3.1.2 混凝土的组成材料
水泥、水、砂、石、掺和料、外加剂是组成混凝土的主要材料,材料的质量和性能, 决定了混凝土的性能。 因此,在混凝土的施工过程中,要根据工程项目混凝土设计及施工特点,选取合适、合格的材料,设计良好的施工配合比,以保证混凝土的各项技术性能,确保混凝土质量。
3.1.2.1 水泥
水泥是混凝土中最重要的组成部分,同时是混凝土组成材料中成本最高的材料。配制混凝土时,应选择合适的水泥品种和水泥强度等级,确保配制出的混凝土性能满足设计要求,同时造价经济。
1. 水泥品种的选择
配制混凝土时,应根据工程的不同性质、部位、施工条件和环境状况等选择水泥的品种。不同环境或工程特点常用水泥的选择见第1章“胶凝材料”。
2. 水泥强度等级的选择
水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。原则上,在进行混凝土配合比设计时,高强度等级的混凝土,选用高强度等级的水泥；低强度等级的混凝土,选用低强度等级的水泥。混凝土配合比设计原则是既要满足强度要求,也要满足耐久性要求。比如当用高强度等级的水泥配制低强度等级的混凝土时,较少的水泥用量即可满足混凝土强度要求,但难以满足混凝土和易性和耐久性等要求；若水泥用量兼顾了耐久性等性能,则水泥用量必然多,导致混凝土超强和不经济。用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土,必然增大水泥用量,水泥成本过高,并有可能导致混凝土出现干缩开裂和温度裂缝等现象。
根据经验,水泥的强度等级宜为混凝土强度等级的1.3～1.7 倍。在实际应用时可根据工程项目的不同特点选用合适的水泥,但也不一定非要按经验选取。有条件的可在工程上进行一些研究,结合水泥生产技术及特性,使混凝土水泥用量达到最优的选择,既满足混凝土强度、耐久性要求,又满足经济性要求。推荐不同混凝土强度等级与水泥强度等级选择,见表3.1。
表3.1 推荐不同混凝土强度等级与水泥强度等级选择表
3.1.2.2 水
混凝土用水分拌和用水和养护用水。混凝土拌和用水宜选择洁净的生活用水。当采用其他水源时,水质应符合国家现行行业标准《混凝土用水标准》(JGJ63—2006)的规定,且要求有水质质检报告。严禁使用未经处理的工业废水及生活污水、污水、沼泽水以及pH＜4的酸性水。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物,对混凝土有侵蚀作用,并对钢筋有锈蚀作用,不得用于拌制钢筋混凝土和预应力混凝土,可以拌制无特殊要求的素混凝土,但应进行混凝土试验后确定。
养护用水亦应与拌和用水一致。
3.1.2.3 砂和石子
砂和石子的基本性质、技术要求和选用原则见第2章“骨料”。
3.1.2.4 混凝土外加剂
混凝土外加剂是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土和(或)硬化混凝土性能的材料。在混凝土中掺加适量外加剂,除可以改善混凝土性能外,还可减少混凝土单位用水量、节约水泥用量,有效降低混凝土材料成本。
1. 外加剂的主要种类
混凝土外加剂种类繁多,根据《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》 (GB/T8075—2005)的规定,混凝土外加剂按其主要功能分为四类：①改善混凝土拌合物流变性能的外加剂,包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等；②调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂,包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等；③改善混凝土耐久性的外加剂,包括引气剂、防水剂和阻锈剂、减缩剂等；④改善混凝土其他性能的外加剂,包括膨胀剂、防冻剂、着色剂等。
(1)减水剂指在混凝土坍落度基本相同的条件下,能减少拌和用水量的外加剂。根据减水剂的作用效果及功能情况,可分为普通减水剂(减水率8% ～15%)、高效减水剂(减水率≥15%)、早强减水剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂及引气减水剂等。减水剂是目前工程中应用最广泛的外加剂,约占外加剂的80%左右,常用的减水剂为阴离子表面活性剂。常用的减水剂主要有糖蜜类(减水率6% ～10%)、木质素磺酸盐系(减水率10%左右)、萘系(减水率15%～25%)、水溶性树脂类(减水率20%～30%)、聚羧酸类(减水率15%～30%)和复合型减水剂。目前在水利水电工程中应用比较多的品种是萘系和聚羧酸类。
(2)缓凝剂指能延长混凝土凝结时间的外加剂。缓凝剂应对混凝土后期强度发展无不利影响。
缓凝剂主要有四类：糖类,如糖蜜；木质素磺酸盐类,如木钙、木钠；羟基羧酸及其盐类,如柠檬酸、酒石酸；无机盐类,如锌盐、硼酸盐等。常用的缓凝剂是木钙、糖蜜和萘系,目前使用的缓凝剂大都有减水效果,也称缓凝减水剂。
缓凝剂具有缓凝、减水、降低水化热和增强作用,对钢筋也无锈蚀作用。主要适用于大体积混凝土和炎热气候下施工的混凝土,泵送混凝土及滑模施工的混凝土,以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。
(3)早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂应对混凝土后期强度无显著影响。早强剂能加速水泥的水化和硬化,缩短养护期,从而达到尽早拆模、提高模板周转率,加快施工速度的目的。早强剂可以在常温、低温和负温(不低于-5°C)条件下加速混凝土的硬化过程,多用于冬季施工和抢修工程。
工程中常用的早强剂主要有：氯盐类、硫酸盐类、三乙醇胺、三异丙醇胺和以其为基础的复合早强剂。
(4)引气剂指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡且能保留在硬化混凝土中的外加剂。引气剂能减少混凝土拌合物的泌水、离析,改善和易性,并能显著提高硬化混凝土抗冻性、耐久性的外加剂。
目前,应用较多的引气剂为松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。工程中常用的引气剂为松香热聚物,其掺量为水泥用量的0.01%～0.02%。
引气剂可用于抗渗混凝土、抗冻混凝土、抗硫酸盐侵蚀混凝土、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻混凝土,以及对饰面有要求的混凝土等,但引气剂不宜用于蒸养混凝土及预应力混凝土。
(5)防冻剂指能使混凝土在负温下硬化,并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。
常用的防冻剂为复合型,由防冻、早强、减水、引气等多组分组成,各尽其能,完成预定抗冻性能。
不同类别的防冻剂性能具有差异,合理的选用十分重要。氯盐类防冻剂适用于无筋混凝土；氯盐阻锈类防冻剂可用于钢筋混凝土；无氯盐类防冻剂可用于钢筋混凝土工程和预应力钢筋混凝土工程。硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐易引起钢筋的应力腐蚀,故此类防冻剂不适用于预应力混凝土以及与镀锌钢材相接触部位的钢筋混凝土结构。
(6)速凝剂指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。
速凝剂主要有无机盐类和有机物类两类。我国常用的速凝剂是无机盐类,主要有红星Ⅰ型、711型、728型、8604型等。在满足施工要求的前提下,以最小掺量为宜。
速凝剂掺入混凝土后,能使混凝土在5min内初凝,10min内终凝,1h 就可产生强度,与不掺剂混凝土相比,1d强度提高2～3倍,但后期强度会下降,28d强度约为不掺时的80%～90%。
速凝剂一般掺加在喷射混凝土或喷射砂浆中,主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程及喷锚支护工程。
2. 外加剂的质量控制
外加剂的技术要求、取样及检验方法、使用规定等要符合国家标准《混凝土外加剂》(GB8076—2008)、《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119—2013)。
混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入,掺量按总胶凝材料质量的百分比表示,不同类型的外加剂掺量不同,具体掺量要根据厂家推荐,并结合施工条件、水泥性能等外加剂试验结果确定。
根据混凝土性能、施工要求,外加剂可采用不同的掺法。同掺法：将粉状外加剂与水泥、骨料一起拌和均匀,然后再加入水搅拌均匀；或者先将外加剂均匀溶于水中,形成一定浓度的溶液,然后再同骨料、水泥、水一起搅拌均匀。滞掺法：外加剂在水泥、骨料、水搅拌1～3min后加入搅拌,根据外加剂的形状不同,分溶液滞水法和干粉滞水法。后掺法：是指外加剂在水泥、骨料、水搅拌时不加入,而在运输过程或施工现场分一次或几次加入,再继续多次搅拌。
应用于工程的外加剂产品均应当有检测合格证、技术文件或说明书,标明型号、规格、出厂日期、适用范围、推荐掺量等。外加剂运至工地后应分类存放,标识清楚,粉剂要防水、防潮,水剂要防水、防晒等,并经检验合格后方可使用。使用过程中要有专人进行管理,防止使用出错,影响混凝土质量。
3.1.2.5 混凝土掺和料
为改善混凝土的性能、节约水泥,在普通混凝土中掺入一些矿物粉末,这些矿物粉末称为混凝土掺和料。掺和料的主要品种有粉煤灰、硅粉、超细矿渣及各种天然的火山灰质粉末。目前,混凝土掺和料已是调节混凝土性能、配制大体积混凝土、碾压混凝土、高性能混凝土等不可缺少的组分,配合比设计中根据情况要计入掺和料的影响。
1. 粉煤灰
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排出的主要固体废物,呈颗粒粉末状。其主要化学成分为活性的SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等。
由于粉煤灰本身的化学活性、结构和颗粒形状等特征,在混凝土中产生增强作用、降低水化热、改善和易性、增大密实度等效果。
粉煤灰的掺入方式一般有等量取代水泥法、等量代砂法、超量取代水泥法。粉煤灰取代的掺量一般根据工程条件、要求的混凝土性能、成本因素等情况确定。
混凝土中掺入外加剂,又掺入粉煤灰,可以有效地改善混凝土性能,满足和易性及耐久性等要求,称混凝土双掺技术。
2. 硅粉
亦称硅灰,是从冶炼硅铁和其他硅金属工厂的废烟气中回收的副产品。其主要成分是SiO2(含量达85%～96%),活性很高。
混凝土中使用硅粉的效果是改善拌合物的和易性、配制高强混凝土、改善混凝土的孔隙结构、抗侵蚀性较好、抗冲磨性得以提高。
硅灰的掺入方式,有内掺法(取代等质量的水泥)、外掺法(水泥用量不变)。掺入硅灰时,必须同时掺加高效减水外加剂,以使硅粉在水泥浆中充分分散,达到应有的效果。硅粉的掺量要根据试验确定。
3. 磨细矿粉
磨细矿粉(简称矿粉)是粒化的高炉矿渣经干燥、磨细等工艺达到规定细度的产品。其主要化学成分为活性的SiO2、Al2O3。
磨细矿粉掺入混凝土后可以配制普通混凝土、高强和超高强混凝土(≥C100),可以改善新拌混凝土和易性、大大改善混凝土的耐久性。
矿粉的掺入方式一般用等量取代水泥法,掺量应经试验后确定。