的混凝土
技术领域
[0001] 本发明属于建筑材料技术领域,涉及一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为 C50高性能混凝土。
背景技术
[0002] 1824年波特兰水泥的发明使混凝土技术得到了迅速的发展,其用量之大,适用范 围之广堪居世界之最。尽管混凝土是一种传统的人造建筑材料,但因其具有不可取代的优 越性(原料丰富、生产工艺简单、性价比高等优点)以及混凝土材料科学与技术的不断进步, 混凝土已成为土木工程用材的主体,在未来的土木工程和国家建设中也将是不可缺少的主 材之一。同时,随着城市规模的不断扩大,人口的不断增多,地价的不断升高,建筑所处环境 的严酷化,建筑技术的不断进步及经济的高速发展,建筑物越来越向空中、地下及水中延 伸,即建筑(超)高化、(超)大跨化、地下化、轻量化及重型结构的发展,尤其是型钢混凝土结 构在超高化、超大跨化、地下化、海上或水下化、轻量化等新奇或巨型建筑工程领域的应用, 对混凝土这种建筑材料的要求也越来越高。
[0003] 型钢混凝土组合结构(简称SRC结构)是钢一混凝土组合结构的一种主要形式,由 于其承载能力高、刚度大、延性好、抗震性能优越、防火防腐、便于施工等一系列优点,已被 越来越广泛地应用于大跨、重型结构,地下、水下或海上工程及地震/台风区的高层和超高 层建筑。与钢结构相比,SRC结构可节省大量钢材,增强截面刚度,克服钢结构耐火性、耐腐 蚀性和耐久性差及易屈曲失稳等缺点,使钢材的能力得以充分的发挥;与普通钢筋混凝土 结构(简称RC结构)相比,型钢混凝土结构可减小构件的截面尺寸,减小所占的空间,从而增 大建筑使用空间;在施工上,型钢混凝土结构的钢骨架本身可作为混凝土挂模、滑模的骨 架,不仅大大简化了支模工程,还是承受全部施工荷载(包括挂、滑模与所浇混凝土)的支承 体系;另外,由于SRC结构具有整体性强,延性性能好等优点,能大大改善钢筋混凝土受剪破 坏的脆性性质,使结构的抗震性能得到明显的改善,承载能力及延性均比RC结构有较大的 提高。因此,在日本和欧美等发达国家,具有良好抗震性能的SRC结构已成为一种公认的新 型抗震结构体系,且与钢结构、木结构、钢筋混凝土结构并称为四大结构。我国自50年代,从 前苏联引进了 SRC结构,80年代中后期,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC结构才开始逐步在 高层建筑中得到应用,如上海环球金融中心、深圳地王大厦等超高层建筑采用了型钢商品 混凝土组合结构,但发展自今全国采用SRC建筑面积还不到建筑总面积的千分之一。我国也 是一个多地震国家,绝大多数地区为地震区,部分位于高烈度及多遇地震区,在这些地区推 广SRC结构就具有非常重要的现实意义。因此,SRC结构在我国有非常广阔的应用前景,尤其 是随着我国经济实力的不断增强及(超)高强钢材和(超)高强高性能混凝土 (它们是被公认 的21世纪材料)的成功研制与应用,将极大促进这种结构体系的推广应用和发展进步。
[0004] 已有研究证明,高性能混凝土的强度越高,其脆性将会增加,延性也会较差,在高 应力或复杂应力状态下,高性能混凝土构件将由脆性控制破坏过程,工作的可靠性降低。但 是,将这种新型高技术混凝土应用在型钢混凝土组合结构(简称SRC结构)中,可以扬长避 短,克服普通混凝土脆性大和延性差的弱点,使其优越性能和经济效益得以充分发挥。
[0005] SRC结构中,型钢与混凝土之间良好的粘结作用是保证SRC构件中型钢与混凝土协 调工作的基础,型钢、钢筋和混凝土三种材料元件协同工作,以抵抗各种作用效应,才能够 充分发挥其优点。但SRC结构与RC结构的显著区别之一在于型钢与混凝土之间的粘结力远 远小于钢筋与混凝土之间的粘结力,型钢与普通混凝土的粘结力大约只相当于光面钢筋粘 结力的45%。国内外诸多试验研究结果表明,型钢与混凝土之间存在着粘结滑移现象,且对 SRC构件的受力性能乃至承载能力有显著影响。因此,如何保证型钢与混凝土有效地协同工 作成为SRC结构研究的重点之一。目前,工程设计中对型钢与混凝土之间粘结滑移问题的处 理方法一般有两种:其一是通过计算在构件表面加设一定数量的剪切连接件,这样势必造 成施工中的不便并提高造价,且易造成混凝土内部先天性微裂缝等缺陷;其二是不设置或 仅设置少量剪切连接件,在承载能力计算中考虑粘结滑移的影响,相应降低构件的承载能 力,这样必然存在不经济的因素。另一方面,在工程结构设计中普遍存在着重强度而轻耐久 性的现象,国内外已出现过诸多混凝土结构在使用过程中的安全性和耐久性方面的问题。 一些混凝土结构工程在使用不足设计年限一半即由于碱骨料反应、氯离子侵蚀等原因而完 全丧失使用功能乃至承载能力,个别工程甚至出现局部坍塌或整体倒塌,造成人员伤亡或 建筑设施破坏。因此,SRC结构中,提高型钢与混凝土之间的自然粘结性能,在型钢表面不设 置或仅按构造要求设置少量剪切连接件就可保证型钢与混凝土有效地协同工作的研究具 有重大意义;同时,混凝土结构工程的耐久性也日益引起人们的密切关注和高度重视,并成 为亟待解决的问题。
[0006] 现有技术用于型钢混凝土组合结构的混凝土的强度等级有C60〜ClOO高强高性能 混凝土和CllO〜C200超高强高性能混凝土的制备技术。上述各强度等级混凝土显著提高了 型钢与高强或超高强混凝土之间的粘结性能,并提高了结构的耐久性,但是对于SRC结构中 一些受力相对较小的楼层或部位的构件,如果采用高强高性能或者超高强高性能混凝土, 会造成材料浪费、不经济等问题。另外,现有技术中虽也存在部分将低强度混凝土高性能化 的制备技术,但是它们均未涉及或未解决用于SRC结构时型钢与低强高性能混凝土之间的 自然粘结性能差的问题。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝 土。该混凝土应用在型钢混凝土组合结构中,能在自然状态(亦即型钢表面不设置或仅按构 造要求设置少量剪切连接件)下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能,有效发挥钢与混 凝土两种材料各自的力学性能与相互协同工作性能,从而大幅度提升结构构件的承载能力 与使用性能;另外,该混凝土能提高结构的耐久性,并具有良好的工作性能、高体积稳定性 和经济性。
[0008] 为解决上述技术问题,本发明是这样实现的:一种用于型钢混凝土组合结构C50强 度等级的高性能混凝土,该混凝土的配合比为(单位:kg/m3):
[0009] 水泥:细骨料:粗骨料:水:高效减水剂:消泡剂:硅灰:粉煤灰:复合激发剂=320: 706:1201:156:6:1:40:60:2.5。
[0010] 所述的水泥选择质量稳定、性能较好的P.0425R普通硅酸盐水泥,使用前需与聚羧 酸系高效减水剂进行两者之间的适应性试验,试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减 水剂相容性试验方法》JC/T 1083-2008中的方法,并选择与聚羧酸系高效减水剂相容性好 的水泥品种。所选水泥性能指标(包括细度、SO3含量、MgO含量、初凝时间、终凝时间、3天强 度、28天强度)应不低于国家现行相关标准的要求,并选用碱含量少、水化热低、需水性也低 的水泥品种。
[0011] 所述的细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中粗河砂,砂的品质应不低于 现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006及国家标准 《建筑用砂》GB/T 14684 — 2011中规定的优质砂标准。其细度模数为2.8,含泥量和泥块含量 均控制在0.5% (以质量计)以下,氯离子含量控制在0.05% (以干砂的质量计)以下。
[0012] 所述的粗骨料采用质量致密坚硬、强度高、表面粗糙、粒形为近似球形、针片状含 量小、级配良好的以花岗岩、玄武岩为主要成分的人工碎石,碎石的品质应不低于现行建材 行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006等相关标准的规定要 求。骨料母体岩石的立方体抗压强度不应低于所配制混凝土强度的1.2倍,碎石粒径为5mm 〜25mm,最大粒径不应超过25mm,级配良好,含泥量控制在1.0% (以质量计)以下,泥块含量 控制在0.5% (以质量计)以下,针、片状颗粒含量不宜大于5% (以质量计),且不得混入风化 颗粒,骨料水溶性氯化物折合氯离子含量不超过集料质量的0.02 %。进行该混凝土配制时, 采用连续粒级碎石Φ 5〜Φ 25投料。
[0013] 所述的粉煤灰采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级粉煤灰。其品质应不低于 国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596 — 2005等相关标准的规定要求,且其 细度(0.045mm方孔筛筛余,%)应不大于12%,烧失量应不大于5%,SO3含量应不大于3%, 含水量应不大于1 %,需水量比应不大于95%,比表面积应大于400m2/kg。
[0014] 所述的硅灰选用冶炼工艺先进的工厂生产的优质硅灰。其品质应不低于国家标准 《砂浆和混凝土用硅灰》GB/T 27690 — 2011等相关标准的规定要求,且硅灰中的二氧化硅含 量应不小于85%,含水率应不大于3%,烧失量应不大于4%,氯离子含量应不大于0.1%,火 山灰活性指数应大于90%,比表面积应不小于15000m2/kg。
[0015] 经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验,该发明所选用的高效减水剂为聚 羧酸系高效减水剂,其品质应不低于现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标 准的规定要求,所选用高效减水剂的减水率应大于25%。所选用高效减水剂的最大饱和掺 量不小于全部胶凝材料总量的2.5%,采用同掺法,且使用前需与所选择的水泥品种进行相 容性试验。
[0016] 所述的复合激发剂(FACA)是由发明人所在研究团队自主研制的适用于型钢混凝 土组合结构低强高性能混凝土的激发剂,是在经过对掺有硅灰的粉煤灰水化反应特点的研 究并认识到其活性有待进一步激发和利用的基础上,70%〜75%的水玻璃(利用固体片状 NaOH和市售硅酸钠水玻璃按比例调制成模数约为1.0的水玻璃)和25 %〜30 %普通二水石 膏(CaSO4 · 2H20)按比例配合而成的一种化学复合激发剂。制备方法如下:首先将固体片状 NaOH溶于水中制成一定浓度的碱性溶液,然后和已知模数的硅酸钠水玻璃(市售水玻璃的 模数一般2.4〜3.3之间)调制成模数为1.0的试验需要的水玻璃,最后再与普通二水石膏复 合配制成为所需的复合激发剂(FACA)。该复合激发剂与早强普通硅酸盐水泥、聚羧酸系高 效减水剂具有良好的相容性。
[0017] 所述的消泡剂选择AGITAN0P803粉末消泡剂。
[0018] 所述的拌合水选用自来水,其品质应不低于国家建设部标准《混凝土用水标准》 JGJ 63 — 2006等相关标准的规定要求,并要求所选用自来水的碱含量不大于1000mg/L。
[0019] 本发明还给出了用于型钢混凝土组合结构C50强度等级的高性能混凝土的制备方 法,该方法采用改进的水泥裹砂石法混凝土搅拌工艺,具体工艺步骤如下:
[0020] 1)先将聚羧酸系高效减水剂6kg/m3和复合激发剂2.5kg/m3均匀拌入称量好的水 156kg/m3中,得到混合物;
[0021] 2)然后按照重量配比在强制式搅拌机中加入706kg/m3的细骨料和步骤1)混合物 总量的1/3,均匀搅拌1〜2分钟;
[0022] 3)再加入1201kg/m3的连续粒级碎石Φ5〜Φ25的粗骨料和步骤1)混合物总量的 1/3,均匀搅拌2〜4分钟;
[0023] 4)再加入全部胶结材料:3201^/1113的水泥、401^/1113的娃灰和601^/1113的粉煤灰,均 匀搅拌2〜3分钟;
[0024] 5)加入lkg/m3的AGITAN0P803粉末消泡剂和步骤1)剩余混合物,均匀搅拌2〜3分 钟,间隔3分钟后再搅拌2〜3分钟至均匀,出料,即得所制备混凝土拌合物。
[0025] 本发明的有益效果是:
[0026] 1.本发明生产的混凝土是一种适用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性 能混凝土。该混凝土在能确保其所应具备的力学性能(即C50强度、塑性等指标)以及具有高 耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上,显著地改进该混凝土与型钢之间的自 然粘结性能,使其应用在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表 面加设剪切连接件,即可保证型钢与该混凝土的有效协同工作,从而减少了施工工序,节约 了钢材,提高了施工效率,并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且易造成该混凝土内 部先天性微裂缝等缺陷,具有显著的经济效益和施工质量改进效果,其力学性能对比试验 结果见表3。另外,相对于(超/特)高强高性能混凝土,低强高性能混凝土的研制能够避免混 凝土在SRC结构中一些受力相对较小的楼层或部位的构件使用中造成的材料浪费,从而可 降低造价。
[0027] 2.本发明中使用的减水剂选择聚羧酸系高效减水剂(减水率应大于25%),相比其 它类型的减水剂,与早强普通硅酸盐水泥的相容性良好,其不含Na2SO4,可进一步提高该混 凝土的耐久性。
[0028] 3.本发明中使用的消泡剂选择粉末消泡剂,型号为AG ITAN0P80 3,可对混凝土搅拌 过程中形成且振捣密实后仍残留在混凝土内的大量微泡进行脱泡,从微观角度解释,消泡 剂的使用在一定程度上可以改善水泥石的微观结构,使其密实度有效提高,进而提高了型 钢与混凝土间的粘结力,增强了混凝土的耐久性和剪切稳定性。
[0029] 4.本发明中使用的复合激发剂选择自主研制的碱性复合激发剂(FACA),能促使钙 矾石的生成,使掺有粉煤灰和硅灰的混凝土具有一定的微膨胀性,改善混凝土的收缩性能。 通过复合激发剂将粉煤灰表面玻璃体网状结构解聚,从而激发粉煤灰的潜在活性,可以增 强粉煤灰水合过程中以铝硅酸盐为主要水化组分的三维空间结构玻璃体的腐蚀作用,提高 正向水合反应的动力,生成更多的C-S-H凝胶、水化铝酸钙及水化硅酸钙等晶体,促进粉煤 灰参与早期水化进程,充分利用粉煤灰活性微骨料及滚珠效应和硅灰填充颗粒之间的缝 隙,改善胶结材料的性能以及减少用水量;且二次水化产物填充混凝土内部空隙,对所配制 混凝土的早期强度、后期强度和耐腐蚀能力有显著的提高。另一方面,复合激发剂的作用促 进了硅灰-粉煤灰基矿物聚合物的形成,在提高混凝土耐久性的同时也显著改善了型钢与 低强高性能混凝土之间的粘结性能。
[0030] 5.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝土是在普 通混凝土生产工艺条件下,并采用尽量减少水泥颗粒及活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处 飞扬的水泥裹砂石搅拌工艺的投料方法实现的,制备工艺简单并易于实现,适合于工程化 和产业化,便于大规模推广应用,具有较好的社会效益。
[0031] 6.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝土的原材 料中含有大量的粉煤灰、硅灰,它们是工业废料和冶炼副产品,其使用对环境保护做出巨大 贡献,符合可持续发展和现代绿色建筑材料应用及推广的要求,是一种绿色混凝土,一种环 境友好材料。
[0032] 7.本发明选用的原材料(包括工业废料)为大量生产的市场流通、买售产品,原材 料易得。
[0033] 8.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝土是通过 加入活性矿物掺料(粉煤灰、硅灰),采用等量取代法代替部分水泥,利用活性矿物掺合料的 火山灰反应、增强效应、填充效应、耐久性改善效应及混凝土水化热的温峰消减效应,并充 分利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高效减水剂的复合掺合料所产生的 超叠加效应,根据它们与水泥颗粒、粗细骨料粒径不在同一级的特点优化混凝土材料中胶 凝材料部分的颗粒级配,粉煤灰和硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙,不仅使混凝土中集料 与水泥石之间的界面结构以及水泥石的孔结构均得到了大幅改善,提高了水泥石的致密 度、抗渗性,同时典型的致密结构能扩展到骨料表面,从而使混凝土更加密实坚硬,混凝土 的力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)、耐久性能和工作性能均有很大的提高。
[0034] 9.本发明掺加适量的粉煤灰可以改善混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性, 但粉煤灰代替部分水泥会在一定程度上降低混凝土的早期强度,而掺入适量的硅灰,可显 著提高混凝土的强度和耐久性,且可以与水泥水化产物Ca (OH) 2发生二次水化反应,形成胶 凝产物,填充水泥石结构,改善浆体的微观结构,提高硬化体的力学性能和耐久性。粉煤灰 和硅灰的共同使用则可以提高混凝土基体密实度,从而提高型钢与混凝土之间的粘结性 能。
具体实施方式
[0035] 本发明是以在自然状态(亦即型钢表面不设置或仅按构造要求设置少量剪切连接 件)下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能,有效发挥钢与混凝土两种材料各自的力学 与协同工作性能,从而大幅度提升结构构件的承载能力与性能,并以提高结构的耐久性为 宗旨,来研究用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝土的制备技术。目前, 国内外制作混凝土所用的普通硅酸盐水泥的质量和强度越来越高,所用活性矿物掺合料 (粉煤灰、硅灰等)的加工技术与质量不断改进,加之高效减水剂等混凝土外加剂的研究与 应用均已取得了较大的进展,且消泡剂和复合激发剂在混凝土中的研究与应用也正逐步发 展,从而为上述研究宗旨的实现鉴定了基础。同时,该高性能混凝土的配制要求的水泥用量 相对较少,而生产水泥意味着二氧化碳的大量排放,故在一定程度上减轻了对地球造成的 温室效应;它要求有足够数量并占胶结材料比重较大的粉煤灰、硅灰等优质的活性矿物掺 料,意味着工业废料的合理处置利用,将有利于形成良好的生产循环和环境保护,而这些优 质的活性矿物掺料正是改善混凝土材料自身性能所需要的。总之,应用这种高性能混凝土 可以节约水泥、将工业废料变废为宝、延长结构工程使用年限,并最终保护生态环境和自然 资源。综上所述,用于型钢混凝土组合结构的高性能混凝土的研究与开发将为更好地使用 混凝土走出了一条可持续发展的道路,它将提升结构工程的综合能力与性能,促进钢-混凝 土组合结构在我国,尤其高烈度及多遇地震地区的高层、超高层建筑,海上平台或水下结 构,地下建筑,大跨、重型结构中推广应用,改善基础设施和人居环境中建筑结构的科技含 量,并发挥它具有较大的承载能力和刚度、良好的抗震性能、施工进度快、耐久和耐火性好 及显著的社会和经济效益等独特优势。因此,型钢高性能混凝土组合结构具有很高的工程 应用价值和广阔的市场前景。
[0036] 本发明研制的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C50的高性能混凝土,除了与 普通混凝土采用类似的材料一水泥、砂、碎石、水外,还加入了其不可缺少的组分:高效减水 剂和活性矿物掺合料(粉煤灰、硅灰),另外还掺入了粉末消泡剂和复合激发剂。该混凝土与 普通混凝土不同,其强度和性能均较普通混凝土有大幅度的提高。低强高性能混凝土的水 灰比一般都小于0.5,其水胶比小于0.4,而普通低强混凝土的水灰比一般在0.45以上,高性 能混凝土的粗骨料最大粒径亦小于普通混凝土的。上述各项差异导致了高性能混凝土与普 通混凝土在性能上有着很大的差别,通过加入活性矿物掺料,利用活性矿物掺料的火山灰 反应、填充效应及增塑效应,优化高性能混凝土材料中胶凝材料部分的颗粒级配,不仅使高 性能混凝土中集料与水泥石之间的界面结构以及水泥石的孔结构均得到了大幅改善,提高 了水泥石的致密度、抗渗性,同时典型的致密结构能扩展到骨料表面,从而使高性能混凝土 更加密实坚硬,高性能混凝土的力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)和耐久性能均有 很大的提高。同时,通过粉末消泡剂的掺入,可减少在混凝土搅拌过程中形成且振捣密实后 仍残留在混凝土内水泥浆体中或水泥浆体与骨料之间的界面过渡区的大量气泡进行脱泡, 使其密实度有效提高,对高性能混凝土的力学性能(包括与型钢之间的粘结性能)和耐久性 能的提高均做出了不小的贡献。另外,通过复合激发剂的掺加,可使混凝土具有一定的微膨 胀性,改善混凝土的收缩性能;可以增强粉煤灰水合过程中以铝硅酸盐为主要水化组分的 玻璃体的腐蚀作用,增大粉煤灰的活性,提高正向水合反应的动力,生成更多的C-S-H凝胶、 水化铝酸钙及水化硅酸钙等晶体,对所配制混凝土的强度和耐腐蚀能力有显著的提高。
[0037] 和光圆钢筋与混凝土之间的粘结相似,型钢与混凝土之间的粘结力也主要由化学 胶结力、摩擦阻力和机械咬合力三部分组成。型钢与混凝土之间的粘结力的每一组成部分 都与混凝土的性能密切相关。
[0038] 化学胶结力是混凝土中的水泥凝胶体在型钢表面产生的化学粘着力或吸附力,其 (抗剪)极限值取决于水泥的性质和型钢表面的粗糙程度。浇筑混凝土时,水泥浆体在钢材 表面产生表面张力,在表面张力的作用下,钢材表面上的水泥浆体将形成自平衡;浇注混凝 土一般要进行振捣,振捣力(扰动)能够加强并加快水泥浆体向钢材表面氧化层的渗透;在 养护过程中水泥浆体结晶,水泥晶体硬化形成化学胶结力。化学胶结力只在型钢混凝土构 件的原始形成状态下存在,一旦发生连接面上的(局部)粘结滑移,水泥晶体就会被剪断并 挤压破碎,化学胶结力则丧失。影响化学胶结力的主要因素有混凝土的微观性能(混凝土掺 和料、外加剂的影响)、混凝土强度、型钢钢材表面粗糙程度、试件浇筑方式与振捣程度以及 后期的养护和混凝土的收缩情况等。
[0039] 化学胶结力丧失后,由于钢材表面的粗糙不平以及其它原因所引起的钢材表面状 况变化(钢材表面凹凸不平),使其与接触面上的混凝土晶体颗粒咬合在一起,这样就形成 了机械咬合力。对于工厂生产并经后期处理的乳制工字钢等型钢,一旦粘结滑移发展加快, 型钢与混凝土接触面上的混凝土晶体被压碎整合,这时机械咬合力也基本上丧失。影响机 械咬合力的主要因素为型钢钢材表面的粗糙程度与表面状况(锈蚀程度等)、混凝土骨料级 配、混凝土强度以及型钢混凝土构件的受力方式等。
[0040] 型钢周围混凝土对型钢的摩阻力亦是在型钢与混凝土之间的胶结力破坏后形成, 且主要是在机械咬合力基本丧失后才发挥作用。当化学胶结力,尤其是机械咬合力丧失后, 由于与型钢接触面上的混凝土晶体被剪断、压碎且膨胀,加之保护层和箍筋等横向约束,将 在型钢与混凝土的连接面上产生正压力,加上连接面上摩擦系数较大,从而形成了摩擦阻 力。摩擦阻力在化学胶结力丧失以后一直都存在,是型钢与混凝土之间后期粘结力的主要 部分。影响摩擦阻力的因素有型钢的配钢形式及其表面特征、型钢与混凝土之间粘结面的 大小、构件受力方式、混凝土骨料级配以及影响横向约束的因素(型钢的混凝土保护层厚 度、配箍率、混凝土收缩)等。
[0041] 本发明所要解决的关键技术问题是,在确保高性能混凝土所应具备的力学性能 (即强度和塑性)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上,显著地改 进混凝土与型钢之间的(自然)粘结性能,使在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造 要求少许地)在型钢表面加设剪切连接件,即可保证型钢与混凝土之间有可靠的粘结和锚 固,使两者在荷载作用下能协调一致、共同工作。
[0042] 本发明从原理和设计原则上,打破“饱罗米”公式的限制,通过正交试验法及对比 实验法,考虑高效减水剂、消泡剂、复合激发剂三者之间及其与水泥的相容性,粗骨料最大 粒径、粗骨料不同粒径之间及其与细骨料粒径之间的级配对混凝土强度及性能的影响以及 活性矿物掺合料的火山灰活性等性能因素,选用优质粗细骨料并控制粒径和级配,在高性 能混凝土配制材料中掺入适量的高效减水剂和优质活性矿物掺合料,并考虑消泡剂和复合 激发剂的加入,降低水灰比,立足于当地现有的易得材料,不改变常规生产工艺,为尽量减 少水泥颗粒及活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬采用水泥裹砂石搅拌工艺的投料方 法,利用活性矿物掺合料的火山灰反应、增强效应、填充效应、耐久性改善效应及高性能混 凝土水化热的温峰消减效应,并充分利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高 效减水剂的复合掺合料所产生的超叠加效应及消泡剂的脱泡作用和复合激发剂的活性激 发作用,配制出力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)好、工作性能优异、耐久性能好、 成本相对较低的适用于在型钢混凝土结构中可靠应用的强度等级为C50的高性能混凝土。 本发明的力学性能试验对比结果如表3所示。
[0043] 本发明选择原材料时,不仅要求原材料为优质,还要求配制高性能混凝土所用的 原材料为当地易得。另外,考虑到所配制混凝土的强度、塑性以及与型钢的粘结性能要求, 根据最大密实度理论对混凝土材料中粗细骨料的颗粒级配进行优化,使粗细颗粒互相有良 好的填充,以减少骨料的空隙率;同时,一般水泥的平均粒径为20〜30μπι,小于ΙΟμπι的颗粒 并不多,而活性矿物掺合料的颗粒粒径远比水泥颗粒粒径细小,I级粉煤灰的平均粒径为8 〜12μπι,能填充水泥颗粒之间的空隙,硅灰的平均粒径更小,为0.10〜0.26μπι,能填充水泥 颗粒与粉煤灰颗粒之间以及粉煤灰粒子之间的空隙,故此在所配制的高性能混凝土材料中 对胶凝材料部分的颗粒级配进行优化也至关重要。而外部劣化因子(如硫酸盐等因子)对混 凝土的侵蚀性很大程度上取决于混凝土的空隙构造,而这正是造成混凝土耐久性问题的主 要原因。活性矿物掺合料(粉煤灰、硅灰)的掺入,降低了水泥颗粒之间和界面的空隙率,使 水泥石结构和界面结构更为致密,阻断了可能形成的渗透通路,从而使所配制的高性能混 凝土的抗渗性大幅度提高,水及其它各种侵蚀介质(〇;、5042\〇)2等)均难以进入混凝土内 部,并可减少碱-硅反应的发生几率和次氯酸钙的生成几率,其强度和耐久性能得到大幅度 提高。即当水泥石结构和界面结构中大于〇. Iym的大孔含量较低时,将有利于所配制高性能 混凝土的各项性能的改善,否则,对所配制高性能混凝土的强度、抗渗性能、抗腐蚀性能和 耐久性能均不利。
[0044] 以活性矿物掺合料取代部分水泥后,还可以使水泥颗粒空隙中的一部分水分被填 充其内的矿物掺合料置换出来,可使水泥净浆的流动度增大。但也并不是所有的矿物掺合 料都具有这种显著的增塑效应,主要是由于部分活性矿物掺合料的比表面积太大或者其本 身具有多孔结构,虽然其取代水泥后能置换出水泥净浆中的部分水分,但由于其本身吸水 或润湿表面需要较多自由水,导致水泥净浆的流动性并不增大。为了保证所研制高性能混 凝土的高工作性能,本发明采用高效减水剂和活性矿物掺合料复合掺入的方法,在两者的 协同工作下,活性矿物掺料的微细颗粒不仅充分发挥了它们的填充效应,并将填充于空隙 之中的水分置换出来,使颗粒之间的间隔水层加厚;另外,活性矿物掺合料的微细颗粒吸附 了高效减水剂分子,其表面形成的双电层电位所产生的静电斥力大于粉体粒子之间的万有 引力,促使粉体颗粒分散,并进一步加剧水泥颗粒的分散,使水泥净浆的流动性增加,从而 有效地改善了混合料的流动性;同时,活性矿物掺合料的复合掺入降低了水化热,可提高混 凝土的体积稳定性;另外,由于二次水化作用,混凝土的密实度提高,界面结构得到改善,同 时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低,因此掺加粉煤灰和硅灰后可提高混凝 土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等。由于活性矿物掺合料比表面积巨大,吸 附能力强,因而粉煤灰颗粒可以吸咐水泥中的碱,并与碱发生反应而消耗其数量,游离碱数 量的减少可以抑制或减少碱集料反应,进而提高了混凝土的耐久性。
[0045] 用于配制高性能混凝土的原材料中的骨料相对于混凝土自身性能应具有较高的 固有强度、韧度和稳定性,以能够抵御各种静态和动态应力、冲击及磨蚀作用,而不会导致 所配制混凝土性能的下降。低强度混凝土在破坏时,水泥浆体与骨料的粘结界面是薄弱环 节,裂缝是沿着水泥浆体与骨料的界面出现的,骨料一般不会破坏,且外界侵蚀也往往从此 界面开始发展。由于不同骨料的表面状态不同,导致水泥浆体与骨料之间的粘结强度也不 相同,通常情况下碎石较卵石有较高的粘结强度;另一方面,水泥浆体中粉煤灰和硅灰含量 比例不同时的粘结强度相差亦很大,掺粉煤灰和硅灰时,水泥浆体与骨料之间的粘结强度 比不掺时显著提高,而且双掺粉煤灰和硅灰时比单掺粉煤灰时的粘结强度有较大程度的提 高。本发明的研究中选用的细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好、含泥量小的中粗河 砂;粗骨料为表面粗糙、质地优良、级配良好的以花岗岩、玄武岩为主要成分的人工碎石,其 最大粒径应控制在20〜25mm范围内。这样,混凝土的均勾性又得到了进一步的提升,从而使 混凝土更加密实,强度(包括与型钢之间的粘结强度)也能进一步得到提高。
[0046] 本发明在制备时采用水泥裹砂石法(又称改进的SEC法)混凝土搅拌工艺,在强制 式搅拌机中进行搅拌,其投料顺序为:先将聚羧酸系高效减水剂和复合激发剂均匀拌入称 量好的水中,加入细骨料和拌有高效减水剂和复合激发剂用水总量1/3的水—搅拌均匀(1 〜2分钟)—加入粗骨料和拌有高效减水剂和复合激发剂用水总量1/3的水—搅拌均匀(2〜 4分钟)—加入全部胶结材料(水泥、硅灰和粉煤灰)—搅拌均匀(2〜3分钟)—加入消泡剂和 剩余拌有高效减水剂和复合激发剂的水—均匀搅拌(2〜3分钟)—休息3分钟后再搅拌至均 匀(2〜3分钟)—出料。这种工艺能尽量减少水泥颗粒及活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处 飞扬,并可提高所制备混凝土的强度(包括与型钢之间的粘结强度),且所制备的混凝土不 宜出现离析现象,泌水少,工作性能相对较好。
[0047] 实施例:
[0048] (—)原材料
[0049] 1.水泥
[0050] 选择质量稳定、性能较好的秦岭牌P · 0 42.5R水泥,使用前与聚羧酸系高效减水 剂进行两者之间的适应性试验,试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性试 验方法》JC/T 1083-2008中的方法,与聚羧酸系高效减水剂相容性良好。所选水泥性能指标 符合国家现行相关标准的要求,其碱含量少、水化热低、需水性也低。
[0051] 2.骨料
[0052] 细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中偏粗、灞河砂,砂的品质符合现行 建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006及国家标准《建筑 用砂》GB/T 14684 — 2011中规定的优质砂标准。其细度模数为2.8,含泥量和泥块含量均控 制在0.5% (以质量计)以下,氯离子含量控制在0.05% (以干砂的质量计)以下。
[0053] 粗骨料采用质量致密坚硬,强度高,表面粗糙,粒形为近似球形,针、片状含量小, 级配良好的人工碎石,其主要成分花岗岩和玄武岩含量(以质量计)不低于90%。碎石的品 质符合现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006等相关 标准的规定要求。骨料母体岩石的立方体抗压强度应比所配制的混凝土强度高20%以上。 最大粒径应控制在20〜25_之间,含泥量控制在0.5%以下,针片状颗粘含量不宜大于5%, 且不得混入风化颗粒。
[0054] 3.粉煤灰
[0055] 采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级粉煤灰。其品质符合国家标准《用于水泥 和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596 — 2005等相关标准的规定要求,其细度(0.045mm方孔筛筛 余,%)应不大于12%,烧失量应不大于5%,SO3含量应不大于3%,含水量应不大于1%,需 水量比应不大于95%,比表面积应大于400m2/kg。
[0056] 4.硅灰
[0057] 采用冶炼工艺先进的工厂生产的优质硅灰。其品质应不低于国家标准《砂浆和混 凝土用硅灰》GB/T 27690 — 2011等相关标准的规定要求,且硅灰中的二氧化硅含量应不小 于85%,含水率应不大于3%,烧失量应不大于4%,氯离子含量应不大于0.1 %,火山灰活性 指数应大于90%,比表面积应不小于15000m2/kg。
[0058] 5.高效减水剂
[0059] 经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验,该发明所选用的高效减水剂为聚 羧酸系高效减水剂,其品质应不低于现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标 准的规定要求,所选用高效减水剂的减水率应大于25%。所选用高效减水剂的最大饱和掺 量不小于全部胶凝材料总量的2.5%,采用同掺法,且使用前需与所选择的水泥品种进行相 容性试验。
[0060] 6.复合激发剂
[0061] 选用由发明人所在研究团队自主研制的适用于型钢混凝土组合结构低强高性能 混凝土的激发剂,是在经过对掺有硅灰的粉煤灰水化反应特点的研究并认识到其活性有待 进一步激发和利用的基础上,70%〜75%的水玻璃(利用固体片状NaOH和市售硅酸钠水玻 璃按比例调制成模数约为1.0的水玻璃)和25%〜30%普通二水石膏(CaS〇4 · 2H20)按比例 配合而成的一种化学复合激发剂。该复合激发剂与早强普通硅酸盐水泥、聚羧酸系高效减 水剂具有良好的相容性。
[0062] 表IFACA激发剂的不同配比
Figure CN105481317BD00121
[0064] 7.拌合水
[0065] 选用自来水为拌合水,其品质符合国家建设部部标准《混凝土拌合用水标准》JGJ 63 — 2006等相关标准的规定要求,且碱含量少于1000mg/L。
[0066] (二)配合比
[0067] 本发明对于将会在型钢混凝土结构中应用的强度等级为C50的高性能混凝土提供 的配合比如表2所示。
[0068] 表2用于型钢混凝土组合结构的高性能混凝土配合比(单位:kg/m3)
[0069]
Figure CN105481317BD00122
[0070] (三)搅拌工艺
[0071] 该发明采用水泥裹砂石法混凝土搅拌工艺,具体工艺步骤如下:
[0072] 先将聚羧酸系高效减水剂6kg/m3和复合激发剂2.5kg/m3均匀拌入称量好的水 156kg/m3中,按照重量配比在强制式搅拌机中加入706kg/m3的细骨料和拌有高效减水剂和 复合激发剂用水总量的1/3的水约54.8kg/m3,均匀搅拌1〜2分钟后,加入1201kg/m3的粗骨 料和拌有高效减水剂和复合激发剂用水总量的1/3的水约54.8kg/m3,均匀搅拌2〜4分钟 后,再加入全部胶结材料:320kg/m3的水泥、40kg/m3的娃灰和60kg/m3的粉煤灰,均勾搅拌2 〜3分钟后,加入lkg/m3的AGITAN0P803粉末消泡剂和剩余拌有高效减水剂和复合激发剂的 水约54.8kg/m3,均匀搅拌2〜3分钟,休息3分钟后再搅拌2〜3分钟至均匀,出料。
[0073] 这种工艺能尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬,并 可提高所制备混凝土的强度(包括与型钢之间的粘结强度),且所制备的混凝土不宜出现离 析现象,泌水少,工作性能相对较好。
[0074] (四)力学性能试验结果对比
[0075] 按照上述配合比所配制的适用于型钢混凝土组合结构的强度等级为C50的高性能 混凝土与普通混凝土 (强度等级为C50的混凝土)的力学性能对比试验结果如表3所示。
[0076] 表3混凝土力学性能对比试验结果
[0077]
Figure CN105481317BD00131
[0078] 从表3可以看出,按该技术制备的强度等级为C50的高性能混凝土,实现了在能确 保其所应具备的力学性能(即C50强度、塑性等指标)以及具有高耐久性、高可靠性、高工作 性、高体积稳定性和经济性的基础上,显著地改进混凝土与型钢之间的(自然)粘结性能,使 在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表面加设剪切连接件,即 可保证型钢与混凝土的有效协同工作,从而减少了施工工序,节约了钢材,提高了施工效 率,并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且易造成混凝土内部先天性微裂缝等缺陷; 另外,相对于现有技术用于型钢混凝土组合结构的高强高性能混凝土而言,强度等级为C50 的高性能混凝土的研制,为SRC结构中受力相对较小楼层或部位构件的性价比优化设计提 供了前提,他不仅解决了型钢与低强高性能混凝土之间自然粘结性能差的问题,而且解决 了采用现有技术用于型钢混凝土组合结构的高强高性能混凝土会造成材料浪费、不经济等 问题,从而具有较高的工程应用价值和广阔的市场前景。

Claims (2)

1. 一种用于型钢混凝土组合结构C50强度等级的混凝土,其特征在于,该混凝土按照 kg/m3的配合比为: 水泥:细骨料:粗骨料:水:高效减水剂:消泡剂:硅灰:粉煤灰:复合激发剂=320:706: 1201:156:6:1:40:60:2.5; 所述水泥选择P. 0425R普通硅酸盐水泥; 所述细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中粗河砂,细度模数2.8; 所述粗骨料母体岩石的立方体抗压强度不应低于所配制混凝土强度的1.2倍,碎石粒 径为5mm〜25mm,最大粒径不应超过25mm,级配良好,含泥量以质量计控制在1.0%以下,泥 块含量以质量计控制在0.5%以下,针、片状颗粒含量以质量计不宜大于5%,且不得混入风 化颗粒,骨料水溶性氯化物折合氯离子含量不超过集料质量的〇. 02% ;进行该混凝土配制 时,采用连续粒级碎石Φ 5〜Φ 25投料; 所述高效减水剂选择聚羧酸系高效减水剂,减水率大于25% ;所述消泡剂选择AGITANO P803粉末消泡剂; 所述娃灰选用优质娃灰,且娃灰中的二氧化娃含量应不小于85 %,含水率应不大于 3%,烧失量应不大于4%,氯离子含量应不大于0.1%,火山灰活性指数应大于90%,比表面 积应不小于15000m2/kg; 所述粉煤灰采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级粉煤灰,且其细度以〇.〇45mm方孔 筛筛余计应不大于12%,烧失量应不大于5%,S〇3含量应不大于3%,含水量应不大于1%, 需水量比应不大于95%,比表面积应大于400m2/kg; 所述复合激发剂选择自制粉煤灰复合激发剂FACA,由重量百分比为70 %的水玻璃溶液 与30%的二水石膏0&3〇4*2出0配制而成; 所述复合激发剂通过下述方法制备而成: 首先将固体片状NaOH溶于水中制成一定浓度的碱性溶液,然后与模数为2.4〜3.3的水 玻璃混合,调制成模数为1.0水玻璃溶液,取70%的水玻璃溶液与30%的二水石膏CaS〇4 · 2H20混合,即得复合激发剂FACA; 所述混凝土坍落度为100mm,立方体抗压强度为56.76MPa,劈拉强度为5.02MPa,与型钢 粘结强度为3.41MPa,混凝土渗透等级为IV级。
2. —种权利要求1所述的用于型钢混凝土组合结构C50强度等级的混凝土的制备方法, 其特征在于,该方法采用改进的水泥裹砂石法混凝土搅拌工艺,包括下述步骤: 1) 先将聚羧酸系高效减水剂6kg/m3和复合激发剂2.5kg/m3均匀拌入称量好的水156kg/ m3中,得到混合物; 2) 然后按照重量配比在强制式搅拌机中加入706kg/m3的细骨料和步骤1)混合物总量的 1/3,均匀搅拌1〜2分钟; 3) 再加入1201kg/m3的连续粒级碎石Φ 5〜Φ 25的粗骨料和步骤1)混合物总量的1/3,均 匀搅拌2〜4分钟; 4) 再加入全部胶结材料:3201^/1113的水泥、401^/1113的娃灰和601^/1113的粉煤灰,均勾搅 拌2〜3分钟; 5) 加入lkg/m3的AGITAN0P803粉末消泡剂和步骤1)剩余混合物,均匀搅拌2〜3分钟,间 隔3分钟后再搅拌2〜3分钟至均匀,出料,即得所制备混凝土拌合物。
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