（水利工程专业论文）南水北调济平干渠现浇混凝土配合比优化及耐久性研究.pdf

摘要 本文以南水北调济平干渠工程渠道衬砌现浇混凝土为基础，对高性能混凝土 配合比的设计及性能进行研究。 在实验中，通过对混凝土原材料物理化学性能进行分析，来完成原材料的优 选工作。为满足混凝土设计要求的各项指标“强度等级c 3 0 、抗渗等级w 8 、抗冻 等级f 2 0 0 ，适宜机械化衬砌的坍落度4 0 m m - - 6 0 m m 的要求，选用i 级粉煤灰和高 性能外加剂“双掺作为主要技术途径来设计配合比。优质粉煤灰引入混凝土后， 可以改善新拌混凝土的工作性使其不离析、易浇筑、减小坍落度损失、降低泌水、 改善抹面性；降低水泥水化热，减少混凝土“热裂”的威胁；与高性能外加剂联 合使用，能降低混凝土水胶比，使粉煤灰从早期就对混凝土强度发展作出贡献； 细化孔隙，改善界面结构，提高混凝土的密实性；使用优质粉煤灰还具有抑制碱 骨料反应的作用；使用高性能外加剂，降低用水量，保证混凝土的含气量，达到 设计要求的抗冻耐久性。 掺加粉煤灰和外加剂配制高性能混凝土可大幅度降低水化热，有利于控制温 度应力，减少混凝土开裂。高性能混凝土较普通混凝土水化热大幅降低，水化热 峰出现的时间推迟，具有优异的抗裂性能。掺加粉煤灰和外加剂配制高性能混凝 土能够改善硬化混凝土的孔结构，孔级配更加合理，使混凝土结构更加密实。因 此，能大幅度提高混凝土的后期强度，同时使混凝土具有优良的耐久性能。合理 地选择粉煤灰、膨胀剂和高效引气减水剂的掺量，可配制出性能优良的高性能补 偿收缩混凝土，工程应用表明，高性能补偿收缩混凝土衬砌大板密实、表面无裂 缝，具有优异的抗裂耐久性能，有效地解决了南水北调济平干渠衬砌工程混凝土 衬砌板的抗裂防渗耐久问题。 本课题的研究旨在通过粉煤灰和高性能外加剂“双掺 作为主要技术途径提 高混凝土的性能、降低生产成本，因此，其研究成果对我国大型渠道薄壁现浇混 凝土具有现实指导意义；同时，课题的研究思路和研究方法对高性能混凝土的理 论研究也将产生深远影响。 关键词耐久性；抗裂；抗冻；防渗；抗碳化性 a bs t r a c t i nt h i s p a p e r , b a s e do nt h eo n s i t ep o u r i n go fc o n c r e t eo fs o u t h - t o - n o r t hw a t e r d i v e r s i o nj i p i n gc h a n n e l ，t h em i xd e s i g na n dp e r f o r m a n c eo fh ig hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ew e r es t u d i e d i nt h ee x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp 1 1 y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f c o n c r e t em a t e r i a l s ，t h ew o r ko fp r e f e r r e dr a wm a t e r i a l sw a sc o m p l e t e d i no r d e rt om e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fc o n c r e t ei n d i c a t o r s ”s t r e n g t hg r a d ec 3 0 ，i m p e r m e a b i l i t y g r a d ew 8 ，a n t i f r e e z el e v e lf 2 0 0 ，s u i t a b l ef o rm e c h a n i z e dl i n i n go ft h es l u m p4 0 m m 6 0 m m ”，g r a d e if l ya s ha n dh i g hp e r f o r m a n c ea d d i t i v e s ”d o u b l e d o p e d ”w e r eu s e da s t h ep r i m a r yt e c h n i c a la p p r o a c ht od e s i g nt h em i xp r o p o r t i o n s a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no f h i g h - q u a l i t yf l ya s hi nc o n c r e t e ，t h ew o r k a b i l i t yo f 缸s hc o n c r e t et h a ti td o e sn o t d i s i n t e g r a t e ，e a s yp o u r i n g ，r e d u c i n gt h es l u m pl o s s ，r e d u c eb l e e d i n ga n di m p r o v et h e w i p i n gv e r s a t i l i t yw e r ei m p r o v e d ；l o w e rh e a to fh y d r a t i o no fc e m e n ta n dr e d u c et h e t h r e a tt h eo fc o n c r e t e ”t h e r m a lc r a c k i n g ”；t h ec o m b i n a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c e a d d i t i v e ，c a nr e d u c et h ew a t e r - c e m e n tr a t i oo fc o n c r e t e ，s om a tf l ya s hf r o mt h ee a r l y c a na p p r o v et h es t r e n g t ho fc o n c r e t e r e f i n ep o r e s ，i m p r o v i n gt h ei n t e r f a c es t r u c t u r ea n d t h ed e n s i t yo fc o n c r e t e ；t h eu s eo fh i g h q u a l i t yf l ya s ha l s oh a sar o l ei ni n h i b i t i n g a l k a l i - a g g r e g a t er e a c t i o n ；t h eu s eo fh i g h - p e r f o r m a n c ea d d i t i v e sa l s oc a nr e d u c ew a t e r c o n s u m p t i o nt oe n s u r et h a tc o n c r e t ec o n t a i n i n gg a sa n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f a n t i f r e e z ed u r a b i l i t y f l ya s ha n da d m i x t u r ei nh i 班- p e r f o r m a n c ec o n c r e t ec a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h eh e a to f h y d r a t i o n , i tw i l lh e l pc o n t r o lt h et e m p e r a t u r es t r e s sa n dr e d u c ec o n c r e t ec r a c k i n g c o m p a r e d 、i t ho r d i n a r yc o n c r e t et h eh y d r a t i o nh e a to fh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e g r e a t l yr e d u c e da n dt h ep e a l 【o fh e a th y d r a t i o na p p e a r sd e l a y e d ，i ta l s oh a se x c e l l e n t c r a c kr e s i s t a n c e f l ya s ha n da d m i x t u r ei nh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ec a ni m p r o v et h e h a r d e n i n go fc o n c r e t ep o r es t r u c t u r e ，p o r es i z ed i s t r i b u t i o nr a t i o n a l i t y , a n dc o m p a c t n e s s t h e r e f o r e ，i tc a ng r e a t l yi m p r o v et h el a t es t r e n g t ho fc o n c r e t e ，w h i l ei t 谢t he x c e l l e n t d u r a b i l i t y ar e a s o n a b l ec h o i c eo ff l ya s h , e x p a n s i v ea n dh i g h l ye f f i c i e n ta i r - e n t r a i n i n g w a t e r - r e d u c i n g c a nf o r m u l a t e de x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ，h i g h - p e r f o r m a n c e s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s h o wt h a t m 曲一s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n gc o n c r e t el i n i n go fl a r g ed e n s ep a n e l ，s u r f a c ef r e ef r o m c r a c ks a n dw i t he x c e l l e n ta n t i c r a c k i n gd u r a b i l i t y , e f f e c t i v e l ys o l v e dt h ep r o b l e m so f l i n i n gp l a t ec r a c k i n go fc o n c r e t ea n dl i n i n gs e e p a g ed u r a b i l i t yo fj i p i n gt r u n k t h eg o a lo ft h e s u b j e c t i s u s i n gf l ya s ha n dh i g h p e r f o r m a n c ea d d i t i v e s ”d o u b l e d o p e d ”a st h em a i nt e c h n i c a lw a y st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ea n d r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，t h e r e f o r e ，t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hh a v ep r a c t i c a lg u i d eo n o n s i t et h i n w a l l e dc o n c r e t eo fc h i n a sm a j o rc h a n n e l s ；m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c hi d e a s a n dm e t h o d so ft h es u b j e c th a v ep r o f o u n de f f e c to nt h et h e o r e t i c a l s t u d yo fh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e k e y w o r dd u r a b i l i t y ；c r a c kr e s i s t a n c e ；a n t i f r e e z e ；r e s i s t a n c et ow a t e r p e n e t r a t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师和副导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：强璺趣 e t期：兰! ! ：竺：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名干缒导师签名：鳞日 期： 第1 章概述 1 1 引言 南水北调工程山东段分为南北、东西两条输水干线，形成“t 字形输水大动 脉，是举世瞩目的特大型跨流域调水战略性工程。渠道混凝土衬砌工程采用机械 化连续衬砌和常规现浇衬砌。建成后的运行条件复杂，薄壁现浇混凝土面板可能 会产生诸多问题：如超长渠系混凝土面板的抗渗问题；混凝土的抗冻融、抗冲刷 问题；混凝土自收缩、干燥收缩和冷缩裂缝等问题n 1 。混凝土裂缝不仅会导致衬砌 体的渗漏，还将直接影响到混凝土的抗渗抗冻性能。因此，搞好衬砌面层的高性 能混凝土耐久性研究，确保工程的长期安全正常运行，从根本上提高工程耐久性， 对山东乃至整个南水北调输水渠的衬砌工程至关重要。 本课题就是在这种背景下提出来的。结合南水北调济平干渠工程特点开展高 性能混凝土原材料优选、配合比优化、混凝土性能试验及耐久性机理研究，确保 渠道工程质量与衬砌面板耐久性具有极其重要的现实意义和深远的历史意义。 1 2 研究现状 高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，h p c ) 是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土， 它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供i 0 0 年以上 的使用寿命髓1 。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、 高强度和薄壁结构稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的 混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑、 水利设施等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环 境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今 后混凝土技术的发展方向口1 。 1 9 9 0 年5 月由美国国家标准与技术研究所( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 主办 了第一届高性能混凝土的讨论会，定义高性能混凝土为具有所需性能要求的匀质 混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析， 力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土h 1 。大 多数承认单纯高强不一定耐久，而提出高性能则希望既高强又耐久。可能是由于 发现强调高强后的弊端，1 9 9 8 年美国a c i 又发表了一个定义为：“高性能混凝土 是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，如果采用传统的原材料组分和一般 的拌和、浇筑与养护方法，未必总能大量地生产出这种混凝土畸h 。a c l 对该定 义所作的解释是：“当混凝土的某些特性是为某一特定的用途和环境而制定时， 这就是高性能混凝土。例如下面所举的这些特性对某一用途来说可能是非常关键 的：易于浇筑，振捣时不离析，早强，长期的力学性能，抗渗性，密实性，水化 热，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的较长寿命。因为高性能混凝土的许多特性 是相互联系的，改变其中之一常会使其它的特性发生变化，当混凝土为某一用途 生产而必须考虑若干特性时，则每一个特性都必须清楚地规定在合同文件中”1 。 1 9 9 8 年a c i 定义与1 9 9 0 年a c i 、n i s t 定义的区别是：前者把早强列入“特殊性能 组合 可选性能之一，而不作为必要的规定而强调。而欧洲混凝土学会和国际预 应力混凝土协会则将高性能混凝土定义为水胶比低于0 4 0 的混凝土。在日本，将 高流态的自密实混凝土( 即免振混凝土) 称为高性能混凝土，强度一般为4 卜4 5 m p a ，混凝土中除水泥外，还有矿渣粉、粉煤灰及膨胀剂口1 。 我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义高性能混凝土为一种新型高技术混 凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝 土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的 予以保证；耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。为此， 高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、集料外， 必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂1 。 中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土定义为以耐久 性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土国1 。与传统的混凝土 相比，这种高性能混凝土在配比上的特点是低用水量( 水与胶凝材料总量之比低于 0 4 ，或至多不超过0 4 5 ) ，较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为 水泥、水、砂、石之外的必需组分。这也是现代高强混凝土的配制途径n 们。实际 上，正是现代高强混凝土技术的出现，为解决高性能混凝土的耐久性问题指明了 出路。 结合我国的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的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。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 能混凝土的名词更要科学 n 1 1 。高性能混凝土的体积稳定性表现在其优良的抗初 期开裂性，低的温度变形、低徐变及低的自收缩变形。高性能混凝土的性能的提 高和改善基本上都可以通过掺加掺合料、改善配合比、改良骨料级配及掺加高效 外加剂来达到刳。 1 3 研究内容及技术路线 本课题通过掺加合理的粉煤灰、膨胀剂对的水泥的水化热和混凝土抗裂性能 进行改善，采用适当的配合比设计，研究混凝土中粉煤灰和膨胀剂双掺对混凝土 性能的影响，对其力学性能和耐久性能进行试验。其主要的技术路线是通过降低 水胶比、掺加高效引气减水剂与优质粉煤灰来提高混凝土的性能。济平干渠工程 有七种衬砌结构型式，混凝土面板的基层材料有保温板、钢丝网架保温板、砂砾 石、复合土工膜等。混凝土面板的成型工艺有人工常规浇注、机械化连续浇注和 预制板安装。针对混凝土面板成型工艺和混凝土面板的约束条件( 如机械化连续 衬砌超长面板，钢丝网架保温板垫层) 。具体研究内容如下： ( 1 ) 高性能混凝土使用原材料优选及原材料品质分析； ( 2 ) - - 元复合胶凝材料的高性能混凝土配合比优化试验； ( 3 ) 三元复合胶凝材料的高性能混凝土配合比优化试验； ( 4 ) 高性能混凝土各项性能物理力学、弹性模量、极限拉伸、变形试验； ( 5 ) 高性能混凝土耐久性抗渗、抗冻、抗碳化、纤维抗裂性等试验研究； ( 6 ) 高性能混凝土的耐久微观机理研究； ( 7 ) 工程应用观测试验研究。 第2 章混凝土材料性能实验研究 2 1 实验内容设计 对南水北调济平干渠工程拟采用的原材料进行分析及优选测试：对水泥的 物理力学性能及化学成分进行分析；对粉煤灰的化学成分和品质进行分析； 对膨胀剂的性能进行分析：对外加剂的性能及技术指标进行分析；对砂的筛 分曲线、细度模数、坚固性、饱和面干表观密度、饱和面干吸水率、粘土淤泥及 细屑含量进行分析，对石子的筛分、坚固性指标、饱和面干表观密度、饱和面干 吸水率、含泥量、压碎指标进行分析。 通过对上述原材料的实验及分析，为混凝土配合比的设计提供合格优质的原 材料以及原材料的各种物理化学指标。 2 2 材料试验及分析 2 2 1 水泥 分别对鲁城水泥、山水水泥等进行了优选测试，结果见表2 2 卜1 、表2 2 卜2 。 表2 2 1 - 1 水泥物理力学性能测试成果表 序 水泥品种 细度 标准安 凝结时间抗折强度抗压强度 稠度定 ( h ：m i n )( m 【p a ) ( 田a ) 号 ( )性 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d 合 2 51 1 0 规范要求1 0 0 ：4 51 0 - 0 05 5 格 ( 3 5 )( 1 6 o )3 2 5 山水 合 l2 6 62 ：3 54 ：5 09 91 1 83 3 5 5 1 9 p 0 3 2 5 格 鲁城 合 22 8 44 ：5 09 ：1 0 6 91 0 42 5 34 4 6 p 0 3 2 5 r 格 4 注：规范要求栏( ) 中为早强水泥指标 表2 2 1 - 2 水泥的物理力学性能及化学成分 化学成分 s i 0 2 c a o m g of e 2 0 3a 1 2 0 3k 2 0n a 2 0t i 0 2 鲁城p 0 3 2 5 r 2 3 4 25 4 6 02 2 24 4 48 6 60 7 60 0 7 40 3 6 山水p ：0 3 2 5 2 3 2 25 4 3 61 9 83 7 27 3 6o 9 0 0 0 5 3 0 3 1 从表2 2 卜l 及2 2 i - 2 可看出，2 种品牌的水泥所检指标均满足硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 国家标准的要求。由水泥胶砂强度的试验结果可 知，山水水泥的3 天、2 8 天强度分别比鲁城水泥高出8 2m p a 和7 3 m p a 。这会对由 其配制的混凝土强度有较大影响。2 种水泥的凝结时间与安定性同样都合格，但值 得注意的是鲁城水泥的终凝时间已相当接近规范规定的1 0 d , 时的上限。根据水泥 品质试验结果，建议高性能混凝土室内配合比试验采用山水集团产p 0 3 2 5 级水 泥。 2 2 2 粉煤灰 粉煤灰的作用：利用粉煤灰的火山灰活性、形态和微集料三大效应，用粉煤 灰超量取代部分水泥，水灰比降低、用水量减少。实验表明，每掺入占胶凝材料 的1 0 的粉煤灰，降低水化热7 ，明显降低了混凝土的温差，减少了温度应力，混凝 土的抗拉强度、极限拉伸得到提高，弹性模量降低。同时优质粉煤灰取代部分水 泥，使粉煤灰混凝土需水量少、干缩率小n 引。粉煤灰的使用使得混凝土的胶凝材 料体系更加合理，是混凝土实现高性能化的重要技术手段n 钔。 根据规范用于水泥和混凝土中的粉煤灰( g b l 5 9 6 - 1 9 9 1 ) 对山东石横电厂 粉煤灰进行了化学成份和品质分析试验，试验结果见表2 2 2 - 1 。 6 表2 2 2 - 1 粉煤灰的化学成份和品质分析 标准值 单项 检测项目单位实测值 i 级i i 级i 级 结论 细度( 0 0 4 5 m m 方孔筛筛余) 4 5 m i n 2 h ：l o m i n 凝结时间合格 终凝_ o 0 2 5 0 0 2 6 限制膨胀率 水中2 8 d _ - o 0 2 0 加0 l l 抗压强度 7 d 芝2 5 03 2 1 m 【p a 合格 2 8 d 之4 5 05 1 6 抗折强度 7 d 芝4 5 8 3 n 口a 合格 2 8 d 芝6 5 1 0 9 注：膨胀剂掺量为7 。 由试验结果可知，该膨胀剂的性能满足相关规范的性能要求。 2 2 4 外加剂 混凝土外加剂是当今混凝土技术中最为重要的环节。高性能混凝土外加剂的 问世，使混凝土技术产生了一次革命性的飞跃，也使混凝土的高性能成为可能n 翮。 高性能混凝土外加剂己成为高性能混凝土的一个不可缺少的重要组成部分，其品 种、品质及掺量对混凝土的物理力学性能和耐久性有着决定性的影响n 副。 试验使用的外加剂为南京瑞迪高新技术公司生产的n a - f 2 型高效引气减水复 合型外加剂，其技术指标为：在掺量为总胶凝材料的1 2 - - - 1 6 时，减水率大 于1 8 ；含气量4 - - - 6 ；2 8 天强度提高1 0 - - - 2 0 ：能延缓混凝土凝结时间，降 低水泥早期水化热；使混凝土的抗渗及抗冻性有较大的提高；对钢筋无腐蚀作用 1 7 】 7 2 2 5 砂石料 表2 2 5 1 砂的筛分及细度模数 筛目孔径( m m )筛余( g )分计筛余百分率( )累计筛余百分率( ) 细度模数 5 o2 5 75 1 35 1 3 2 54 1 38 2 51 3 3 8 1 51 1 9 62 3 9 23 7 3 0 0 6 3 1 5 4 o 3 0 7 96 8 0 9 3 0 0 0 3 1 51 2 4 42 4 8 89 2 9 7 o 1 62 6 55 2 99 8 2 6 底盘 8 21 6 4| 合计 4 9 9 79 9 9| 0 1 0 2 0 邑 3 0 咖14 0 粪善3 蕞8 7 0 0 9 0 1 0 0 l 一一 一一，一_一 ， ， 一， 。儿匹 7 j ， ， ， c - ， ，。 j 一r - r 11 0 筛孔尺寸( 衄) 图2 2 5 1 砂的筛分曲线 由试验结果可知，该砂的级配情况不十分理想，粗细颗粒均偏少。级配曲线 虽大部分落在适宜配制混凝土的i i 区内，但在0 6 3 m m 以下的累计筛余甚至落在i 区 的范围，以该砂配制混凝土会导致配合比中砂率有所放大。以细度模数判断，该 砂属于中砂偏粗。 8 表2 2 5 - 2 砂的坚固性 a i * ( )各级砂样的质量损失率p i ( )砂样的总损失率p ( ) a l 2 8 3 0p l4 0 a 2 3 5 0 3p 23 6 4 7 6 a 3 2 7 2 lp 34 1 a 4 9 3 9p 41 3 3 木：a l 、a 2 、a 3 、8 4 分别为0 3 1 5 r a m - - 0 6 3 r a m 、0 6 3 m m 1 2 5 r a m 、1 2 5 m m 2 5 m m 、2 5 咖 5 0 m m 各级在筛除小于0 3 1 5 r a m 及大于5 0 m m 颗粒后的砂样中所占的百分率。 由试验结果可知，砂坚固性指标满足水工混凝土施工规范 ( d l t5 1 4 4 - 2 0 0 1 ) 对砂坚固性的要求：“对有抗冻要求的混凝土，p 8 ”。 第一次第二次平均备注 g o ( g ) 6 0 0 g o ( g ) 6 0 0 g o ：饱和面干砂样质量 g 3 ( g ) 1 2 2 1 7 g 3 ( g ) 1 2 4 1 8 g 3 ：水与容量瓶总质量 2 5 7 5 g 4 = g 0 + g 3 g 4 ( g ) 1 5 8 8 5 g 4 g ) 1 6 0 8 8 p = g 。+ 萋一g 。 p ( k g m 3 ) 2 5 7 0 p ( k g m 3 2 5 8 0 表2 2 5 _ 4 饱和面干砂样吸水率a 第一次第二次平均备注 g o ( g ) 5 0 0 0 g o ( g ) 5 0 0 g o ：饱和面干砂样质量 g ：烘干砂样质量 g ( g ) 4 9 4 5 g ( g ) 4 9 4 7 1 0 8 口：里堂1 0 0 a ( ) 1 1 0 a ( ) 1 0 6 g o 9 第一次第二次平均备注 g ( g ) 5 0 0 0 g ( g ) 5 0 0 0 g ：试验前的烘干砂样质量 g l ：试验后的烘干砂样质量 g i ( g ) 4 9 8 4 g l ( g ) 4 9 7 9 0 3 7 q = 孚川o q ( ) o 3 2 q ( ) 0 4 2 由试验结果可知，砂的含泥量满足规范对砂含泥量的指标要求：q 3 。 表2 2 5 6 石子的筛分 筛目孔径( m m ) 筛余( k g ) 分计筛余百分率( ) 累计筛余百分率( ) 2 02 2 62 2 6 2 2 6 1 07 2 27 2 29 4 8 50 4 94 99 9 7 注：结果为两次试验的均值。 由试验结果可知，碎石中5 r a m 一- 1 0 r a m 粒径石子偏少( 不到5 ) ，同时由于试验 用砂的级配也不甚理想，这两项因素造成的直接结果是在后续的混凝土试拌时砂 率的加大。 表2 2 5 7 石子的坚固性指标 a i * ( )各级石样的质量损失率p i ( )石样的总损失率p ( ) a l 4 9 p l 3 8 8 a 2 7 2 2 p 2 1 8 02 8 5 a 3 2 2 6 p 3 6 0 0 ：a l 、a 2 、a 3 分别为5 m m 1 0 m m 、1 0 m m 2 0 m m 、2 0 m m 4 0 m m 各级试样的分计筛余百分率， p i 分别为各级石样的质量损失率。 由试验结果可知，石子的坚固性指标满足施工对石坚固性的要求：“对有抗冻 要求的混凝土，p 5 ”。 1 0 表2 2 5 8 饱和回十自于表观密度p 第一次第二次 平均p 备注 p w 1 0 0 0 p w 1 0 0 0 g 2 ：试样在水中质量 g 3 ( g ) 2 4 5 0 2 g 3 ( g ) 2 2 6 1 4 g 3 ：饱和面干试样在空气中质量质量 2 6 9 5 p w ：水的密度。( k g m 3 ) g 2 ( g ) 1 5 4 3 4 g 2 ( g ) 1 4 2 2 2 p = 百g 3 p 百w 1 。0 0 p ( k g m 3 ) 2 7 0 0 p ( k g m 3 ) 2 6 9 0 表2 2 5 9 饱和面干石子吸水率 第一次第二次平均备注 g 3 ( g ) 2 4 5 0 2 g 3 ( g ) 2 2 6 1 4 g o ：饱和面干砂样质量 g ：烘干砂样质量 g l ( g ) 2 4 3 9 3 g i ( g ) 2 2 5 1 5 o 4 4 口= - = o g 3 a ( )0 4 4a ( )o 4 4第一次第二次平均 备注go(g) 10002go(g)10000 g o ：试验前的烘干砂样质量 g l ( g ) 9920 gi(g)9937 o 7 3 q = 警川。 q ( ) o 8 2 q ( ) 0 6 4 由试验结果可知，石子的含泥量满足规范对石含泥量的指标要求：q 1 。 表2 2 5 11 石子的压碎指标c 第一次第二次第三次平均备注 g o ( g ) 3 0 0 0 g o ( g ) 3 0 0 0 g o ( g ) 3 0 0 0 g o ：试样质量 g l ：试样压碎后筛余量 g i ( g ) 2 6 0 4 8 g l ( g ) 2 6 1 0 1 g i ( g ) 2 6 0 7 41 3 1 c ：g o - g i 1 0 0 c ( )1 3 2c ( )1 3 0c ( ) 1 3 1 g 0 1 2 由试验结果可知，石子的压碎指标满足规范对碎石的要求：c 1 6 0 5 。 第3 章混凝土配合比优化设计及性能研究 3 1 高性能混凝土配合比优化 为满足混凝土设计要求的各项指标“强度等级c 3 0 、抗渗等级w 8 、抗冻等级 f 2 0 0 ，适宜机械化衬砌的坍落度4 0 m m - - 6 0 m m 的要求，选用i 级粉煤灰和高性能 外加剂“双掺 作为主要技术途径来设计配合比。优质粉煤灰引入混凝土后，可 以改善新拌混凝土的工作性使其不离析、易浇筑、减小坍落度损失、降低泌水、 改善抹面性；降低水泥水化热，减少混凝土“热裂的威胁n 8 1 ：与高性能) l - ) j l 剂 联合使用，能降低混凝土水胶比，使粉煤灰从早期就对混凝土强度发展作出贡献 n 明；细化孔隙，改善界面结构，提高混凝土的密实性；使用优质粉煤灰还具有抑 制碱骨料反应的作用啪1 ；使用高性能外加剂，降低用水量，保证混凝土的含气量， 达到设计要求的抗冻耐久性瞳1 1 。 混凝土配合比的初步设计与试拌，主要进行了砂率的选择、粉煤灰掺量的选 择、水胶比确定方面的试验。砂率调整时从3 8 开始以2 的增幅增大砂率至4 4 时 方得到和易性良好的混凝土拌合物，而加入减水剂后砂率亦需维持在4 4 。 进行了两种水泥在不同粉煤灰掺量、不同水胶比时混凝土配合比的调试工作， 在此基础上绘制了强度一水胶比曲线，拟合了强度一水胶比公式。具体的试验结 果见表3 卜l 表3 卜4 和图3 卜1 图3 1 - 2 。 表3 1 1使用鲁城水泥时混凝土试拌配合比及强度 水泥+ 粉煤灰+ 砂+ 石+ 水 掺灰量水胶外加剂坍落度含气量 强度( m p a ) 编号 ( k g m 3 )( ) 比 ( )( c m )( ) 7 d2 8 d l f l 5 12 3 4 + 4 l + 8 4 4 + 1 0 7 3 + 1 3 5 1 50 4 9f a l 5 1 32 43 31 6 42 1 o l f l 5 22 5 7 + 4 5 + 8 3 4 + l0 6 0 + l3 31 5 o 4 4f a l 5 1 34 32 92 2 02 7 3 l f l 5 32 9 4 + 5 2 + 8 1 7 + 1 0 3 8 + 1 3 51 5o 3 9f a l 5 1 33 72 9 2 4 o3 1 9 l f 2 5 - l1 9 7 + 6 6 + 8 4 3 + l l1 8 + 1 3 32 50 4 9 f a 2 5 ，1 3 2 73 8 1 5 42 4 8 l f 2 5 - 22 2 3 + 7 4 + 8 3 4 + 1 0 6 0 + 1 3 l2 50 4 4 f a 2 5 ，1 3 4 34 21 9 22 7 3 l f 2 5 32 5 2 + 8 4 + 8 1 6 广卜1 0 3 8 + 1 3 1 2 5o 3 9 f a 2 5 ，1 3 3 43 52 2 53 4 9 l f 3 5 11 7 1 + 9 2 + 8 4 7 + 1 0 7 6 + 1 2 93 5 0 4 9f a 3 5 1 33 5|1 2 61 5 9 l f 3 5 21 9 0 + 1 0 3 + 8 3 5 + 1 0 5 8 + 1 2 93 50 4 4 f a 3 5 ，1 3 4 0 |1 3 31 9 6 l f 3 5 32 1 6 + l1 6 + 8 1 7 + 1 0 3 6 + 1 2 93 50 3 9 f a 3 5 ，1 3 4 0 | 1 6 3 2 3 9 表3 1 2 使用鲁城水泥时的混凝土强度一胶水比拟合公式 粉煤灰掺量强度( y 广胶水比( x ) 公式相关系数r 1 5 y 2 2 0 6 3 2 x 一2 0 5 6 8 0 9 8 8 2 5 y = 1 9 5 9 5 x 一1 5 9 2 5 0 9 7 6 3 5 y2 1 5 2 7 5 x 一1 5 2 2 0 9 9 9 1 4 表3 1 3 使用东岳水泥时混凝土试拌配合比及强度 水泥+ 粉煤灰+ 砂+ 石+ 水掺灰量水胶外加剂坍落度含气量 强度( m p a ) 编号 ( k g m 3 )( ) 比 ( )( c m )( ) 7 d2 8 d d f l 5 12 3 9 + 4 2 + 8 3 7 + 1 0 6 2 + 1 3 81 50 4 9 f a l 5 ，1 3 3 63 51 8 62 5 8 d f l 5 2 2 6 3 + 4 6 + 8 2 8 + 1 0 6 3 + 1 3 6 1 50 4 4f a l 5 1 33 93 92 5 03 1 3 d f l 5 3 3 0 5 + 5 4 + 8 6 2 + 1 0 9 5 + 1 4 0 1 50 3 9f a l 5 1 34 83 82 9 93 7 0 d f 2 5 1 2 0 4 + 6 8 + 8 4 3 + 1 0 6 9 + 1 3 32 5 0 4 9 f a 2 5 ，1 3 4 3| 1 4 5 2 1 6 d f 2 5 22 2 7 + 7 6 + 8 3 0 + 10 5 4 + 13 32 50 4 4 f a 2 5 ，1 3 4 43 52 1 93 0 7 d f 2 5 32 5 6 + 8 5 + 8 1 5 + 1 0 3 3 + 1 3 32 5o 3 9 f a 2 5 ，1 3 4 3|2 7 54 0 6 d f 3 5 11 7 7 + 9 5 + 8 2 9 + 1 0 6 4 + 1 3 33 50 4 9 f a 3 5 ，1 3 3 53 81 4 72 3 6 d f 3 5 21 9 6 + 1 0 6 + 8 1l + 1 0 2 7 + 1 3 03 5o 4 4 f a 3 5 ，1 3 3 o3 62 2 53 6 1 d f 3 5 - 32 2 2 + 11 9 + 8 0 8 + 1 0 2 6 + 1 3 33 50 3 9 f a 3 5 ，1 3 4 13 62 6 44 0 8 表3 1 4 使用东岳水泥时的混凝土强度一胶水比拟合公式 粉煤灰掺量 强度( y ) 一水胶比( x ) 公式 相关系数r 1 5 y = 2 1 3 3 9 x 1 7 5 5 6 0 9 9 8 2 5 y = 3 6 2 3 3 x 5 2 1 0 3 0 9 9 8 3 5 y = 3 2 1 9 x 一4 0 3 0 1 0 9 5 3 1 5 表3 2 4 高性能补缩混凝土2 配合比的现场复验 混凝士配合比与拌和物性能 水泥+ 粉煤灰+ 膨胀剂+ 砂+ 石+ 水 掺灰量 水胶比 外加剂坍落度 含气量 ( k g m 3 ) ( )( )( c m ) ( ) 2 3 8 + 8 5 + 1 8 + 7 9 4 + 1 0 4 9 + 1 3 32 5o 3 91 5 4 54 7 混凝土的抗压强度( m p a ) 3 d7 d2 8 d 1 8 62 5 63 7 9 3 2 高性能混凝土试验性能研究 3 2 1 新拌混凝土的性能 依照水工混凝土试验规程( d l t5 1 5 卜2 0 0 1 ) 进行了混凝土拌和物的性 能试验，混凝土配合比见表3 2 1 - 1 ，所配制的混凝土拌和物性能见表3 2 1 - 2 。 由表3 2 1 - 1 、表3 2 1 - 2 可见各组配合比的坍落度在5 7 c m 之间，含气量为4 8 5 5 ，密度在2 3 1 0 k g m 3 2 3 4 8 k g m 3 ( 掺粉煤灰、膨胀剂组密度较大) 之间，掺用 粉煤灰后混凝土的泌水率明显下降，由于使用的外加剂具有缓凝效果，混凝土的 凝结时间较长。对使用东岳水泥的配合比，初凝时间在9 d , 时5 分至l j 9 d , 时4 5 分之间， 终凝时间在1 2 d , 时2 5 分至u 1 2 d , 时5 5 分之间；使用鲁城水泥的配合比初凝时间在1 5 小时4 5 分，终凝时间为1 8 d , 时2 5 分。 表3 2 1 1 混凝土配合比 水泥+