（交通运输工程专业论文）桥用c60高性能混凝土性能研究及工程应用.pdf

中文摘要 摘要 近年来，高性能水泥混凝土在建筑工程中得到越来越广泛的应用。目前对于 高性能混凝土的制备及耐久性的研究，已成为国内外混凝土科技工作者研究的热 点。 本论文在综合考虑混凝土的强度、体积稳定性、耐久性和工作性的前提下， 提出了c 高性能混凝土的配合比设计思路，通过优选混凝土所用原材料、优化 胶凝材料用量、矿物微细粉的掺量、水胶比和砂率等配制参数，确定了兼具缓凝、 早强、易泵送的c 高性能混凝土配合比；并对c 6 0 混凝土拌合物的工作性能、 硬化混凝土的力学性能及耐久性等综合技术性能进行了系统研究。 本论文依托重庆鱼洞长江大桥正桥工程，对箱梁用c 高性能混凝土的制备、 力学性能、耐久性及生产质量控制等方面展开系统研究，旨在确保重庆鱼洞长江 大桥正桥工程施工质量及生产取得良好的技术、经济、环保和社会效益。工程应 用效果表明，通过对原材料质量、配合比优化设计、混凝土生产质量及施工过程 的综合控制，制备的c 高性能混凝土应用于重庆鱼洞长江大桥正桥工程箱梁部 位，取得了良好的技术经济效果。同时，为混凝土设计与控制理论及工程实践积 累试验资料，并为c 高性能混凝土在类似工程中的应用提供有益借鉴 关键词：高性能混凝土优化设计，制备，耐久性 英文摘要 a b s t r a c t 碰g hp c 蘧脚驵c o n c n 眭e a 妊i c ) w 硒m o a n dm o 硒d c 哆u s e di nb l l i l d i n g 锄西e l i l l gi nf ty e 缸p i a c t i c e 曲旧w 血址m e 肥峨ho f 删白嘶l i j i n gt e 倒掣峙 a n dm e 蛐o fh p ch a db e c i 哪ah o tp o i n t 协m o 船i 黜a n d 砌m o 蛔 们妇o f c 伽1 c r c t c i n 肌d o 毗o f l h e “唧姆 ht h i sp a p 盱c o n s i d e r i l 培山ec 伽叩s s i v c 鳓嘲1 9 山a n dv c d 瑚啦a b m 哆d l l 僦l i 哆 锄d 啊删l i 哆o f c 伽c 蟛t e ，t h c 衄删d c s i 缪m c t h o do f c 6 0 瑚h 勰b c 钮b 她 f 0 删a i d 1 h ti 5c h o o 幽喀唧曲咖蚰c c r 咖n wm a 蜘a l s ，唧曲血咖gm s so fb 王n d 删o fs l a ga d m i x 山螅咖t ob 砌枷o a n ds 舳dp c f c e n t a g ce t c t h e p r e p 嬲i t i o fc 6 0 班丽山i e t 锄d a l i 啾如g 姐dh 培hj n 蚯a lc 伽叩砖s s i v cs n 吼g t h a n d s yp l m 】pp i d p 盯哆w 嬲c 伽矗咖c d w h 扯m o 砧a 眵咖ms t l l d yo nt h ew o i l 【址虚n l y o f 蠡出c c l 啦锄dt h em c c h a i l i c up p c r t y 柚dd i l m 嘶哆o fh a l dc c 犯把o fc 6 0 h p c 啪sa l c a r e d i h 删l g h a f i l u y 地眦ho nm 柚u 自c 岫gt e c h n i 叩坞d u 髓b i l 姆m h a n i c a lp i 唧哪哆a n d p d u c d q u a l i 哆c o 曲mo fc m u s e di nb 弧g i i d 盯o fm a i n 晡d g eo ft h e c h o n g q i n gm l d o n gy h i l g t 辩融v e rb l i d g ep 叫o c t t h ep u r p o i st om a l 【c 吼mt h e q u a l i t ) ，o ft h em a j nb r h g ep i q e c t c o n s 咖c t i o no f ( m o n 阴i n gm i d o n gy 抽g t 辩础v 口 b i i d g e 蛆d 血c 触d t 0a c h i c v eg o o dt c c l h n o l o g y o m y v i l 瑚删弧p 删燃t 柚ds i a l 蛐t 肺e p m j e c ta 卵l y i n ge 位脱出o w 血扯，t h eu s i n go f t h e c 印硼陀i n t h eb o xg 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指导教师签名带秽藿 日期：s 7 年p 月6 日 日期：哆年配月2 f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高性能混凝土的研究及应用现状 混凝土是最大宗的人造材料，也是当今主要的建筑结构工程材料之一。“高性 能混凝土( i 五扣p e 哟皿雒c c 眈) ”这个概念是由美国混凝土协会( a c i ) 在 1 9 9 0 年5 月提出的，目前，对于高性能混凝土还没有一个统一的定义，简单的可 概述为高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技 术【l 】，选用优质原材料，除水泥、水、集料外必须掺加足够数量的活性矿物掺合 料和高效外加剂的一种新型混凝土。根据不同的目的和用途，除对高性能混凝土 的工作性、耐久性、强度、体积稳定性、经济合理性等性能有一定的要求外，必 要时对某些特别要求的性能应给予重点保证，以提高其适应性。高性能混凝土具 有体积稳定性好、高耐久性、优良工作性、高强度性能等优越性能以及显著的技 术经济、社会和环境效益 刁。商性能混凝土技术使混凝土的使用过程和应用过程 实现了绿色化，混凝土从传统概念上得以飞跃，符合人类寻找与自然和谐、可持 续发展的趋势。 从高性能混凝土的定义来看，高性能混凝土由于强度高，因而可减小建筑物 构件的截面尺寸，降低结构物的自重，节约材料用量，并使结构具有较大的刚度， 还能增加结构物的工作寿命，这些特性可满足现代工程结构向大跨度、重载、超 高层和结构物承受恶劣环境条件的需要【3 】。高性能混凝土的这些特性为现代混凝 土工程技术的发展开辟了一条新的途径。正是由于高性能混凝土的这些特性，高 性能混凝土的研究和开发得到了各国政府及科研院所的高度重视，从而促进国内 外的混凝土科技工作者对高性能混凝土进行广泛深入的研究工作，近十年来在高 性能混凝土的配制技术，工作性和耐久性的改善及工程应用方面，取得了一些可 喜的成果【4 】，其越来越多的应用于高层建筑、大跨度桥梁、海工建筑等工程领域 中。高性能混凝土在国内发展较快，如上海经贸大厦c ( 1 9 9 8 年) ，广东虎门 大桥( c 5 0 ) ，重庆万县长江大桥钢管混凝土c 等；国外如美国芝加哥3 l l 瓦克 大厦c 8 5 ( 1 9 9 0 年) ，英吉利海峡隧道( 4 5 m p a ，设计工作寿命1 2 0 年) ，日本东 京的高层建筑( 8 0 m p a ) 等。但是由于受技术难度和经济性投入的限制，由实 验过程及工程实体的功能检测来看，高性能混凝土的研究和开发还存在许多问题 亟待研究，如对高性能混凝土配合比缺乏优化设计，高性能混凝土耐久性使用寿 命，应用理论及工程技术的系统研究等。因此，本文拟通过一定的试验方法对c 高性能混凝土配合比的优化设计、性能检测及现场工程应用等方面系统展开研究， 第一章绪论 以此从技术层面指导重庆鱼洞长江大桥工程主桥箱梁c 6 0 高性能混凝土的制备与 工程应用。 1 2 高性能混凝土的性能及特点 1 2 1 高性能混凝土的特点 高性能混凝土主要考虑耐久性与满足功能的其它相应指标得以保证来选择混 凝土组成材料和确定配合比。与普通混凝土相比，高性能混凝土在材料组成和配 合比设计方面有如下特点： 掺入活性矿物掺合料 高性能混凝土组成材料中一般都含有活性矿物掺合料，如粉煤灰、硅粉、磨 细矿渣粉，由于矿物掺合料中含有大量的高活性的、无定形的二氧化硅微小玻璃 体晶粒，粒径约为水泥粒径的l ，l ，可以填充在水泥石结构内界面间的孔隙内， 同时还可将水泥水化后的产物c a ( 0 h ) 2 转化为c s h 网状凝胶( 即火山灰反应) ， 从而大幅度提高混凝土强度和混凝土的渗透性，在某种程度上增强了混凝土的耐 久性。目前，在高性能混凝土的配制中通常双掺两种活性矿物掺合料，可见采用 活性矿物掺合料功能性材料成为配制高性能混凝土的关键技术和手段阁 低水胶比 低水胶比提高了混凝土的强度和弹性模量，降低了混凝土的孔隙及提高了混 凝土抗渗透性，它是保证混凝土高强度与耐久性的前提条件之一。目前已形成共 识，w m ( 水胶比) o 4 5 的混凝土，不可能在严酷的环境条件下具有高的耐久 性。实际应用的高性能混凝土宜控制在w m = o 2 5 - o 3 8 之间。 骨料粒径的选择 高性能混凝土的最大骨料粒径宜在1 0 2 5 衄较好，有下述原因：粒径小的 骨料，其自身缺陷( 如内部裂隙) 相对减少，可基于水泥浆体、集料、界面过度 区近似为均质体考虑；骨料的最大粒径较小，由g r i f f i t h 裂纹理论可知卿，骨 料与水泥浆体界面的应力差将缩小，断裂应力提高，由应力差引起薄弱面的裂纹相 对减少，从而有利于提高界面过度区的强度。 高效减水剂与水泥的相容性 低水胶比和掺入活性矿物掺合料的高性能混凝土必须使用高效减水剂，高效 减水剂与水泥之间应有较好的相容性。其表现在高效减水剂应具有对水泥的分散 能力强，减水率高，能有效的控制坍落度的损失，并能提高混凝土的耐久性的能 力“1 。目前，已基本了解出现相容性的原因。1 。高效减水剂中的c a s o 。与水泥水化 产物中水化速度最快的c 3 a 反应，如果水泥中的石膏不能及时的释放出s o 2 - 与哪 反应，则大量高效减水剂就会被c a 所束缚，高效减水剂就不能发挥应有的减水 作用，即出现水泥与减水剂相容性问题。一般c 3 a 含量高的水泥和使用硬石膏的 第一章绪论 水泥容易出现高效减水剂与水泥的相容性不良的现象。 高性能混凝土的微观结构 高性能混凝土是一种复合材料，由水泥、水、集料及掺入矿物质超细粉和高 效减水剂组成，通过一定旅工工艺生产而成，硬化后的混凝土可分为水泥基相、 分散粒子、界面过度层三相组成。与普通混凝土相比，高性能混凝土的微观结构 具有与其性能想适宜的特点。高性能混凝土由于采用低水胶比和掺入矿物质超细 粉大大的改变了水泥石界面过度区的结构。水泥水化后主要产物为c s - h 、 c a ( o h ) na 1 - f 旷t r i ( 表示式中含有3 叻l 的c a s 0 ，以c a a s 。如表示，该相断面星 六角柱体) 等，掺入超细粉后比水泥颗粒粒径小1 0 0 倍的活性s i 如，与富集在界面 区的c a ( o h ) 。发生火山灰反应，增加了对水泥石强度影响较大的c s h 凝胶体和 a 1 一f e t r i 相的数量，同时矿物质超细粉填充在界面过度层的孔隙内，并扩展到 骨料的表面，提高了过度层的致密性且消除了其不均匀性；高性能混凝土采用高 效减水剂，大大降低了低水胶比，提高了混凝土的弹性模量，有效的减少了水泥 石中的自由水，使界面过度层有所减少，但未削弱对骨料的粘结强度。上述关键 技术改善了水泥石界面过度层的相结构，从而提高了近似均质体的高性能混凝土 的耐久性。 1 2 2 高性能混凝土的技术性能 高性能混凝土是在普通混凝土的基础上采用现代混凝土技术通过专门设计以 适合某中特定功能的工程需要而制作的混凝土。高性能混凝土具有优良的工作性、 力学性能、低渗透性、高弹性模量、体积稳定性( 低收缩、较小的徐变及温度应 变) 等。 工作性 高性能混凝土应具有优良的工作性能，包括高流动性、高粘聚性、可浇注性 等。对高性能混凝土拌合物的工作性通常采用坍落度和流动度试验相结合的方法 进行评价对于泵送混凝土要求其在泵送过程中不产生离析、泌水及混凝土拌合 物坍落度损失过大而引起混凝土堵管等现象。衡量混凝土的可泵性可用压力泌水 试验进行评价。 耐久性 混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用 下保持其工作能力的性能侈1 明。从上面的定义可以看出，影响耐久性的因素有三， 即材料、环境和其相互作用途径，三者缺一不可，要提高耐久性或防止耐久性降 低，只要约束三因素中的一个或多个即可。影响高性能混凝土耐久性的因素主要 包括混凝土的物化性能、材料性能、施工方法和施工质量以及破坏作用的性质等。 常见的劣化因素主要有：冻融循环、碳酸化、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、应力破坏 第一章绪论 4 及碱集料反应等。 1 ) 抗渗性混凝土的渗透性为环境介质侵入基体内提供了渠道，从这个方面 来讲，高性能混凝土采用低水胶比，提高了其自身的抗渗透性能，从材料本身增 强了混凝土的耐久性。 2 ) 抗硫酸盐侵蚀对于地处重酸雨区的结构，我们还应考虑到硫酸盐对混凝 土的侵蚀。根据硫酸盐离子来源不同，可分为内部和外部硫酸盐侵蚀，混凝土中 含有富硫酸盐成分的材料引起的膨胀开裂破坏，称内部硫酸盐侵蚀；混凝土暴露 在硫酸盐环境中产生的侵蚀，称外部硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀主要是混凝土硬化 后水泥石中的c 扭与周围环境中的硫酸盐反应，在约束空间内生成膨胀性的硫铝 酸钙，引起结构物的破坏。高性能混凝土低水胶比和掺入活性矿物掺合料保证其 具有强的抗硫酸盐侵蚀能力。 3 ) 碱集料反应当混凝土的孔隙内存在碱金属( n a 、k ) 的石灰饱和溶液、 n a 2 0 和k 2 0 等碱金属溶液和集料中活性的s i 0 2 发生化学反应，使混凝土发生不 均匀膨胀，产生裂缝，并引起强度和弹性模量下降的不良现象，从而危及工程安 全甚至缩短结构的使用寿命。引起碱集料反应的必备条件有三：混凝土中含碱 量超过安全值；具有活性的集料；有水分的参与。高性能混凝土从原材料选 择方面注重含碱量的限制及活性集料的排除，从源头遏止碱集料反应。高性能混 凝土低水胶比和低渗透性，就其本身而言对防止碱集料反应是有利的。高性能混 凝土配制中掺入活性矿物掺合料，掺合料中的活性二氧化硅与水泥水化生成物反 应生成一种碱钙硅凝胶，改善了硬化混凝土的相结构，提高了混凝土的密实性 能。另外，掺入活性矿物掺合料混凝土的渗透性很低，是碱离子的活性大大降低， 从本质上抑制了或降低了碱集料反应所带来的危害。 力学性能 以耐久性优先为设计原则的高性能混凝土，必须具有一定的强度保证，反应 其强度力学性能指标主要有：混凝土立方体抗压、轴心抗压、劈裂强度等。混凝 土的力学强度与混凝土原材料和配合比、混凝土的拌制、施工工艺、养护等因素 有密切关系。 徐变 徐变是指混凝土在恒定荷载作用、恒定温度和湿度条件下增加的变形，随着 时间的推移，结构所受应力逐渐递减呈松弛现象，这样就造成预应力钢筋混凝土 中的预应力损失，对于大跨度桥梁将引起其体系内应力应变进行重新分布，挠度 超限及结构不均匀沉降等现象。当然，由于徐变引起混凝土结构内应力的释放， 可减缓混凝土裂纹的产生和扩展，但是，对于混凝土结构这是我们所不希望的。 徐变产生的原因，主要是在荷载作用下凝胶水或物理吸附水排出引起混凝土的永 第一章绪论 久变形。大多数混凝土结构徐变的大小和速度与其水分干燥速度有密切关系【堋。 影响混凝土徐变的因素还与原材料品质、加载时间、环境条件及混凝土强度等有 关。高性能混凝土与普通混凝土相比其徐变较小。 收缩变形 1 ) 早期化学收缩早期化学收缩分溶解收缩和化学收缩，水化收缩发生在诱 导期之前1 】。b d z 吼g 和w t 咖肌叫研究显示，l 升料浆，w ，c = 3 ，水泥早期化学 收缩值为3 2 m l ，并且早期化学收缩在很短的时间内即达到相对较大值，此时水 泥浆体仍为b i n g h 趾体，具有良好的可塑性，这种收缩不会对混凝土产生附加应 力。早期化学收缩的大小与水泥成分有密切联系。 2 ) 塑性收缩珊触趾【l 习认为塑性收缩是因为水分蒸发使新拌混凝土表面变 干时，在靠近表面的粒子( 水泥和集料) 之间的水中将形成复杂的毛细管弯月面 体系。随着水分的蒸发，毛细管负压得以发展，从而产生塑性收缩。混凝土塑性 收缩与w m 、细集料、所处环境温湿度及风速有关。降低混凝土失水速率是预防 塑性开裂的有效措施。 3 ) 塑性沉降收缩混凝土在干燥前，新拌混凝土粒子间充满水分，浇注后由 于密度差异，固体粒子沉降，水分上升( 泌水) 形成一层表面水。水泥混凝土净 浆浮至表面产生外分层，水泥浆浮至粗集料下产生内分层。混凝土中往往由于粗 集料或增强材料的阻碍会产生沉降而表面开裂。 4 ) 早期自收缩一个密闭、恒温的胶凝材料体系在无荷载作用下，由于内部 相对湿度减小而引起宏观体积收缩，称为自收缩。毛细管压力机理不仅可用于解 释混凝土干燥收缩现象，也可用于解释自收缩现象。但是，前者主要是由于混凝 土中水分向外蒸发而使得相对湿度降低，而后者是因为胶凝材料的水化反应不断 消耗混凝土中的水分，造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，凝胶孔中产生收缩 应力使得混凝土体积减小对低水胶比、高胶凝材料的高性能混凝土来说，塑性 阶段的自收缩与混凝土水化程度有关，若胶凝材料活往高，早期水化程度大，可 引起较大的自收缩。 5 ) 碳化收缩空气中的0 0 2 与水泥水化物之间的反应叫做碳化，伴随着碳 化过程混凝土产生收缩叫做碳化收缩【l 明。碳化自混凝土表面向内部伸展且进度非 常缓慢，碳化速度与混凝土的透水性、混凝土的湿度、c 0 2 的浓度以及周围介质 的相对湿度有关。 1 3 主要研究内容 本论文通过室内原材料性能试验分析后，确定符合设计及规范要求的原材料， 获取原始数据。本论文依据普通混凝土配合比设计规程( j g j 5 5 2 0 ) 、高性 能混凝土应用技术规程( c e c s 2 0 r 7 ：2 0 0 6 ) 和公路桥涵施工技术规范 第一章绪论 ( j r j 0 4 1 2 0 0 0 ) 对高性能混凝土配合比设计指标规定确定基准配合比，保持总 胶凝材料、用水量、密度基本不变，利用类似正交设计方法选取设计参数水灰比、 硅灰掺量、矿渣掺量、砂率四个参数按不同水平进行试验，以混凝土耐久性、2 甜 立方抗压强度和工作性为考核指标，通过试验结果分析，从中选出至少两组符合 设计要求的推荐配合比，通过验证最终确定混凝土最佳配合比。 本课题的主要研究内容如下： 通过对原材料进行考察和室内试验，从经济成本和符合规范要求的性能指 标两方面选择试验用原材料； c 高性能混凝土配合比优化设计，以混凝土2 跗立方抗压强度和工作性 为考核指标，优选最佳混凝土配合比，对混凝土拌和物的保水性、流动性、粘聚 性、坍落度经时损失和可泵性及力学性能进行室内和生产验证，选定c 6 0 混凝土 配合比； c 6 0 高性能混凝土3 d 、5 d 及7 d 各龄期力学性能试验，包括混凝土立方体 抗压强度、轴心抗压强度、劈裂强度、弹性模量等，为预应力结构混凝土加载龄 期提供数据参数，同时测试混凝土2 乩龄期力学性能，使其满足混凝土结构设计 要求；同时对混凝土的后期强度进行了检验； 对c 6 0 高性能混凝土的收缩和徐变性能、抗渗性能、抗冻性、抗硫酸盐的 侵蚀、抗碳化及抗裂等性能进行试验，有效评价混凝土长期性和耐久性； 重庆鱼洞长江大桥预应力混凝土施工质量的控制，包括原材料质量的控制， 商品混凝土厂家生产质量的控制，现场混凝土工作性测试控制及工程实体混凝土 质量控制等； 重庆鱼洞长江大桥箱梁零号块大体积泵送混凝土现场施工及防裂措施试验 研究。 第二章o 高性能混凝土原材料基本性能 第二章c 6 0 高性能混凝土原材料基本性能 高性能混凝土所用的原材料，除传统混凝土所用的水泥、砂、石和水四大组 分，还有化学外加剂( 人们亦称为混凝土的第五组分) 和矿物外加剂( 亦称为混 凝土的第六组分) 。使用新型的高效减水剂和磨细矿物外加剂( 或称矿物掺和料) 是使混凝土达到高性能的主要技术措施。前者能降低混凝土的水灰比，增大坍落 度和控制混凝土的坍落度损失，赋予混凝土高的致密性和良好的工作性；后者能 填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，除提高混凝土的致密住外，还改善 混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性和强度。 2 1 水泥 配制高性能混凝土，首先应选水化热低和含碱量低的水泥，尽可能避免用早 强水泥和高c 弧的水泥【1 刃，保证混凝土的体积稳定性和抗裂性能。水泥中的含碱 量不宜超过水泥重量的o 6 ，对于预应力混凝土水泥中的氯离子含量不宜超过水 泥重量的o 嘶结合其他工程实践及混凝土耐久性的要求，o 高性能混凝土的 胶凝材料采用普通硅酸盐水泥+ 硅灰+ 磨细矿渣粉组合。 本试验采用重庆生产的p 0 4 2 j r 水泥，按照水泥细度检验方法( 微米筛筛 析法) ( g b ，r 1 3 4 5 - 9 1 ) 、水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测试验方法 ( g b t 1 3 4 6 2 0 0 1 ) 、水泥胶砂强度试验方法( i s 0 法) ( g b t 1 7 6 7 卜1 9 9 9 ) 及水泥 化学分析方法( g b l 7 6 1 9 9 6 ) 中的试验方法进行物理力学性能试验，结果见表2 1 所有性能均符合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 的要求。 表2 1 水泥物理力学性能及化学成分( ) t a b l e2 11 1 l ep h y s i c a i 鲫d - e c h 绷i c a ip r o p e r t i e s 柚dc h e _ i c a ic 傩p o s i t i o no fc e - e n t 检测烧失量 碱含量 细度 凝结时问抗折强度抗压强度 安定性 项目( )( _ )( )( h ：- i n )( m p a )( 蛐) a ) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d 规范 3 5 1 0 七七七术 值 术0 z4 5牛6 ：3 0 合格 4 o6 52 2 04 2 5 ( 饼 实测 3 1 2o 6 70 82 l5 03 ：4 04 58 92 9 14 9 6 法) 值 化学 c 8 0 s i 如 1 2 0 3 f e 籼t i 啦m g os 也n a 扣 成分 6 3 6 72 l4 05 6 33 6 50 5 72 1 51 6 71 0 2 ( ) 第二章c 娜高性能混凝土原材料基本性能 注：本工程所用p ( m 5 r 水泥的密度为3 1 3g m3 ，标准稠度用水量为2 6 7 ，l ，水泥的水化热，3 d 为2 5 ll 【j k g ，2 8 d 为2 k j l 【g ，c 1 。含量0 0 1 。 2 2 矿物掺和料 在混凝土中加入矿物外加剂一般可以达到下列目的：减少水泥用量、有的还 可以改善混凝土的工作性；降低水化热；增进后期强度；改善混凝土的内部结构， 提高抗渗性和抗腐蚀能力；抑制碱集料反应等。通过分析，本论文采用以下两种 掺和料进行试验。 矿渣：重庆生产的水淬高炉矿渣，比表面积为4 2 岫7 k g ，密度为2 9 0g 3 。经舵一2 0 0 c 型振动磨粉磨得到的s 9 5 级矿粉，按g b ，r 1 8 0 4 6 - 2 0 5 3 01 1 2 l 合格 2 断裂伸长率( ) 1 5 2 51 7 合格 水中分散均匀、无粘水中分散均匀、无粘 3 分散性合格 连、无结团连、无结团 4 弹性模量( 肝a ) s 耐酸碱性好好合格 2 6 高效减水剂 配制耐久性混凝土所用的化学外加剂中c l - 含量宜小于混凝土中胶凝材料重量 o 0 2 ，高效减水剂中的n a s 0 4 含量不宜大于减水剂于重的1 5 。用于c 印高性 能混凝土的泵送剂应满足j c 4 7 3 2 0 0 l 规定的一等品相关指标( 见表2 1 1 ) 。加入 混凝土中的高效减水剂与水泥应有良好的相容性，其减水率 2 0 ，缓凝时间可以 根据不同季节和施工部位进行适当调整。 本试验选用重庆生产的f 刑击型缓凝高效减水剂，为水剂，参考掺量为2 4 ， 第二章c 高性能混凝土原材料基本性能 其性能指标见表2 1 l ，技术指标见表2 1 2 。该外加剂具有非引气、超塑化、高效 减水、和增强、低收缩功能，产品性能符合g b 8 0 r 7 6 1 9 9 7 混凝土外加剂一等 品指标。 表2 1 1j “7 3 2 1 受检混凝土性能指标 性能指标测试指标 试验项目 一等品合格品一等品 坍落度增加值，m 1 0 08 01 3 8 常压泌水率比， 1 0 02 5 压力泌水率比， 9 57 4 含气量， 4 55 5 3 0 _ i n1 5 01 2 01 9 0 轫落度保留值，m 6 0 _ i n 1 2 0l o o 1 6 5 3 d9 08 51 3 5 抗压强度比， 7 d9 08 51 3 2 2 8 d9 08 51 2 9 收缩率比鼍 2 8 d1 3 51 3 59 9 对钢筋的锈蚀作用应说明对钢筋无锈蚀作用 表2 1 2 液体外加剂性能指标 t a b l e 2 1 2p e r f o r - 帅c ei n d e xo f1 i q u de x t r ep h 凹m e u t ， 检测含固量密度 p h 值 c l 一含量n a 2 s o 含息碱量减水率含气置 项目( ) ( g 1 1 ) ( )量( )( )( )( ) 结 l2 1 8 41 0 5 6 6 67 4 40 2 1o 2 04 9 72 6 02 4 果 22 1 9 6 1 0 5 6 6 7 7 5 o 2 3 0 1 9 4 2 6 o 2 3 注：l 、2 代表不同批次的产品 2 7 拌合水 高性能混凝土的拌合和养护用水，必须符合现行行业标准混凝土拌合用水 标准j 四6 3 的规定。 第二章0 高性能混凝土原材料基本性能 本章小节 通过对c 6 0 高性能混凝土用原材料一系列的性能进行试验，所选用的混凝 原材料性能指标均满足国家或行业标准规定的技术要求，用于桥用c 印高性能混 凝土的生产制备是完全可行的 第三章c6 0 高性能混凝土配合比优化设计 第三章c 6 0 高性能混凝土配合比优化设计 3 1 高性能混凝土配制方法及技术途径 3 1 1 高性能混凝土配合比设计方法 自从“高性能混凝土”概念被提出以后，它一直是混凝土界科技工作者研究 的重点和热点，经过1 0 几年的研究，取得了一些成果，但是由于受技术难度和经 济性的限制，目前大多仍停留在理论研究和实验室阶段，缺乏对配合比设计、应 用理论和工程技术的系统研究。国际混凝土联合会( f m ) 与欧洲混凝土委员会 ( c e b ) 提出的在混凝土材料方面有待进一步深入研究的课题中，首先问题也是 高性能混凝土配合比设计的优化问题。 近年来，国内外提出多种高性能混凝土配合比设计方法，主要有美国混凝土 协会( a c i ) 、法国路桥中心实验室( 【c p c ) 、m e h 协p k 以及d ( 脚o p u 等提出 的方法。但目前关于配合比设计仍没有一个共同的模式，已研究的成果中大体有 如下三种1 习： 经验统计法：在大量试验数据统计回归的基础上，给出多组分混凝土配合 比设计用公式。但这种设计方法在很大程度受混凝土原材料影响比较大，地域限 制比较明显 正交试验设计法和均匀试验设计法：采用三因子多水平的均匀设计。探索 混凝土组成材料诸因素对强度特性的影响规律，可以更多的安排每个因素的水平， 减少试验次数，建立强度和各因素的回归关系，得到显著的回归系数。但不能提 供某一因素的单值变化与试验目标间的对应关系。 人工神经元智能模拟系统方法：对混凝土的组成材料在给定性能要求下予 以掺量估计和性能预测，可以很好的模拟系统，获得更多的信息。 由上述国内外设计方法可以看出，高性能混凝土配合比设计是一个复杂的过 程，没有统一的模板。选择合适的原材料，优化配比参数，或是选择合理的性能 配比参数关系模型，有目的地进行少量的试配，然后由试配结果使关系模型中的 参数具体化，便是高性能混凝土配合比设计的合理途径。通过分析，本论文依据 普通混凝土配合比设计规程( j 四5 5 - 2 0 ) 、高性能混凝土应用技术规程 ( a 把s 2 0 7 ：2 0 0 6 ) 和公路桥涵施工技术规范( m 0 4 1 2 0 0 0 ) 对高性能混凝 土配合比设计指标规定确定基准配合比，保持总胶凝材料、用水量、密度基本不 变，利用类似正交设计方法选取设计参数水灰比、硅灰掺量、矿渣掺量、砂率四 个参数按不同水平进行试验，以混凝土耐久性、2 8 d 立方抗压强度和工作性为考核 第三章c6 0 高性能混凝土配合比优化设计 指标，通过试验结果分析，从中选出至少两组符合设计要求的推荐配合比，通过 验证最终确定混凝土最佳配合比。 3 1 2 高性能混凝配制的技术途径 商性能混凝土配制的基本原理和配制方法要遵循强度原则及耐久性的要求。 混凝土是由各种形状和大小的集料颗粒与水泥浆凝结硬化而成的水泥石所组成 的，可以把它看作是水泥石与粗细集料组成的复合材料。也就是说，混凝土的强 度主要取决于水泥石的强度、集料的强度以及水泥石与集料之间的粘结强度。混 凝土要获得较高的强度及良好的耐久性，应从以下几个方面考虑1 日： 加入适量高效减水剂，降低水胶比 高效减水剂与水泥之间要有较好的相容性，才能保证混凝土有良好的工作性 能，高效减水剂是配制高性能混凝土的必备材料，其减水率达到2 0 以上，掺量 l 以上。水胶比是混凝土强度最重要的影响因素，为了获得高强混凝土，只有水 胶比低，混凝土的孔隙率或渗透性才可能降低，低水胶比是保证混凝土具有良好 耐久性和较高强度的前提条件之一。研究表明，高性能混凝土的水胶比高于0 ，4 5 时，该混凝土在严酷的环境条件下不可能具有良好的耐久性。高性能混凝土的水 胶比通常介于0 3 0 - o 4 0 之间较好【l 刀。 掺入硅灰与矿渣粉两种矿物掺合料改善水泥石中的相组成 水泥水化后所形成的水化产物以c s h 数量最多，也最为重要。c s h 的种 类最多，主要分为两类；即低碱性c s h ( c ，s 1 5 ) 和高碱性c s - h ，前者比后 者强度高得多。但是，水泥石水化后所形成的水化产物是高碱性c s - h ，而且还形 成大量基本上没有强度和体积稳定性很差的游离氧化钙。由这些相组成的水泥石 强度及其他性能指标都不可能增加低碱性c s - h 的含量，并同时消除游离的氧化 钙，其主要方法是在混凝土中掺入硅微粉或铝硅酸盐微粒等一些矿物掺合料，这 些掺合料与游离的氧化钙以及高碱性c s h 产生二次反应，其他性能也得到相应 的改善。这就是通常所说的火山灰效应。此外，研究表明；活性矿物掺合料在水 泥混凝土中还可产生填充效应、增强效应及降低混凝土的渗透性并改善混凝土的 工作性能，同时，可提高混凝土的耐久性。掺入矿物掺合料不但改善水泥石中的 相组成，同时替代了部分水泥用量，在保证设计强度前提下，限制了单方混凝土 中胶凝材料的用量，从而降低了水泥的水化热。可以说矿物复合掺合料应作为配 制高性能混凝土的必需组成成分。 最大堆积密度 系指优化设计的混凝土配合比中集料的级配获得最大堆积密度和最小空隙 率，以便尽可能减少水泥浆的用量，达到降低含砂率，减少水和水泥用量的目的。 保证高性能混凝土的强度满足结构功能要求的前提下，提高了高性能混凝土的抗 第三章c6 0 高性能混凝土配合比优化设计 裂性能和体积稳定性，改善高性能混凝土的耐久性。 选择适宜的配制参数 配制c 6 0 以上的高性能混凝土 优选4 2 5 或更高强度等级的硅酸盐水泥。选用低 水化热及含碱量低的水泥，尽量避免使用早强水泥和高c 业的水泥n 3 1 。混凝土中 总胶凝材料用量一般控制在4 0 0 5 5 0 l ( g m 3 ；水胶比小于0 3 8 ，细集料一般选择具 有圆颗粒外形、光滑表面、细度模数以2 3 3 0 的中砂为佳：粗集料以最大粒径 为1 5 2 5 珊、连续级配、压碎指标较好( 8 1 2 ) 的碎石为宜：采用中砂配制高 性能混凝土的砂率一般控制在3 2 4 2 范围内 3 2c 6 0 高性能混凝土配合比设计中的关键技术 对于高性能混凝土来说，新拌混凝土的工作性及硬化混凝土的强度和耐久性 满足功能要求是其基本要素。依据 普通混凝土配合比设计规程( j g j 5 5 - 2 0 0 0 ) 、 高性能混凝土应用技术规程( a 犯s 2 0 r 7 ：2 0 0 6 ) 和公路桥涵施工技术规范 ( 玎_ 0 4 l - 2 0 0 0 ) ，并充分考虑桥梁箱梁混凝土的特点，对c 高性能混凝土配合 比进行试验研究，提出了桥用c 6 0 高性能混凝土配合比设计的关键技术问题，技 术要求如表3 1 所示。 表3 1桥用c 高性能混凝土的技术要求 t 曲k 3 11 k b n i c a i 嘲血m 础o f c 6 0 ，c 向b r i d g c 混凝土性能技术要求相关指标 初始坍落度( m ) 2 2 0 士2 0 扩展度( m x m )4 5 0 5 5 0 入泵坍落度( m ) l s o 2 0 工作性能 坍落度损失值( m )2 h 内小于4 0 o 号块2 0 - 2 5 舫豉臂段1 5 - 2 0h ， 缓凝时问( h ) 合龙段8 1 0 h 配制强度( m p a )7 2 工期要求，9 0 设计强度( 标 力学性能 5 d 抗压强度o 唧砷 养、同条件) 3d 巧d 舟阮跚弹性模量( 包括同条件下养护的试件) 抗冻性f 1 5 0 长期耐久性 抗渗性p l o 水胶比o 3 3 o 3 8 第三章c6 0 高性能混凝土配台比优化设计 续表3 1 混凝土性能技术要求相关指标 胶凝材料，水泥( k 0 5 5 0 6 0 叫 5 砂率2 8 3 4 长期耐久性 矿物掺和料硅灰掺量5 8 所用集料无潜在碱括性 混凝土总碱量加以控制 标养6 叫收缩值 4 5 0 l 酽m m 带模标养3 d 后自然条件 收缩及徐变 5 5 0 l 酽m m 下6 m 收缩值 5 d ，2 8 d ，9 伽加载龄期的徐变度及徐变系数 注：。号参考a s l m c l 5 7 4 l 矿衄劬。 3 2 1 拌和物工作性 坍落度与扩展度 对于大大流动性泵送混凝土其工作性用坍落度与的坍落度试验的扩展度来描 述。若出搅拌机的混凝土坍落度为t o ，入泵坍落度为入t l ，则仁r 旷t l 称为坍 落度损失。坍落度损失越小越好，一般需控制1 小时坍落度损失率不大于2 0 。 混凝土入泵坍落度与混凝土泵送高度有关，根据混凝土入泵坍落度与坍落度损失， 即可计算出混凝土的初始坍落度即t + t l 。坍落度试验的扩展度指，提起坍落 度筒后，混凝土拌和物自由下落稳定后，量测互相垂直两个方向上的混凝土拌和 物的直径，并观察其保水性和粘聚性情况。 可泵性 可泵性表示混凝土易于泵送而不堵管或分层离析和泌水等性能。高性能混凝 土的高粘聚性，对可泵性影响很大，与普通混凝土的可泵性存在很大差异。可泵 性好的混凝土，不但混凝土原材料应满足要求，而且其相关指标如流动性、粘聚 性、保水性应良好。一般情况下，对于常压泌水小，压力泌水值控制在7 0 - 1 3 0 l 的混凝土具有良好的可泵性 3 2 2 混凝土配制强度 c 高性能混凝土配制强度为7 2 m p a ，根据混凝土结构设计强度要求，c 6 0 混凝土标准养护2 蹦或自然养护6 d 的抗压强度不低于设计强度。混凝土的 抗压强度是结构混凝土最主要的指标，必须达到设计要求混凝土强度等级保证率 不低于9 7 j 。但混凝土抗压强度也不宜超标太多，如超过设计强度太多，该混凝 第三章c6 0 高性能混凝土配合比优化设计 土不仅增加了材料成本，而且还会使混凝土的胶凝材料用量过高，从而降低了混 凝土的耐久性能。 3 2 3 混凝土长期耐久性能 对桥用高性能混凝土配合比设计，从耐久性的角度考虑，该试验将采取以下 措施： 严格控制原材料的质量，选用满足有关标准的优等品原材料，控制集料的 碱活性和水泥、外加剂、混凝土中有效总碱含量和氯离子含量。 采用高效减水剂和优质矿物掺合料以改善混凝土内部结构，提高混凝土的 抗冻性、抗渗性、抗碳化和抗硫酸盐的侵蚀能力。 采用科学合理的配合比参数，如：水灰比、砂率、胶凝材料和集料用量等， 使混凝土满足设计的工作性、力学性能的前提下，保证耐久性有较大的提高和改 善。 胶凝材料 胶凝材料为水泥和掺合料的总量，对高性能混凝土，根据公路桥涵施工技 术规范( 刑0 4 1 2 0 0 0 ) 规定，水泥用量不超过5 k g ，m 3 ，胶凝材料用量不超过 5 5 0k g i n ，。控制用量可减少预引力混凝土的收缩和徐变，降低水化热，避免收缩 裂纹等危害。 优等高效复合型减水荆的品种及掺量 高性能减水剂应具有性能良好、高效减水、改善混凝土孔结构和密实程度外， 还要能控制混凝土的坍落度损失，更好解决混凝土的缓凝、泌水等问题n 9 】。一般 来说，减水剂用于混凝土中主要起以下几个作用：1 ) 改善混凝土的工作性；2 ) 降低水胶比，提高混凝土的强度和耐久性；3 ) 节约水泥用量，减少混凝土的初始 缺陷；4 ) 尤其对于高性能混凝土，掺入高效减水剂对延迟水泥水化时间与加速硬 化后的水化起着调控作用。根据目前市售的品种和经济成本，选用与水泥相容性 良好且满足功能要求的减水剂，其代入混凝土中的碱含量要严格加以控制，其掺 量采用商家推荐的数量且要进行试验验证工作。 活性掺合料与高效减水剂双掺 高性能混凝士配置必须发挥活性掺合料与高效减水剂的超叠加效应，从而达 到减少水泥用量和用水量、密实混凝土内部结构，使混凝土强度持续发展，耐久 性得以改善。 3 3 配制c 6 0 高性能混凝土采取的主要技术路线 高性能混凝土配合比设计是一个复杂的过程，目前国内外还没有统一的标准， 本试验从提高c 6 0 高性能混凝土的强度、工作性和耐久性出发，从选择合适的原 材料、优化配比参数得到体现性能指标的关系模型，再进行验证试验。为配制符 第三章c6 0 高性能混凝土配合比优化设计 合设计和施工要求的c 6 0 高性能混凝土。主要采取以下技术措施： 粗骨料级配优化粗骨料级配是否优良，在很大程度上影响混凝土的工作性 和力学性能。目前，重庆地区生产的粗骨料基本上属于单粒级，难以满足高性能 混凝土的生产要求。为此，本试验设计采用4 7 5 9 5 衄与9 5 1 9 衄石灰岩碎 石搭配，经试验确定理想的搭配比例，使骨料达到最大紧密堆积。 混凝土最佳砂率的确定砂率是影响混凝土工作性能的重要指标之一，高 强混凝土( c 5 0 ) 常用砂率在2 8 3 2 之间，但从泵送混凝土的角度考虑，砂率 过小，将导致混凝土的流变参数1 1 降低，混凝土的可泵性较差。工程实践表明， s p 4 0 对混凝土的泵送较有利在一般情况下，s p 的变化对混凝土强度无明显 影响，较大s p 还有利于减少粗集料界面上c a ( o h ) 2 的富集，这对提高混凝土强 度的稳定性有利经试验砂率控制在4 0 9 6 4 5 之间较理想。 水胶比的控制水胶比是配制高性能混凝土的重要参数，本次水胶比的控 制范围主要参考普通混凝土配合比设计规程j a 5