（材料学专业论文）巴东长江大桥主梁c60高性能混凝土的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 巴东长江大桥是我国西部大开发战略的一项重要工程。该桥全长9 0 0 6 米， 桥面宽1 9 米，主跨为3 8 8 米的双塔双索面预应力混凝土漂浮体系斜拉桥。主梁 混凝土设计为c 6 0 泵送混凝土，采用8 米挂篮悬浇工艺施工，混凝土技术要求 很高：不仅坍落度损失要小、易于泵送，而且还要具有较长的缓凝时间，以保证 一个梁段一次浇筑完成；有较高的早期强度，可在3 至4 天内进行预应力张拉， 以缩短节段悬浇周期；有较好的体积稳定性，以避免梁体产生有害变形和开裂。 本文按照高性能混凝土的配制技术和设计理念，优选了主梁c 6 0 混凝土的 组成材料。以混凝土的工作性和强度特别是早期强度为设计依据，通过胶凝材料 用量、粉煤灰掺量、水胶比和砂率的优化，确定了兼具缓凝、早强、高强、易泵 的主梁混凝土配合比。该混凝土配合比设计参数为：胶凝材料用量5 3 5 k g m 3 ， 粉煤灰掺量1 4 ，外加剂掺量1 1 ，水胶比0 - 3 l ，砂率3 7 5 ，其特点是采用 优质粉煤灰与缓凝高效减水保塑剂双掺技术，低水胶比，适当提高胶凝材料用量。 主梁混凝土达到的主要技术指标为：初凝时间2 0 h 以上，初始坍落度2 1 5 m m ， 经时3 0 r a i n 、6 0 r a i n 后的坍落度为2 1 5 m m 、2 0 0 m m ，3 d 抗压强度达到设计强度 的8 0 ( 即4 8 m p a ) 以上，满足3 d 张拉要求，后、长期强度显著增长，2 8 d 强 度达到7 0 m p a ，9 0 d 强度达到8 5 m p a 以上。施工采用的混凝土配合比经实验室 变形性能、耐久性能测定，结果表明：由于混凝土的低水胶比以及掺用了粉煤灰， 其干缩值、徐变度均较小，氯离子扩散系数小于3 0 1 0 。8 c m 2 s ，抗冻等级超过 f 3 0 0 ，符合高性能混凝土耐久性指标要求，且所用粗骨料经碱硅酸反应和经碱碳 酸盐反应活性测定，不具有潜在碱活性。同时，通过m i p 测试，进一步探讨了 该混凝土高性能化的内在机制。另外，本文结合实际工程，通过优化施工工艺、 加强施工控制等措施，很好地保证了混凝土在长距离输送、高泵程施工条件下的 顺利浇筑。工程实践表明，该主梁混凝土符合设计、施工要求。经评定，主梁质 量优良，未出现有害裂缝。 关键词：巴东长江大桥高强高性能混凝土配合比设计耐久性 墓坚堡三奎兰璺主堂垡堡奎 a b s t r a c t b a d o n gy a n g t z er i v e rb r i d g ei sak e yp r o j e c tf o rd e v e l o p m e n to fw e s t e r nc h i n a i ti sac a b l e s t a y e db r i d g ew i mf l o a ts y s t e mo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t ea n dw i mt w i n t o w e r sa n dd o u b l ec a b l e s t h et o t a ll e n g t ho ft h eb r i d g ei s9 0 0 6m e t e r s ，t h ew i d t hi s 19m e t e r s ，a n dt h em a i n s p a n i s3 8 8m e t e r s t h em a i n g i r d e ri sd e s i g n e dt oa p p l yc 6 0 p u m p a b l eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ew i t hs e tr e t a r d i n g ，h i g he a r l ys t r e n g t ha n dg o o d v o l u m es t a b i l i t yt oa v o i dc r a c k i n ga n dm e e tt h et i m er e q u i r e m e n tf o rt h ep r o j e c t a c c o r d i n gt or a wm a t e r i a l ss p e c i f i c a t i o n sf o r l i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e c o m p o s e d m a t e r i a l so fc 6 0c o n c r e t ef o rm a i ng i r d e ra r eo p t i m i z e d t om e e tt h er e q u i r e m e n t so f w o r k a b i l i t ya n dh i g he a r l ys t r e n g t ho f t h ec o n c r e t e ，t h em i xp r o p o r t i o no f t h ec o n c r e t e f o rm a i n g i r d e ri sd e s i g n e dw i t hs e tr e t a r d i n g ，h i g hp u m p a b i l i t y , h i g he a r l ys v e n g t hi n l o ww a t e r b i n d e rr a t i ot h r o u g ho p t i m i z a t i o no fq u a n t i t i e so fb i n d e ra n df l y a s h ，a n d o p t i m i z a t i o no f w a t e r b i n d e rr a t i oa n ds a n dr a t i o t h ep a r a m e t e ro f t h em i xp r o p o r t i o n i sa sf o l l o w s ：b i n d e ri n c l u d i n g1 4 w to ff l y a s hi s5 3 5k g m 3 ，w a t e r b i n d e rr a t i oi s 0 3 1 ，s a n dr a t i oi s3 7 5 ，a n dd o s a g eo f r e t a r d i n gs u p e r p l a s t i c i z e ri s1 1 w tt ob i n d e r m a i ns p e c i f i c a t i o n so ft h ec o n c r e t ea r ea sf o l l o w s ：t h ei n i t i a ls e t t i n gt i m ee x c e e d s2 0 h o u r s ，t h ei n i t i a l s h t m pi s 2 1 5 r a ma n dt h e s l u m pb e c o m e s2 1 5 m ma n d2 0 0 m m r e s p e c t i v e l ya f t e r3 0 m i n a n d6 0 r a i n ，a n dc o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f 3 dr e a c h8 0 o f t h e d e s i g n e ds t r e n g t ha n dt h es t r e n g t ho f9 0 de x c e e d s8 5 m p a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s h r i n k a g ea n dc r e e po f t h ec o n s t r u c t i o nc o n c r e t ea r ef a i rs m a l l ，t h ec h l o r i d ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n ti s 3 4 5 m p a ，或 2 8 d 兰6 8 9 m p a 。该定义偏重于早强，定义了一个特定的高性能混凝土，缺乏普遍 适用性。用于桥梁尤其是大跨度桥梁的高性能混凝土应满足：水胶比 4 1 4 m p a ；徐变率低。 尽管国内外对高性能混凝土已经开展了较为广泛的研究，但是对高性能混凝 土，各个国家不同人群有不同的理解，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解瞄j 。 一般说来，高性能混凝土是指高强、高耐久性、高工作性。一些美国学者i lo j 更 强调高强度和尺寸稳定性( 北美型) ，欧洲学者更注重耐久性( 欧洲型) ，而日本 学者偏重于高工作性( 日本型) ，这可能由于日本更重视混凝土振捣工艺对工人 听力的不利作用，而推广不需振捣的自密实混凝土。在我国，对高性能混凝土的 含义也有争论，冯乃谦教授在其1 9 9 6 年出版的高性能混凝土一1 著作中开宗 明义地指出了：高性能混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利， 同时他认为高性能混凝土发展的物质基础是现在有了好的掺合料和减水剂，因此 高性能混凝土必须掺掺合料。冯乃谦教授的这些观点代表了当时我国大多数混凝 4 武汉理工大学硕士学位论文 士学者对高性能混凝土的认识。吴中伟院士针对当时科研界过度追求高强度的趋 势，及时提出“有人认为高耐久性必须高强度，这是不全面的，因为高强混凝土 会带来不利于耐久性的因素”。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如 c 3 0 混凝土。吴中伟院士高度重视耐久性，并早在1 9 8 6 年就提出高强未必一定 高耐久，低强也不一定就不耐久的观点是非常有前瞻性的，而且今天他的这个观 点也是非常正确的。 结合我国推广应用高性能混凝土十几年的情况，2 0 0 3 年廉慧珍教授专门撰 文反思了对高性能混凝土理解存在的若干误区，造成对高性能混凝土使用的 盲目和混乱，她对高性能混凝土的理解为，“高性能混凝土不是混凝土的一个品 种，而是达到工程结构耐久性的质量要求和目标，是满足不同工程要求的性能和 具有匀质性的混凝土。高强不一定耐久，高流动性也不是任何工程都需要的，也 不是只要有掺合料就能高性能：混凝土的质量不是实验室配出来的，而是优选配 合比的混凝土由生产、设计、施工和管理人员在结构中实现的，开裂的就不是高 性能混凝土，除了特殊结构( 如l 临时性结构) 外，没有什么混凝土结构不需要耐 久。针对不同工程的特点和需要，对混凝土结构进行满足具体要求的性能和耐久 性设计，比笼统强调高性能混凝土的名词要更科学”。在这里，高性能混凝土强 调的是混凝土的性能或者质量、状态、水平，或者说是一种质量目标，对不同 的工程，高性能混凝土有不同的强调重点( 即特殊性能组合) 。 1 2 3 高性能混凝土在桥梁中应用的现状 e t 本明石跨海悬索桥 1 4 , 1 5 , 1 6 总长3 9 1 0 m ，主跨距1 9 9 0 m 。耐久性设计要求1 0 0 年，大体积水下浇筑高强缆索锚基混凝土5 2 万m 3 ，要求高耐久性、高流动性、 高体积稳定性与低温升，9 1 d 圆柱体标准强度5 0 m p a ( 2 8 d 约4 2 m p a ) 。混凝土 配合比参数如下：水胶比o 3 3 ：胶凝材料用量4 3 0 k g m 3 ，其中粉煤灰掺量2 0 ， 矿渣粉掺量4 0 ，水泥为硅酸盐水泥；砂率4 5 ；复合外加剂：高性能引 气型减水剂、超塑化剂和引气剂。 美国佛罗里达州日照天路桥【1 7 , 1 8 ( s u n s h i n es k y w a yb r i d g e ) 全长6 6 7 2 m ，主桥 1 2 2 0 m ，主跨为1 6 5 + 3 6 6 + 1 6 5 ( m ) 斜拉桥，旧桥于1 9 8 0 年为海船撞沉，于1 9 8 3 1 9 8 7 年重建。因位于坦巴湾( t a m p ab a y ) ，为防止海水腐蚀，规定上下部结构混 凝土均掺用粉煤灰。其中基础封底及钻孔灌注桩，用粉煤灰替换5 0 水泥，其余 替换2 0 水泥，水胶比基础部分用o 4 4 ，其余大部分用o 4 1 ，少数构件要求水胶 比为o 3 5 。混凝土强度要求为3 8 m p a 。 美国联邦公路管理局( f h w a ) 于1 9 9 3 年开始了推广h p c 的示范工程，为 1 2 个州的1 5 座示范桥梁提供了资金，得到各州的积极响应，取得了良好的技术 武汉理工大学硕士学位论文 经济效果。实践证明h p c 的抗裂性比常规混凝土好，氯离子渗透性及腐蚀大幅 度降低，既提高了耐久性，同时也提高了强度，从而可以减少纵梁的根数或加大 跨度。良好的技术经济效果使得推广h p c 的信心和热情迅速提高。华盛顿州宣 布自1 9 9 6 年起新建桥梁必须采用h p c 。 沙特阿拉伯一巴林高速公路的跨河大桥 1 9 , 2 0 , 2 t 1 ，上部结构为预应力混凝土箱 梁，总长1 25 k m ，混凝土量3 5 万m 3 ，设计寿命1 5 0 年。海湾地区气候炎热干 燥、夜晚又易结露，钢筋极易锈蚀，为保证耐久性，采用o 3 8 低水胶比的大掺 量( 6 5 ) 磨细矿渣混凝土。1 0 年后检验，整座结构除有3 条热裂细缝外，均完好 如初。 挪威是欧洲开展高强度、高性能混凝土研究较早的国家，结合北海采油平台 的建设，挪威皇家科技研究院的科学与工业研究基金：( s i n t e f ) 从1 9 8 6 年至1 9 9 3 年，持续资助高强度混凝土材料和结构的研究。早在2 0 世纪9 0 年代初期，挪 威运输部就已规定桥梁混凝土必须掺粉煤灰或硅灰，水胶比不能大于o 4 。挪威 在1 9 9 2 年建成通车的主跨5 3 0 m 的s k a m s u n d e t 预应力h p c 斜拉桥，1 9 9 9 年建 成通车的主跨3 0 1 1 t i 的s t o l m a 预应力h p c 连续钢构桥都是目前世界上同类桥梁 中跨度最大的。 我国自2 0 世纪7 0 年代起开始发展高强与高流动混凝土。1 9 8 0 年前后，铁路 部门在湘桂铁路复线红水河斜拉桥1 2 2 】的三跨( 4 8 m + 9 6 m + 4 8 m ) 预应力箱形梁中用 了坍落度为1 0 1 4 c m 、实际强度等级超过c 6 0 的高强混凝土，这也是国内第一 个采用泵送混凝土的工程。由于技术经济政策问题以及缺乏相应的设计彪工条 例，也由于我国不少工地的施工管理水准过于落后，高强混凝土的推广在以后几 年中直较为迟缓。2 0 世纪9 0 年代以后，建成的一些著名桥梁多采用高强或高 性能混凝土【2 3 ，2 4 1 ，如1 9 9 1 年建成的钱塘江二桥和福建厦门大桥都是预应力连续 桥梁，采用c 5 0 混凝土；黄石长江公路大桥，是一座连续钢构桥，主孔达到2 4 5 m ， 用c 5 5 混凝土；】9 9 3 年建成的上海杨浦大桥索塔采用c 5 0 掺粉煤灰的泵送混凝 土；1 9 9 5 年建成的武汉长江二桥主梁采用设计强度5 5 m p a 的泵送混凝土；汕头 海湾大桥主梁采用c 6 0 混凝土；1 9 9 7 年建成的万县长江大桥( 拱桥) ，拱圈为钢 管混凝土一混凝土复合结构，芯部和外包混凝土均为c 6 0 高强泵送混凝土。大佛 寺长江大桥采用超缓凝、高早强的c 6 0 泵送高性能混凝土，胶凝材料用量 4 8 5 k g m 3 ，其中掺硅粉7 ，水胶比o 3 3 ，砂率4 0 ；南京长江二桥【2 5 】索塔、箱 梁采用c 5 0 粉煤灰泵送混凝土；2 0 0 1 年建成的洞庭湖大桥斜拉桥主梁采用c 6 0 泵送高性能混凝土，胶凝材料用量5 0 0 k g m 3 ，其中掺硅粉8 ，水胶比o 3 3 ，砂 率4 2 ；2 0 0 2 年建成的荆州长江公路大桥主梁1 2 6 0 泵送高性能混凝土，胶凝材 料用量5 0 0 k m 3 ，掺矿渣1 4 ，水胶比o 3 3 ，砂率3 7 。 武汉理 _ 大学硕士学位论文 1 3 配制高性能混凝土的技术路线 配制商性能混凝土的技术路线并不十分复杂，但它要求的综台技术指标却不 容易达到。目前国际上普遍采用的技术路线是删：低水胶比，高效外加剂( 减水剂) 和矿物掺合料的复合技术。采用这一技术路线的目的是为使混凝土在保证良好飚 工性能条件下尽可能降低水胶比，来最大限度地减少水泥石中毛细孔隙，并改善 混凝土中骨料与水泥间的界面层结构。高效减水剂降低水胶比的作用 分明显， 同时能增加混凝土坍落度改善和易性。如果能控制坍落度损失，就可以满足高性 能混凝土要求。矿物掺合料的主要作用是提高耐久性、体积稳定性，提高后期强 度，降低水化热，有时还有改善混凝土拌和物和易性，减少泌水、离析现象，提 高混凝土抗酸碱腐蚀和防止碱骨料反应的能力。因此，目前矿物掺合料已被作为 混凝土巾除砂、石、水泥、水、外加剂以外的第六组分，也有称为矿物外加剂或 辅助胶凝材料的说法。 高性能混凝土的配制是一项综合技术。它与传统的高强混凝土所不同的在于 没计理念上的不同。传统的设计理念是满足承载力及强度，而高性能混凝土把结 构物的耐久性作为一个重要技术指标，并在设计与配制中满足混凝土各阶段的不 同性能要求。高性能混凝土特别强调了耐久性问题，不但要考虑强度，而且要与 严酷使用环境下的耐久性结合起来，即将荷载、强度与使用寿命共同考虑。 在具体的配制方法中除了骨料一砂、石有严格的要求外，必须使水胶比降到 足够的低，同时又必须保证新拌混凝土有很好的工作性，便于施工浇筑。这一点 就必须有高性能外加剂来保证。 要提高混凝土使用的耐久性，光靠提高强度是不够的。众所周知，混凝土的 破坏主要是由于产生裂缝而造成的，高性能混凝土必须设计成具备高度的体积稳 定性。为减少混凝土由于温度收缩和干缩造成的裂缝，必须限制混凝土的水泥用 量，控制水泥水化过程中的放热速率。因此，高性能混凝土中要大量的掺用矿物 掺合料。 1 4 高性能混凝土的配制方法 1 4 1 高性能混凝土原材料的正确选用 高性能混凝土使用和普通混凝土基本相同的原材料( 即水泥、水、砂、石) ， 但普通混凝土高性能化必须使用外加剂和矿物掺合料。原材料对于普通混凝土的 影h 向并不显著，但对高性能混凝土就可能产生显著的影响，因此高性能混凝土所 用原材料又和普通混凝土有所不同。 1 ) 水泥的选取 武汉理工大学硕士学位论文 对于普通混凝土来说，使用旋窑水泥时，只要考虑水泥的强度。高性能混凝 土所用水胶比很低，要满足施工工作性的要求，水泥用量就要大。但为了尽量降 低混凝土的内部温升和减小收缩，又应当尽量降低水泥的用量。同时，为了使混 凝土有足够的弹性模量和体积稳定性，对胶凝材料总量也要加以限制。因此高性 能混凝f ：的水泥的流变性能比强度更重要。高性能混凝土所用水泥最好是强度高 且同时具有良好的流变性能，并与目前大宗使用的高效减水剂有很好的相容性。 因此高性能混凝土所选用水泥应具有较低的c 3 a 含量、适中比表面积、良好的 颗粒形貌、较低碱含量以及较低水化热 2 。 2 ) 减水剂的应用 上世纪7 0 年代混凝土外加剂的出现，特别是具有高分散性、高分散维持性 的高效减水剂的出现，使普通混凝土高性能化成为可能。外加剂的应用可以提高 水泥混凝土的施工性能，而且节约了水泥，降低混凝土总的水化热，减少了混凝 土的温度应力，降低了混凝土开裂的可能。因此高效减水剂已成为高性能混凝土 必不可少的组分1 2 7 1 。 3 ) 骨料的选择 骨料在混凝土中约占7 0 左右，是混凝土的主要组成部分【”j 。在混凝土中， 骨料具有重要的技术和经济作用。正确的选择骨料的品种，符合有关技术标准的 要求，是配制高性能混凝土的基础。 粗集料的选择：对于c 5 0 c 8 0 的高性能混凝土，碎石本身的强度与碎石的 粒径、粒形、表面状况、级配以及软弱颗粒和石粉含量等因索相比较就显得并不 是非常重要了。因为后面的这些因素既影响混凝土的强度，又影响新拌混凝土的 工作性。因此，理想的碎石是清洁的、颗粒尽量接近等径状、针片状颗粒尽量少、 不含能与碱反应的活性组分。 与普通混凝土相比，高强混凝土的强度对界面更敏感。用小粒径石子时，水 泥浆体和单个石子的界面过渡层周长和厚度都小，难形成大的缺陷。有利于界面 强度的提高。同时，粒径越小，石子本身缺陷的几率越小。且混凝土中的界面结 合得不好时，对抗渗性的影响也不利。因此，基于增强界面的要求和碎石匀质性 的考虑，高强混凝土应使用最大粒径较小的石子。 目前我国大部分石子的生产都采用颚式破碎机。当破碎强度较高的岩石时， 产生的针、片状颗粒就多，而且破碎的颗粒越小，针、片状颗粒越多。但对于高 强泵送混凝土，应该选择最大粒径适中、级配良好、粒形好的碎石。因为混凝土 骨料的粒形直接影响着新拌混凝土的工作性能，并且适当的粒径分布可达到良好 的填充状态，降低空隙率，或在相同的水泥浆量下，混凝土流动性可以提高。降 低成本，降低收缩值。 武汉理工大学硕士学位论文 我国水泥原材料的含碱量普遍较大，已有不少地区发现由碱一集料反应产生 的混凝土破坏实例。尽管有关部门已制定了相应规定，来限制水泥中的碱含量和 由外加剂的掺入而引入混凝土中的碱量，而且高性能混凝土中使用较大量的矿物 细掺料对碱一集料反应有一定的抑制作用，但由于某些原因使矿物细掺料的掺量 达不到抑制作用的掺量，而混凝土中的碱含量又难以控制时，最好还是选择没有 或尽量低碱活性的碎石。 细集料的选择：高强混凝土一般要有中粗砂，尤其当石子级配较差时，砂子 以偏粗为好。并且应严格控制砂中云母含量和泥含量。在选择砂时最好选择级配 良好的中粗砂，最好的砂要求0 6 3 m m 筛的累计筛余大于7 0 ，0 3 1 5 m m 筛的 累计筛余为8 5 9 5 ，而且0 1 5 m m 筛的累计筛余大于9 8 。 4 ) 用矿物掺合料改善混凝土的工作性和耐久性 在配制混凝土时加入较大量矿物细掺料，可降低温升，改善工作性，增进后 期强度，并可以改善混凝土的内部结构，提高抗腐蚀能力。尤其是矿物细掺料对 碱一集料反应具有一定的抑制作用，因此，矿物掺合料已成为高性能混凝土不可 缺少的组分悼j 。 改善新拌混凝土的工作性和抹面的质量 混凝土提高工作性后很容易引起离析和泌水，使新拌混凝土体积不稳定。掺 入矿物细掺料的高性能混凝土则有很好的粘聚性。需水量小的细掺料还可以进一 步降低混凝土的水胶比而保持良好的工作性 可降低混凝土的绝热温升 水泥水化是放热反应，且混凝土类似于绝热体，会因水泥的水化放热而使混 凝土内部温度上升。同时，混凝土外部散热较快时，就可能造成内外温差而产生 温差应力，引起混凝土开裂。进而影响混凝土的耐久性。掺加矿物细掺料，可以 降低水泥熟料的相应含量，水泥水化总热量就可以减少，从而降低混凝土的温升。 增进混凝土的后期强度 掺加矿物细掺料时，混凝士的早期强度随掺量的增加而降低，但后期强度会 有较大幅度的增长。例如：粉煤灰对混凝土强度的贡献随龄期的增加而增加，随 水胶比的降低而增加。有研究表明，粉煤灰对强度的贡献与水胶比的关系比水泥 对强度的贡献与水胶比的关系还要敏感【2 8 j 。 提高混凝土抗化学侵蚀的能力，增强耐久性 当硅酸盐水泥混凝土处在有侵蚀性介质的环境中时，侵蚀性介质会与水泥石 中水化生成的c a ( o h ) 2 和c 3 a 水化物反应，逐渐使混凝土破坏。在混凝土中掺 入矿物细掺料后 2 9 1 ，一方面，由于减少了水泥的用量，也就减少了受腐蚀的内 部因素；另一方面，矿物细掺料的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时，会成为大 9 武汉理工大学硕士学位论文 量水化物沉积的核心，随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及其水化反应产物填 充水泥石孔隙，改善混凝土的孔结构，逐渐降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介 质浸入。因此，掺入矿物掺合料可提高混凝土的耐久性。研究表明，粉煤灰掺量 只要超过2 0 ，它对水泥中过量的s 0 3 所引起的膨胀就有抑制作用，龄期越长 其作用越明显。当混凝土中使用含s i 0 2 的集料时，矿物细掺料对碱一集料反应 也有抑制作用。一般认为，矿物细掺料的有效掺量，粉煤灰为3 0 ，矿渣为4 0 ，硅灰为l o 。 1 4 2 高性能混凝土配合比的设计法则 传统的混凝土配合比设计仅考虑安全性、工作性和经济性，以强度为核心， 而对耐久性要求仅限制最大水灰比和最小水泥用量，混凝土组成材料要求不高， 对混凝土配合比设计参数考虑不全面，因而较难设计出高耐久性的混凝土。高性 能混凝土的组分较为复杂，还必须考虑减水剂的作用以及减水剂与胶凝材料的相 容性问题，所以用普通混凝土的配合比设计方法，仅根据强度与水灰比的关系进 行设计是不合适的。高性能混凝土配合比设计现尚无通行的，被广泛接受的方法。 它的配合比只能参考有关资料或经验，通过仔细的试配并反复修改后确定。混凝 土是一种地方性很强的材料，最优的配合比应根据施工要求的拌和物工作性和结 构设计所需的强度，充分考虑施工运输和环境温度等条件并结合本地区的原材料 特点而定，不可能有统一的配方。高性能混凝土配合比应有利于减少温度收缩、 干燥收缩、自生体积变形，避免早期开裂。对处于有侵蚀作用介质环境的结构物， 所用高性能混凝土配合比应考虑耐久性的要求1 9 削。 高耐久性混凝土首要条件是抗裂性好和体积稳定高，其特点是低渗透性、无 龟裂和长期强度缓慢持续增长【3 0 】。以耐久性为主的h p c 配合比设计应综合采用 如下法则： 1 ) 低用水量法则：系指在满足工作性情况下尽量减少用水量，这是提高混 凝土抗渗透性的一条重要措施。 2 ) 低水泥用量法则：系指在满足混凝土工作性和强度前提下尽量减少水泥 用量，这是提高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。 3 ) 最大堆积密度法则：系指优化混凝土中骨料的级配设计，获取最大堆积 密度和最小空隙率，以便尽可能减少水泥浆的用量，达到降低砂率，减少水泥用 量和用水量之目的。 4 ) 水灰比法则：在一定范围内减小水灰比，混凝土强度和体积稳定性提高， 但为保证混凝土的抗裂性能，水灰比应适当，不宜过小，过小的水灰比易导致混 凝土自收缩增大。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 活性掺合料与高效减水剂双掺法则：h p c 的配制必须充分发挥活性掺合 料与高效减水剂的“超叠加”效应，从而达到减小水泥用量和用水量、密实混凝土 内部结构，使混凝土强度持续稳定地发展，耐久性得以改善的目的，从而使混凝 土具有低渗透成为可能。 1 4 3 高性能混凝土配合比的设计参数 高性能混凝土的强度主要通过不同用水量以及选取不同品种和掺量的矿物 掺合料进行调节。通常c 9 0 以上的混凝土以掺有硅粉的复合矿物掺合料为主； c 7 0 c 9 0 混凝土以掺超细矿渣粉为主；c 5 0 c 7 0 混凝土以掺优质粉煤灰为主。 高性能混凝土的水胶比多小于0 4 ，并随强度等级的提高而降低，如果强度要求 不是很高，宣适当增大水胶比，但不应超过o 4 5 。在降低水胶比的同时，必须限 制硅酸盐水泥用量，不足的粉体量用矿物掺合料补充。配制c 5 0 和c 6 0 混凝土 所用的水泥用量( 换算为硅酸盐水泥用量) 不宜大于4 5 0 k g m 3 ，水泥与掺合料 的胶材总量不宜大于5 5 0 k g m 3 ：配制c 7 0 和c 9 0 混凝土所用水泥用量不宜大于 5 0 0 k g m 3 ，水泥与掺合料的胶材总量不宜大于6 0 0k g m 3 。粉煤灰掺量不宜大于 胶材总量的3 0 ，磨细矿渣不宣大于5 0 ，天然沸石粉不宜大于1 0 ，硅粉不 宜大于1 0 。宜使用复合掺合料，其掺量不宜大于胶材总量的5 0 。 高性能混凝土试配时可以先假定胶凝材料用量，水胶比和砂率，用绝对体积 法或容重法计算出砂、石数量。胶凝材料中的各种组分由经验确定。如拌和物工 作性不能满足要求，可适当调整高效减水剂用量和用水量；改变砂率和掺合料掺 量也能影响拌和物的工作性。 高性能混凝土的砂率宜为2 8 3 4 ，当采用泵送工艺时，可为3 4 4 4 。 配制高性能混凝土所用高效减水剂的品种和掺量，应通过与水泥的相容性试 验选定。高效减水剂的掺量宜为胶材总量的0 4 1 5 。为提高拌和物的工作性 和减少混凝土坍落度在运输、浇注过程中的损失，可采用复合缓凝高效减水剂、 载体流化剂，或滞水后掺、多次添加等方法。 1 5 主要研究内容 按高性能混凝土的设计理念，针对巴东大桥主梁设计要求高和施工困难的特 点，本文将对高性能混凝土原材料的选择、配合比优化设计、体积稳定性和耐久 性进行深入系统的研究。 1 ) 按高性能混凝土原材料技术要求，优选c 6 0 高性能混凝土组成材料 新型高效减水保塑剂的优化选择； 优选矿物掺合料( 对比粉煤灰和矿粉对混凝土技术经济影响的基础上) ； 武汉理工大学硕士学1 ：| ) ：论文 调研和比较，确定粗、细集料。 2 ) 按照高强高性能混凝土配制技术和主梁混凝土浇筑的技术要求，配制 c 6 0 高胜能混凝士 c 6 0 高性能混凝土的配合比计算； c 6 0 高性能混凝土配合比的优化。 3 ) 为避免大桥主梁产生有害的梁体变形和开裂，对高性能混凝土体积稳定 性进行测试 对比研究粉煤灰和矿粉对高性能混凝土弹性模量的影响； 对比研究粉煤灰和矿粉对高性能混凝土干燥收缩和徐变的影响。 4 ) 为了确保大桥的长期稳定运行，对高性能混凝土进行耐久性评价 对高性能混凝土的粗集料进行碱骨料反应测试： 测试高性能混凝土抗氯离子渗透性能； 测试高性能混凝土抗冻融循环性能。 采用m i p 微观分析方法，进一步分析混凝土耐久性提高的内在机制。 5 ) 制定严格的主粱混凝土施工的质量控制程序，确保主粱混凝土的浇筑质量 通过稳定原材料品质，严格按配合比计量，浇筑前通过试拌及时发现问题并 进行分析、调整控制混凝土出口坍落度和入泵坍落度等措施，保证混凝土在长输 送距离、高泵程施工条件下顺利施工。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章主梁c 6 0 高性能混凝土的配制 2 1 主梁c 6 0 高性能混凝土的设计要求 目前国内一些桥梁工程己提出其安全使用寿命为1 0 0 年，巴东长江大桥设计 使用年限约7 5 l o o 年，根据结构设计，其主梁混凝土设计为c 6 0 高性能混凝 土而言，应达到如下技术要求： 1 ) 高强度 由于混凝土的抗压强度与原材料的材料组成、质量的变化、设计误差、搅拌 运输以及实验误差等许多方面因素有关，离散性大。为保证混凝土的强度达到设 计要求，按混凝土配合比有关规范计算，混凝土的配制强度应为设计强度的1 1 5 倍，即为6 9 m p a 。 2 ) 优良的工作性能 根据现场施工的地理条件，混凝土泵站只能设在山腰儿，采用泵送技术，垂 直高差1 2 0 米，输送斜距1 7 0 米，斜角4 5 度7 5 度，但泵送难度大，要保证泵 送不发生离析和堵管，影响正常的施工进度，要求混凝土具有很好流动性、粘聚 性和可泵性，具体技术指标为：初凝时间2 0 小时以上，初始坍落度2 0 0 2 2 0 m m ， 扩展度5 0 0 m m ，6 0 m i n 后坍落度不小于1 6 0 m m 。 3 ) 缓凝、早强 为避免坍落度损失，满足混凝土混合料的输送、振捣要求，混凝土必须保持 在9 0 m i n 内基本无坍落度损失，且在初凝时间为1 5 - - - 2 0 小时的条件下，3 天强度 达到4 8 0m p a ( 即达到设计强度的8 0 ) 。较长的初凝时间以保证一个节段梁一 次连续浇筑完成。高的早期强度是为了3 叫天内可进行预应力张拉，从而满足施 工工期的要求。缓凝与早强是一对需要在配合比设计过程中重点解决的矛盾。 4 ) 较低的绝热温升值 巴东长江大桥桥型布置为简支t 型梁( 4 x 4 0 ) 米，浇筑混凝土的体积较大。 由于混凝土的热传导性能较差，混凝土在浇筑、硬化过程中，水泥水化热引起的 混凝土温度升高很难在短时间内将大量热量散发，其内部的非线性温度场限制混 凝土在降温阶段的自由收缩，产生拉应力，这种拉应力可能将由表面的裂缝发展 成深层裂缝或贯穿裂缝。因此主梁c 6 0 高性能混凝土应控制绝热温升与内外温差。 5 ) 体积稳定性好 为确保大桥安全稳定运行，其主梁c 6 0 高性能混凝土必须有优良的体积稳 武汉理工大学硕士学位论文 定性，如弹性模量高、徐变低、收缩小、温度应变小，以保证梁的体积稳定性， 避免梁体产生变形和开裂。 6 ) 优良的耐久性 该混凝土的耐久性包括以下几个方面： 抗渗性：混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力渗水的能力，它是混凝土 耐久性的一个重要指标。混凝土强度等级越高，其内部结构越致密，抗渗性越好。 且混凝土结构致密，可以降低氯离子的渗透能力，有效保护钢筋，阻止钢筋锈蚀， 提高混凝土的耐久性。同时，集料最大粒径越大，抗渗性越差，水灰比大于o 5 时，混凝土的抗渗性急剧下降。 抗冻性：抗冻性是指混凝土在水饱和状态下经受3 0 0 次冻融循环作用而 不破坏。同时也不产生严重强度降低的性能。 抗碱一集料反应：水泥石中的碱和粗细集料中的活性s i 0 2 发生反应，生 成碱硅凝胶并吸水产生膨胀。当膨胀力超过混凝土的抗拉强度，将导致混凝土大 面积开裂，以致结构破坏，为防止碱集料反应发生，需要控制集料中的碱活性 组分的含量，控制水泥中碱的含量。同时，活性掺合料的加入也是减缓这种有害 反应的有效途径。 2 2 原材料和试验方法 2 2 1 原材料 巴东地处鄂西北，资源较短缺，工业欠发达。本地没有大型水泥厂，当地生 产的碎石针片状颗粒含量超标，就连河砂也需从最近的岳阳购进，磨细矿渣与优 质粉煤灰更是无从谈起。因此，为解决大桥工程c 6 0 高性能混凝土所需碎石、 外加剂、粉煤灰等物资的供应，分别对宜昌、武汉、荆门、荆卅f 等地的材料生产 厂家进行了实地考察，并结合高性混凝土对原材料的技术要求，初步选定如下原 材料： 1 ) 水泥 采用大厂旋窑生产的普通硅酸盐水泥，初步选定为葛州坝水泥厂生产的“三 峡”p - 05 2 5 和华新水泥厂生产的“堡垒”p o5 2 5 。水泥的各项性能指标见表2 1 2 5 ，结果表明，华新水泥厂“堡垒”p 05 2 5 和葛洲坝水泥厂“三峡”p 05 2 5 的各 项性能指标均符合国家标准。 1 4 塑堡堡三查堂堡主兰垡堡塞 表2 1 水泥的化学成分( ) j 塑型! 堕 丛旦j堕旦! 曼鲤坚g 望! q ! g b l 7 5 1 9 9 9 标准1 50 茎5 0曼35 “三峡”水泥1 8 522 6 45 3 2 3 4 66 0 8 93 5 621 0 ：堡垒：查塑! ：! ! ! ! ：! ! ：堑 ! ：! ! ! ：! ! ：! ! ：! ! 表2 2 水泥的矿物组成( ) 名称 c 2 sc 3 sc 3 ac 4 a f “三峡”水泥2 9 0 54 2 9 6 83 21 0 5 2 “堡垒”水泥2 9 5 84 0 ，6 2 l o 4 29 1 5 室! ：! 坐鎏塑塑星：生墨亘翌墨塾廛坌查 名称 密度细度 比表面积 塾鏖坌塑! 型 ! 型! 墨= !( 塑! ( i n 2 k g ) 6 0 9 g b l 7 5 1 9 9 9 标准 兰1 03 0 0， “二峡”水泥3 1 91 03 9 63 0 7 2 2 7 7 51 9 2 31 8 0 64 2 4 “堡垒”水泥3 1 71 14 0 83 1 5 22 8 1 31 82 4 1 6 6 55 8 2 表2 - 4 水泥的物理陛能 g b l 7 5 1 9 9 9 标准 o 7 51 1 0 合格 4 0兰7 - o 2 3 5 2 5 “三峡”水泥2 6 2 02 ：0 02 ：4 5 合格6 07 53 2 66 3 1 ：堡竺：查堡堑：! ! ：! ! ：! !盒堑 ! ：! ：! ! ：!堡：! 重! ：! 查塑塑查些垫! ! ! ! 堕! 名称1 d 3 d7 d “三峡”水泥2 0 6 2 6 93 0 4 ：堡墨：查堡! 丝! ! ! ! 1 2 ) 粗集料 通过调研发现，巴东当地产碎石，母岩强度较低，且由于采用简单的二次锷 式破碎，碎石中的针片状颗粒含量偏高，不适合用作高性能混凝土的粗集料。因 此，主梁混凝土用粗集料采用湖北宜昌生产的规格为5 2 5 m m 连续级配碎石， 按g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 建筑用卵石、碎石标准进行检测，其筛分析结果见表2 - 6 、 图2 1 ，性能检测见表2 7 。从碎石的各项检测指标来看，碎石的各项指标均符 合g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 建筑用卵石、碎石标准的要求。 15 武汉理t 大学硕士学位论文 检测表观密度抗压强度压碎指标含泥量泥块含量针片状含 项目( k g m 。)( m p a ) ( )( ) ( )量( ) g b t 14 6 8 5 2 0 0 1 8 0 5 1 0 0 5 9 5 )自然养护( 温度1 0 ( 2 、r 、h 8 5 呦 ；们1 i 3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d 2 44 4 ，95 3 。96 9 ，23 9 。04 9 。56 7 8 2 54 6 55 3 37 0 23 8 25 1 66 9 1 2 64 9 25 8 17 1 84 2 85 4 47 0 7 2 75 3 26 1 17 4 14 6 05 7 47 0 7 武汉理工大学硕士学位论文 护的强度相比，1 0 。c 左右养护的混凝土早期强度发展较慢，2 8 d 强度相差不大。 因此在冬季施工时，应适当延缓预应力张拉时间，以满足结构设计要求。 2 5 粉煤灰和矿粉对混凝土长期强度的影响 在混凝土设训和质量控制中，强度是通常规定的性质。这是因为与其它性质 相比较，强度试验比较容易进行，再者，混凝土的许多性质。诸如弹性模量、水 密性或抗渗性，包括抗侵蚀水在内的抗风化性，均直接与强度有关 3 8 , 3 9 】。 粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可以改善混凝土的粘聚性和流动性，降低混凝土 拌合物的水化热，减少混凝土温缩裂缝的产生，并增强混凝土的耐久性。但是， 通常随着粉煤灰等矿物掺合料的加入，高性能混凝土的强度特别是早期强度降低 明显。在此对比研究了粉煤灰和矿粉对高性能混凝土抗压与抗折强度的影响。 2 5 1 粉煤灰和矿粉掺量对混凝土工作性的影响 裹2 1 8 粉煤灰和矿粉掺量对0 6 0 混凝土工作性和长期强度的影响 从表2 1 8 新拌混凝土的坍落度结果可以看出，粉煤灰有一定的减水效果，可 在一定的程度上改善新拌混凝土的工作性能。随粉煤灰掺量增加，新拌混凝土的 坍落度有所增加，秸聚性有所加强，且粉煤灰的掺入改善了混凝土拌合物的坍落 度损失大的问题，使混凝土的在6 0 m i n l 匈的坍落度损失保持在1 0 2 0 n m l 范围。 掺入一定量矿粉的混凝土拌合物的坍落度和坍落度损失也优于空白样，但掺矿粉 混凝土较掺粉煤灰混凝土更为粘稠，并且以矿粉作为掺合料的混凝土坍落度损失 相对于掺粉煤灰的较快。 2 5 2 粉煤灰和矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响 从表2 1 9 和图2 3 可以看出，空白试样( b a ) 的强度在2 8 d 内强度具有较为明 显的优势，但当龄期超过2 8 d 时，掺加矿粉和粉煤灰的混凝土强度逐渐接近甚至 超过空白样的强度。随粉煤灰和矿粉掺量的增加混凝土的强度有所降低，掺矿粉 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 混凝土长龄期抗压强度对比结果 随矿物掺合料的加入，混凝土的早期强度略有降低，但混凝土后期强度增长 较快，并且在6 0 d 时，掺加矿物掺合料的混凝土强度已经逐渐赶上空白混凝土的 强度，并且在混凝土达到1 8 0 d 龄期时，掺加矿物掺合料的混凝土强度均已超过空 白混凝土的强度。从2 8 d 龄期开始掺加矿物掺合料的混凝土强度的增长率均远高 于空白混凝土强度的增长率，并且掺加粉煤灰的混凝土强度的增长率，随粉煤灰 掺量的增加而明显增加。矿粉混凝土的强度随掺量的增加早期强度略有降低，但 后期强度均较高。 2 ，5 ，3 粉煤灰和矿粉掺量对混凝土抗折强度的影响 随着混凝土技术的迅猛发展，高强混凝土在桥梁工程、高层建筑、港口和海 洋工程及混凝土制品等领域得到了较为广泛的应用。但是，人们发现混凝土强度 越高，脆性越大，因此易使高强钢筋混凝土构件受压区混凝土在高能荷载或冲击 鲫 帅 善搿u 武汉理工大学硕士学位论文 振动作用下爆裂。其次，高强混凝土拉压比也随着抗压强度而降低，致使构件受 拉区抗裂能力不足，由于抗裂能力不足导致剪跨段抗剪强度明显下降，这就大大 降低了工程结构在非常规荷载下的承载力及使用中的可靠度和安全性。 一般认为混凝土的抗压强度是粗集料的嵌挤和水泥浆的粘结作用形成的，而 抗折强度则靠水泥浆与集料界面的结合强度【4 0 】。这是理论上的理想强度，实际 上抗折强度的形成机理受各种因素的影响，其工程中的强度与理论强度差别巨 大，英国人认为抗折强度受构件本身微观裂缝的控制。由于材料的变异和成型工 艺的差异，这种裂缝遍布了整个构件，但又无规律可循。在荷载作用下当某一个 微小单元裂缝继续扩张时，整个构件也就几乎破坏了。本文对比研究了矿粉和粉 煤灰对主梁混凝土抗折强度和脆性系数的影响。 表2 2 0 粉煤灰和矿粉掺量对混凝土抗折强度的影响 表2 2 0 列出了6 个不同粉煤灰和矿渣掺量配合比的混凝土在不同龄期的抗折 强度。结果显示，当混凝土中加入矿物掺合料时，混凝土抗折强度增长速度均大 于空白混凝土的增长速度。早龄期( 7 d ) 空白混凝土( b a ) 的抗折强度最高， 但混凝土养护n 2 8 d 龄期时，掺加矿粉的混凝土( b d 、b e ) 的抗折强度逐渐接 近甚至超过空白混凝土的抗折强度。粉煤灰掺量为1 4 混凝土( b b ) 的抗折强 度也是较为接近空白混凝土的强度。当混凝土养护至f j