（道路与铁道工程专业论文）特细砂和机制砂配制C50高性能混凝土的应用研究.pdf

摘要 重庆市地处长江、嘉陵江交汇处，工程建设所用天然砂主要取自两江的天然砂，细 度模数多在1 6 以下，多为特细砂。所以，重庆的l 些重要工程结构的混凝土，均采用 运距4 0 0 k m 以外的简阳砂或德阳砂。重庆涪江三桥主桥箱梁混凝土设计标号为c 5 0 混 凝土，p 2 、p 3 墩箱梁设计采用大流动性、缓凝、早强泵送高强高性能混凝土。重庆涪 江三桥施工工期紧，采用简阳和德阳砂的运距远、成本高、供货难保证，为此，对重庆 铜梁岚峰生产的质地坚硬、级配良好的机制砂与资源丰富、流经合川的天然渠河特细砂 复合的混合砂配制高性能混凝土及其在工程中的应用开展研究，具有重大工程意义。 在对高性能混凝土配制目标及其影响因素分析的基础上，借鉴已有高性能混凝土配 合比设计方法，根据重庆涪江三桥工程条件与技术要求，对特细砂和机制砂掺配比例、 砂率、碎石用量、h s c i i 掺量、f d n - r 4 0 5 0 掺量、水胶比、机制砂石粉含量等因素对混 凝土工作性和强度的影响进行了系统试验分析，并优选确定了基准混凝土配合比：通过 单掺f d n t 4 0 - 5 0 1 和双掺h s c i i1 0 、f d n l 瑚5 0 1 混凝土的强度试验，提出宜采用双 掺混凝土，并对其成型和拌和物性能进行了试验分析。根据施工工艺要求，优选外掺料 及其用量，得出了既符合强度和工作性要求，又较经济的混合砂配制高性能混凝土配合 比。在配合比相同的条件下，对分别使用混合砂、天然河砂( 简阳中砂) 配制的c 5 0 高性能混；疑。i ：的一l ：作性、强度、收缩和徐变等性能进行了试验对比分析。研究表明：机 制砂和特细砂复合后的复合中砂与天然中砂生产的混凝土大部分性能指标接近，部分指 标优于天然i ，砂混凝土。特细砂和机制砂复合配制的c 5 0 高性能混凝土满足涪江三桥 设计的大流动性、缓凝、早强泵送高强高性能混凝土的技术要求。 关键词：特细砂：机制砂；高性能混凝土：配合比 a b s t r a c t c h o n g q i n gc i t yi sl o c a t e da tt h ec r o s so ft h ey a n g t s er i v e ra n dt h ej i a l i n g j i a n gr i v e r n a t u r a ls a n d st h a ta r eu s e di nt h ec o n s t r u c t i o nw o r k sh e r ea r em a i n l yt a k e nf r o mt h et w o r i v e r s ，a n dt h e i rf i n e n e s sm o d u l u si su s u a l l yb e l o w1 6 i nm o s tc a s e s ，t h e ya r es u p e r f i n e s a n d s t h u s ，t h ej i a n y a n gs a n d so rt h ed e y a n gs a n d s ，w h i c hs h o u l db et r a n s p o r t e dad i s t a n c e 4 0 0 k ma w a yf r o mc h o n g q i n gc i t y , a r eu s e df o rp r e p a r i n gs t r u c t u r a lc o n c r e t ei nm a j o rw o r k s i nc h o n g q i n g d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h en o 3b r i d g ei nf u j i a n go fc h o n g q i n gc i t y , t h e d e s i g n e dm a r kn u m b e ro ft h ec o n c r e t ei nt h eb o xb e a mo ft h em a i nb r i d g ew a sc 5 0 t h e p u m p e dc o n v e y a n c eo fp r e m i x e dc o n c r e t ew a sa d o p t e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft h eb o xb e a m s o fp 2a n dp 3p i e r s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n td e s i g n e d ah i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t eo f b i gf l u i d i t y ，r e t a r d i n g ，p r e h a r d e n i n gw a sr e q u i r e d b e c a u s et h ec o n s t r u c t i o np e r i o dw a ss h o r t a n dt h es a n d st r a n s p o r t a t i o nf r o mj i a n g y a n ga n dd e y a n gw a sc o s t l y ，t h eh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t em i x e dw i t ht h ec o m p o s i t es a n dt h a tc o m p o u n dt h ea r t i f i c i a ls a n do ft h en a t u r a ls a n d a n di t sa p p l i c a t i o nw e r es t u d i e d t h er e a s o n a b l em i xp r o p o r t i o no ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n dt h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ep r o p e r t i e so ft h ec o n c r e t ew e r ea n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ee x i s t e dm i xm e t h o d o fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e t h ei n f l u e n c eo ft h em i xr a t i oo fe x t r a o r d i n a r i l ys a n d sa n dt h e a r t i f i c i a ls a n d s ，t h es a n dp e r c e n t a g e ，t h ea m o u n to fc r u s h e ds t o n e s ，t h ea d d e da m o u n t so f h s c i ia n df d n t 4 0 _ 5 0 ，t h ew a t e r c e m e n tr a t i o ，a n dt h ec o n t e n t so fm a n u f a c t u r e ds a n d sa n d s t o n ep o w d e ro nt h ew o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t ho ft h ec o n c r e t ew e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h es t a n d a r dm i xp r o p o r t i o nw a so b t a i n e d t h r o u g ht h es t r e n g t ht e s t so fc o n c r e t et h a tb o t h a d d i n gt h eh s c - i ia n dt h ef d n t 4 0 5 0o ro n l ya d d i n gf d n t 4 0 5 0 ，t h ed o u b l em i x i n gc o n c r e t e w a sc o m m a n d e d ，a n di t sm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c e sw e r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e c o n s t r u c t i n gd e m a n d s ，t h ea d d i t i v ea n di t sd o s a g ew e r ec o n f o r m e d ，a n dt h ee c o n o m i c a lm i x r a t i oo ft h eh i ：g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，w h i c ha c c o r dw i t hs t r e n g t ha n dw o r k a b i l i t y ，w a s e d u c e d u n d e rt h es a m em i xr a t i o ，t h ew o r k a b i l i t y , s t r e n g t h ，s h r i n k a g e ，a n dc r e e po ft h e c o n c r e t ep r e p a r e db yt h em i x e ds a n d sa n db yt h en a t u r a ls a n d sr e s p e c t i v e l yw e r ec o m p a r e d t h r o u g ht e s t s r e s u l t ss h o w e dt h a tm o s tp e r f o r m a n c e so ft h ec o n c r e t ep r e p a r e db y m e d i u m s i z e ds a n d st h a tc o n s i s to fa r t i f i c i a ls a n d sa n de x t r a o r d i n a r i l yf i n es a n d sa r ec l o s et o t h o s eo ft h ec o n c r e t ep r e p a r e db yn a t u r a lm e d i u m - s i z e ds a n d s ，p a r t so fp e r f o r m a n c e so ft h e f o r m e ra r ee v e ns u p e r i o rt ot h o s eo ft h el a t t e r t h eb i gf l u i d i t y , r e t a r d i n ga n dp r e h a r d e n i n g c h a r a c t e r so ft h ec 5 0h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t em i x e db ye x t r a o r d i n a r i l yf i n es a n d sa n d m a n u f a c t u r e ds a n d ss a t i s f i e st h ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n to ft h en o 3b r i d g ei nf u j i a n g k e y w o r d s ：s u p e r f i n es a n d ；a r t i f i c i a ls a n d ；h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ；m i xr a t i o i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名多锯纤一一7 j 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名豸律纤 导师签竺i 易耖 _ ，。_ 一 腑s 舄1 日 州年二月，日 k 安人学顾i j 学位论义 第一章绪论 1 1 混凝土工程技术的发展与成就 水泥混凝土是以水泥为胶结料，砂、石为集料，配以适量水、外加剂、掺合料或其 它组分，经搅拌、成型、养护工艺过程而形成的人造石材，它隶属于材料科学技术范畴。 混凝土以其原材料丰富，适应性强，耐久性好，能源消耗与成本较低，同时又能消化大 量的工业废渣等特点，成为一种当代用量最大、用途最广，最重要的建筑材料，是现代 建筑技术发展的重要物质基础，其技术水平的高低是现代建筑技术发展水平的象征。 混凝土的发展以波特兰水泥的问世为起点，一百多年以来，伴随着钢筋混凝土技术、 预应力技术、纤维增强技术、外加剂技术、掺合料技术以及施工机具现代化等的发展， 该材料用量迅速增加，应用范围不断拓展，现已遍及工业与民用建筑、铁路、公路、交 通、水利、军事及海洋工程等众多领域。 1 1 1 “预拌”和“预制”是改变施工面貌的基本技术措施 混凝土技术中，改观最大的是施工技术的发展。5 0 年前，混凝土工程基本上是手工 操作，劳动强度大，技术水平落后，质量低。2 0 世纪5 0 年代后期，我国开始推行“预制” 生产，在工厂中制作预制构件，大大地减少了现场的劳动强度并提高了混凝土工程的质 量，这就是当时“建筑工业化”的主要内容之一。预制生产在当时的确具有很大的优越 性，但它还是存在着不少不足之处，不可能完全代替现场的混凝土浇筑。很多情况下还 必须在现场浇拌混凝土，从搅拌、运输到浇筑技术水平仍未见改善，影响了整个建筑工 程技术水平的提高。 直到改革开放以后，较快地发展了“预拌混凝土”，逐步地改变了现场浇筑混凝土 工程的面貌。预拌混凝土厂配备有先进的混凝土配料和搅拌设备，专供混凝土长距离运 输的搅拌一运输车和供在现场进行水平和垂直封闭输送混凝土的泵送装置。使用预拌混 凝土，具有提高劳动生产率、节约水泥、保证工程质量、节约施工用地及实现文明施工 等优越性，具有明显的社会效益和综合经济效益。 预拌混凝土应用量比重的大小，标志着一个国家的混凝土生产工业化程度的高低。 世界上第一座预拌混凝土工厂出现在德国，建造于1 9 0 3 年，以后受到各国的重视，得到 迅速发展。在我国混凝土搅拌站始建于8 0 年代初的上海、常州两城市，并很快在各大中 城市得到推广。预拌混凝土技术的发展，推动了泵送混凝土技术的发展，大流动性混凝 第一章绪论 土的采用，为施工现场混凝土的泵送创造了条件，使我国现浇混凝土结构的施工技术达 到一个新的水平。例如上海的金贸大厦工程使用的混凝土，最大一次泵送高度达3 8 2 5 m ； 又如上海世界贸易商城，基础深1 0 7 m ，体积2 4 万m 3 ，上海建工集团集中1 2 0 辆搅拌车， 2 0 台泵车，一次连续浇筑3 6 h ，标志我国现代化施工技术达到了一个新的水平。 1 1 2 混凝土原材料组分发生根本变化 5 0 年前，混凝土百分之百由水泥、砂、石和水四种成分组成，5 0 年后的今天，混凝 土中已经相当普遍地引入了第五种、第六种成分。新引入的组成部分不仅起着传统的胶 凝作用或骨架作用，而且还赋予了混凝土新的功能，人们可以根据使用的不同要求掺入 不同外加组分来配制出所需性能的混凝土。 这些新的组分中最常用的就是化学外加剂，其中使用最多的就是减水剂，它只用很 少的掺量，掺入混凝土中以后，通过降低水的表面张力( 水一气相) 和界面张力( 水一固相) 的作用，大大地减少为达到所要求的工作性能的拌和水用量，这就给混凝土的性能带来 系列的好处，是配制强度高、流动性好或耐久性能高的混凝土所不可缺少的材料。其 它品种的外加剂还有引气剂、快硬剂、调凝剂、防冻剂、防水剂、阻锈剂以及膨胀剂等 等。不同的外加剂品种，给混凝土带来不同的特性。 上面所指的第六种成分就是活性细掺料。活性细掺料最初是在水泥生产中作为混合 材使用，在混凝土中外掺也有比较长的历史了，但最初掺用活性细掺料的目的只是为了 节约水泥，直到最近，通过对一些新掺合料的丌发和研究，才发现活性细掺料对改善混 凝土的性能有意想不到的效果。一些掺合料掺入混凝土后能改善混凝土的施工性能，尤 其是提高它的可泵性，降低泵送压力，提高泵送能力；一些掺合料掺入混凝土后可以堵 塞和修复水泥浆体内部和它与粗集料界面过渡区的毛细孔和微观缺陷，可以大大地提高 混凝土的强度和密实性；一些掺合料能与水泥水化生成的氢氧化钙相结合，从而可以显 著地提高混凝土的强度和耐久性。因此，活性细掺料成了配制高性能混凝土不可缺少的 一个组分。我国使用最广泛的活性细掺料有品质符合要求的粉煤灰，其它还有细磨矿渣 粉、沸石粉以及硅灰等。 1 1 3 建立起了完整的混凝土质量保证体系 混凝土工程技术的成就还表现在对混凝土工程建立起了一套完整的质量保证体系。 混凝土的质量控制要从三个方面进行，即初步控制、生产控制和合格控制。也就是 要求从原材料进场，配合比设计到以后的秤料、搅拌、运输、成型、养护等每一道工序 2 长安入学硕j j 学位论文 都是在严格的质量控制条件下完成，以保证在以后的合格性评定时能顺利通过。 为此，在2 0 世纪7 0 年代中期，配合建筑结构可靠度的研究和混凝土结构设计规范的 修订，建设部组织了一批专家，用了近十年的时间，进行了混凝土工程质量控制方面的 课题研究和规范编制，这些工作包括：建立了一套混凝土强度合格性评定标准；统一了 测定混凝土各种性能指标的标准试验方法；制定出了一套早期推定混凝土强度的试验方 法，以便可以在2 8 h 、8 h 乃至l h 且f l 能预测混凝土的2 8 d 强度，作为混凝土质量控制依据； 编制了为进行混凝土质量控制所必需的各类标准，包括原材料质量标准、配合比设计标 准、质量控制标准、预拌混凝土标准等。 混凝土的质量控制是整个建筑工程质量控制中的一个重要环节，各地区、各部门的 建筑工程质量监督机构、各级监理单位、各施工企业的质检部门都把混凝土质量的控制 作为工作重点之一。我国一般的县级以上中型建筑企业都配置有混凝土试验室和相应的 质量检测及监督人员。 1 1 4 向高强度、高性能、多品种迈进 混凝土总的发展方向是高强度、高性能和多品种，在这方面，近年来许多单位已经 做了不少试验研究工作，并取得了不少成绩。 1 工程中应用的混凝土强度等级明显提高 混凝土技术进步的标志之一就是工程中应用的混凝土平均强度等级的稳步提高。2 0 世纪5 0 年代在我国应用的混凝土平均强度等级约为c 1 5 ，几十年来发展缓慢。改革开放 以来，特别是近1 0 年来混凝土技术进步很快。目前在混凝土结构中强度等级为c 2 5 、c 3 0 、 c 4 0 级的混凝土己普遍应用。c 5 0 、c 6 0 级高强混凝土在一些大型工程中的应用量也同见 提高。高强混凝土具有强度高、变形小、耐久性好等特点，适用于高层、超高层、大跨 和耐久性要求高的建筑物。我国于2 0 世纪8 0 年代后期开始在现浇混凝土工程中采用高强 混凝土，多为c 6 0 级混凝土。 2 混凝土逐步向高性能、多品种发展 当前混凝土技术特点是由过去的以混凝土强度为中心转变为以耐久性和功能性为 追求目标，这种混凝土称为高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) ，延 长混凝土工程的使用寿命是节约资源、能源的有效途径，已成为世界各国关注的重大课 题。 此外，我国还首先提出了绿色高性能混凝土( g h p c ) 的概念，并得到世界同行的认 3 第一章绪论 可。这是针对目前大量使用的波特兰水泥和常规混凝土，均在大量浪费资源、能源，更 严重的是破坏环境而提出的。 从混凝土的品种方面来说，我国也已经从5 0 年前的单一品种逐步发展成为多品种， 能满足各种功能要求的建筑材料。不同品种的混凝土发挥着各自的特性和优势，在各种 类型、各种要求的建筑物中承担着承重、围护和抵御外界各种侵蚀的作用。 1 2 高性能混凝土的现状和发展 为了弄清当前混凝土在不同用途中存在的缺点和薄弱环节，美国于2 0 世纪8 0 年代曾 对很多土建工程单位进行了广泛的调查。从调查结果可知，在众所关注的抗压强度以外， 亟待改进提高的混凝土性能，依次为体积稳定性、抗渗性、流动性、抗折( 拉) 强度、护 筋性、线膨胀系数等，当然还须降低成本。上述各种性能归纳起来就是强度、工作性和 耐久性3 大类，这正符合十几年来几个发达国家j 下在研究开发中的高性能混凝土。 高性能混凝土的诞生与发展是近代工程发展的需要。例如高层、大跨度、大荷载、 特殊使用条件和严酷的环境( 如海上石油钻采平台、海底隧道等) 以及对建设速度、经济、 节能等有更高要求；同时也由于混凝土技术的提高使高性能混凝土成为可行。高性能混 凝土的先进性使混凝土的应用范围得到扩大，使混凝土的社会经济效益得到不断增长。 高性能混凝土是在高强混凝土的基础上发展起来的。随着水泥生产技术的突破性发 展( 干法生产工艺) ，水泥强度的提高以及高效减水剂的出现，混凝土可达到越来越高的 强度。在2 0 世纪6 0 年代n 8 0 年代，美国芝加哥地区高层建筑的柱的混凝土设计强度从 5 0 m p a 提高到了1 1 0 m p a 。我国从2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，清华大学率先把高强混 凝土列为国家自然科学基会重点项目进行研究，嗣后各省市相继列项研究，取得一批成 果，完成了多个c 8 0 乃至c 1 0 0 的工程试点项目。高强混凝土用在高层及超高层建筑的受 压构件有其突出的优点和明显的经济效益；高强、超高强、高早强混凝土对某些特殊要 求的工程，如军事工程、抢修工程、核废料处理工程等，也有重大意义。应该说，当时 高强混凝土的研究推动促进了我国混凝土技术的发展。 据蒋家奋考证，在1 9 8 6 年挪威学者首先提出高性能混凝土的研究。这是因为挪威盛 产硅灰，掺硅灰大大提高了混凝土的强度、抗渗性、抗氯离子扩散性，从而提高耐久性 ( 但也增大了开裂风险) 。继而西方发达国家相继投入大量财力、人力致力于高性能混凝 土的研究和丌发。这意味混凝土学者意识到强度不是表征混凝土性能的唯一重要指标， 而耐久性则是更重要的性能。我国从2 0 世纪9 0 年代初也很快引进了高性能混凝土这个概 4 k 安大学硕i j 学位论文 念，掀起了研究热潮，有关高性能混凝土的论文数不胜数，至今方兴未艾。 至于什么叫高性能混凝土，各国学者，甚至各个学者有其自己的理解和表述，至今 没有一个得到公认的定义。一般说来，高性能混凝土是指高强、高耐久性、高工作性。 但是，不同的学派，根据实际工程的要求，对高性能混凝土的看法有所不同： 以m e h t a 为代表的美国与加拿大学派强调的是硬化后混凝土的性质。m e h t a 认为对于 近来建造的暴露于腐蚀性环境下的混凝土结构物，其受腐蚀的速率之快表明：抗压强度 指标己不足以保证其长期耐久性，而耐久性应当放在高性能混凝土的首位。m e h t a 还认 为高性能混凝土应该满足抗渗性和尺寸稳定性规定以满足防止化学侵蚀、降低预应力损 失、降低混凝土的原生裂纹，最终达到提高耐久性，达到高性能的目标。 以冈村为代表的日本学派认为高强、超高强与高流态混凝土就是高性能混凝土。也 就是说，他们强调的是新拌混凝土的高工作性，这也是日本大多数学者及工业界的观点。 这可能由于在日本更重视混凝土振捣工艺对工人听力的不利作用，而推广不需振捣自密 实混凝土。 欧洲混凝土协会和国际预应力协会则将高性能混凝土定义为水灰比低于0 4 0 的混 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 混凝土著作中开宗明义地指出：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混合材料和高效 减水剂，因此高性能混凝土必须掺混合材料。冯乃谦的这些观点代表了当时我国大多数 混凝土学者对高性能混凝土的认识。我国著名的混凝土科学家吴中伟教授针对当时科研 界过度追求高强度的趋向，及时提出“有人认为高强度必然高耐久性，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，女n c 3 0 混凝土。 吴中伟教授高度重视耐久性，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。 尽管对高性能混凝土的含义有着不同见解，但是多数述及到混凝土优良的耐久性、 工作性和力学性能。由于对高性能混凝土定义的不同理解，以及视高性能混凝土为一种 时尚，现在有将高性能混凝土的范围不断扩大的倾向，以至于造成交流上的迷惑和困难。 中国土木工程学会高强和高性能混凝土委员会认为，应该结合我国的混凝土技术现状和 特点，为高性能混凝土作出一个比较明确的定义。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 5 第一章绪论 的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点 的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。他认为，高性能 混凝土不仅在性能上对传统混凝土有很大突破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经 济合理等方面，尤其对环境保护有着十分重要的意义。高性能混凝土应更多地掺加以工 业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料。国内目前普遍认为，吴中伟教授对高性能 混凝土所作的这种描述是适宜的。 近1 0 年来，我国水泥生产技术有了很大的变化，现在干法生产的水泥年产量已达1 亿吨左右( 但占我国水泥总产量的比例增加不多，不到1 5 ) ，能耗大幅降低，水泥标号 提高，比表面增大。水泥新标准执行后，由于新标准试件水灰比提高为o 5 ，对强度、 特别是3 d 强度的要求相对提高了，小水泥厂为了达至l j 3 d 强度的指标，也提高了水泥的比 表面。过去水泥的比表面约在3 0 0 0 c m 2 g 左右，现在大水泥厂的水泥比表面普遍大于 3 5 0 0 c m 2 g ，小水泥厂的水泥比表面也在3 2 0 0 c m 2 g 左右。总之，现在大工程用的好水泥 与过去相比的特点是：高强度、高早强、2 8 d 强度超标号、高比表面。 从混凝土技术的发展看，商品混凝土和泵送混凝土有了很大的发展，商品混凝土的 坍落度普遍提高到1 8 c m 2 2 c m ，所以增加了胶结料用量。开发商和施工单位过度追求 早强高强，以期提高模板周转率和加速施工进度，以期得到更大的利润。c 2 5 - c 3 0 的 混凝土2 8 d 强度可达4 0 m p a - - - - 4 5 m p a 。正常的混凝土3 d 强度大致是2 8 d 强度的4 0 5 0 ， 而很多施工单位要求3 d 强度达到设计标号的7 0 。所以近1 0 年混凝土的发展趋势是：高 标号、超标号、高早强和大坍落度。随着高性能混凝土的发展和推广，我国混凝土技术 的变化是很大的。混凝土的平均强度有了很大的提高；耐久性得到了重视；商品混凝土 的比例大幅增大；泵送高度有了突破性的提高；矿渣细粉( 比表面：i 生4 2 0 0 c m 2 g 4 5 0 0 c m 2 g ) 的大批量生产( 年产量6 0 万吨的生产线) 和应用；i 级粉煤灰推广使用量的增 大；工业废渣从低级利用变为高级利用，所有这些都是我国混凝土技术的显著进步。然 而与此同时在工程中又出现了许多不容忽视的亟待解决的问题：裂纹问题，特别是早期 裂纹问题；耐久性不好导致结构物破坏的问题；耐久性设计的理念和方法；水泥成分和 性能对混凝土性能的影响，也即什么样的水泥符合高质量混凝土要求的问题；如何最合 理地使用矿粉、粉煤灰等掺合料的问题等等。这些问题成了最近这几年我国混凝土界研 究和讨论的热点。 我国现在已有条件在不同用途上采用高性能混凝土。如世界跨度最长斜拉桥一杨 浦大桥和亚洲最高的建筑东方明珠电视塔，以及龙羊峡、葛洲坝等水电站建设。只 6 艮安人学硕i ：学位论文 要我们掌握好混凝土的基本原理，运用已有的经验，经过试验，重视质量，我们完全有 能力做好和用好不同用途的混凝土，满足各种工程, t i n 品的要求。在此基础上继续改进 提高、不断创新，在混凝土技术上、数量上和质量上走在世界前列。 此外，美英日等国近几年在研究开发几种特高性能水泥基新材料。其主要力学指标， 大大超过高强度混凝土，而可与陶瓷、铝、钢等相比拟。例如抗压强度可达3 0 0 m p a ， 抗折强度可达1 5 0 m p a ，弹性模量可达5 0 g p a 。从这些新的发展，可以说明混凝土性能还 有很大潜力，混凝土技术应用方面还有很大开发的余地，有待我们去努力。 高性能混凝土的历史尚短，现代的混凝土设计、施工和质量检测标准，包括原材料 的标准主要是针对高水灰比的普通混凝土的特点而制定的，许多不适用于以低水胶比为 特点的高性能混凝土，有的甚至成为推广应用高性能混凝土的阻力。有关高性能混凝土 的设计施工规程和检测方法，我国正在研究编制，高性能混凝土将在发展中不断完善。 高性能混凝土是高科技含量的混凝土，生产施工高性能混凝土需要以提高混凝土的生产 技术水平作为基础，要有高素质的操作人员、稳定的原材料质量、比较完善的生产施工 设备和高水平的管理体制。 高性能混凝土适合预拌生产和机械化施工，我国多数大城市和重点工地，现已具备 推广应用的基本条件。推广应用高性能混凝土需要有设施、施工、科研部门和原材料与 混凝土生产企业的各方参与，需要政府有关部f - j n 以组织、协调、干预和技术经济政策 上的支持。混凝土工业是传统产业，需要用高新技术加以改造和提高。可以断言，高性 能混凝土的研发和推广应用必将是我国今后新型混凝土发展的主要方向。 1 3 高性g 日a 匕f _ , 混凝土的技术途径 高性能混凝土的技术途径主要应从材料选择、配合比设计及拌制工艺等方面着手。 1 3 1 原材料选择 1 水泥 配制高性能混凝土宜选用强度等级不低于4 2 5 的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中 低热水泥，对水泥的主要要求：c 3 a 含量不宜超过8 ，含碱量不宜超过0 7 ；需水量 小；细度不宜过高，颗粒形状和级配合理。 一般来说，用于高性能混凝土的水泥，应限制矿物成分中的碱含量s n c 3 a 含量。c a 含量的多少与混凝土拌和物丧失流动性的时间、初凝时间及混凝土的早期强度高低有很 7 第一章绪论 大关系。一般不宜超过8 。c 3 a 含量较高时，在外加高效减水剂的拌和物中容易出现流 动性迅速损失的现象，当然对于不同牌号的减水剂和水泥，情况并不完全一样。具体选 用何种水泥还应考虑水化热的限制以及早期强度和耐久性等要求。水泥中游离的氧化钙 和氧化镁等有害成分应尽可能的少。含碱量大的水泥配制混凝土后容易开裂，当怀疑骨 料有碱活性并存在碱一骨料反应可能时，水泥的含碱量更应严格限制。 2 粗细骨料 配制高性能混凝土的粗骨料颗粒尺寸必须大小搭配、有良好的级配，这样才能减少 用于填充骨料间空隙的浆体量，减少混凝土收缩而有利于防裂。高性能混凝土应选用粒 径较小的石子。粗骨料粒径不同时，水狄比对混凝土的渗透性和强度的影响不同。骨料 粒径越大，混凝土的渗透性随水驮比的提高而增加得越快，而当水灰比低于0 5 以后， 混凝土的强度随石子最大粒径的增加而下降的幅度显著增大。选用粒径较小( 最大粒径 不宜大于2 5 r a m ) 的石子，有利于提高抗渗性和强度。应该选用粒形接近于等径状的石子， 粒形好的石子可使混凝土拌和物具有好的施工性能，并对硬化后的强度有利。因此，要 控制针、片状颗粒含量不大于5 ，同时要控制那些虽然不够针、片状颗粒的标准但目 测是扁形和长形的颗粒的比例。砂石的质量尤其是粗骨料的级配在混凝土原材料质量控 制中常被忽视。有的地方供应的粗骨料空隙率甚至达到5 0 以上，远高于正常情况，这 样在混凝土配制时就需要另外加入小粒径豆石。配制高性能混凝土的细骨料一般要求 中、粗砂，但其来源在一些地方已趋于枯竭，我国许多地方只出产细砂，但细砂也可配 制出高强高性能混凝土，如重庆建筑大学近来研制的细砂高性能混凝土的强度超过了 1 0 0 m p a 。除了配制很高强度等级的混凝土外，一般并不需要对石子的强度提出过高要 求，但应控制风化颗粒和含泥量。 3 高性能混凝土外加剂 对高性能混凝土用化学外加剂的要求是：减水率高( 2 0 - - - - 3 5 ) ；保塑性好，能延 缓坍落度损失；对水泥适应性好；能改善混凝土的孔结构，提高抗渗性、耐久性等；能 调节混凝土的凝结和硬化速度；氯离子含量、含碱量低。要按胶结料和外加剂相容的原 则和工程的要求选用新型高效减水剂和其他组分多元复合而成的高性能、多功能混凝土 外加剂。 高性能混凝土的复合化途径除已用得很多的活性细掺料与高效减水剂的复合使用 外，还有优质粉煤灰与磨细矿渣的复合，硅灰与粉煤狄或稻壳灰的复合，沸石粉与粉煤 灰的复合等。加入多种外加剂的复合在国内也愈来愈普遍。 8 k 安人学硕1 j 学位论义 4 矿物掺合料 矿物掺合料能改善胶结材的级配，提高浆体的流动性，减少混凝土拌和物的泌水、 离析。提高混凝土抗化学腐蚀性，增加混凝土的密实度。研究和实践已经表明，大掺量 矿物掺合料混凝土可以建耐久性很好的高性能混凝土。使用的矿物掺合料主要以粉煤灰 和磨细矿渣粉为代表，国外也有少数掺加较多石灰石粉的实例。粉煤灰宜选用符合国标 用于水泥和混凝土中的粉煤灰( g b1 5 9 6 - 1 9 9 1 ) 规定的i 级灰和i i 级灰。磨细矿 渣粉的质量指标应符合国标用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 ( g b t 1 8 0 4 6 2 0 0 0 ) 的规定。必要时，也可以掺用磨细天然沸石粉和硅粉。不同种类的矿物掺 合料有不同的特性和作用，例如粉煤灰白收缩和干燥收缩小、抗裂性能好，但抗碳化的 能力较差；磨细矿渣粉活性高，早期强度较高，抗碳化性能好，但自收缩和干缩较大。 因此可将不同矿物掺合料复合使用，以取长补短。 水灰比低而流动性大的混凝土，一般需有较多的胶凝材料总量，其中应多用矿物掺 合料，减少水泥用量。 1 3 2 配合比设计 为能得到很低的渗透性并使活性矿物掺合料充分发挥强度效应，高性能混凝土水胶 比一般低于0 4 0 。但低水胶比混凝土更容易产生早期开裂，必须通过加强早期养护加以 控制。如果强度要求不是很高，宜适当增加水胶比，但不应超过0 4 5 。高性能混凝土在 配合比上的特点是低用水量，较低的水泥用量，并以大量掺用的优质矿物掺合料和配用 的高性能混凝土外加剂作为水泥、水、砂、石之外的混凝土必需组分。 建筑工程用的具有良好的流动性和粘聚性的高性能混凝土，一般需有较多的胶结材 量和较高的砂率。其用水量宜不大于1 7 5 k 咖3 ，胶结材浆体量宜大于3 3 0 1 m 3 混凝土，砂 率宜在3 5 - - 4 5 。具体的配合比必须根据工程的具体条件和要求，通过试验研究得出， 并须经现场试验确认满足要求后，方可正式使用。 1 3 3 拌制工艺 高性能混凝土水泥等胶结料总量较大，用水量小，混凝土拌和物组分多、粘性较大， 不易拌和均匀，需要采用拌和性能好的强制搅拌设备，适当延长搅拌时间。在制备高性 能混凝土时，对多个生产环节均需严格控制，各种原材料计量要准确，通常允许偏差可 控制在：水泥和矿物掺合料1 ，粗细骨料2 ，水和化学外加剂1 。使出机的混 凝土拌和物工作性稳定、波动小。尤其是要使砂石含水率尽量稳定，加强监控和观测， 9 第一章绪论 及时调整用水量和砂石用量，调控好混凝土稠度，严禁在混凝土拌和物出机后添加额外 的水量。高性能混凝土的保塑，主要通过掺用高性能泥凝土外加剂来解决。掺用矿物掺 合料，控制拌和物入模温度，也有利于减少工作性的损失。 1 4 本文研究的主要内容 高性能混凝土对原材料的要求高，特别是细集料，在普通混凝土配合比设计规程 ( j g j5 5 2 0 0 0 ) 和高强混凝土结构设计与施工指南以及高强混凝土结构技术规程 ( c e c s1 0 4 ：9 9 ) 中对混凝土的要求明确指出：细集料宜采用天然中砂。而重庆市地处 长江、嘉陵江交汇处，工程建设所用天然砂主要取自两江的天然砂，细度模数多在1 6 以下，多为特细砂。所以，重庆的一些重要工程结构混凝土均采用运距4 0 0 k m 以外的简 阳砂或德阳砂。在涪江三桥施工中，主桥箱梁混凝土设计标号均为c 5 0 混凝土，挂篮悬 臂施工技术；p 2 、p 3 墩箱梁采用预拌混凝土泵送施工，混凝土要求为：大流动性、缓凝、 早强泵送高强高性能混凝土。因工期紧，简阳和德阳砂运距远、成本高、供货难保证， 提出在全桥用重庆铜梁岚峰生产的质地坚硬、级配良好的机制砂与资源丰富、流经合川 的天然渠河特细砂复合的混合砂配制高性能混凝土。 从重庆的实情和社会效益、经济效益出发，涪江三桥采用混合砂配制高性能混凝土 是合理的。况且，机制砂配制高性能泵送混凝土在重庆地区重点工程中已有一定的成功 案例。例如：黄花园大桥主桥下游幅p 1 墩箱梁1 6 4 - - 2 0 4 节段、p 2 墩箱梁1 7 4 - - 2 2 4 节段中； 鹅公岩大桥西塔柱c 5 0 混凝土和复线桥p 3 、p 4 墩身c 5 0 混凝土中，为大跨度桥梁提供了 应用实例。2 0 0 1 年5 月重庆市建委发布的重庆市机制砂配制混凝土技术规程，为涪 江三桥采用机制砂配制高性能混凝土提供了理论和实践依据。所以，以机制砂、特细砂 组成的混合砂代替天然中砂是可行的。但是，由于国内在这一领域起步较晚，特别是高 性能混凝土作为一种新型高技术混凝土，仍处于探索阶段，研究还有一些未完善之处， 必须要有一定的理论依据和科学严谨的技术措施，经充分论证，方可付诸实施。 为了用当地的原材料配制出满足设计和施工要求的高性能混凝土，为此开展了高性 能混凝土配合比设计及试验研究。试验研究分两个阶段进行：第一阶段：配合比的初选。 第二阶段：选择出满足施工工作性和强度要求，并具有可靠的良好耐久性的混凝土配合 比进行强度复配和抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲磨及干缩试验。 1 0 长安人学硕f 二学位论文 第二章c 5 0 高性能混凝土原材料 高性能混凝土所用的原材料，除传统混凝土所用的水泥、砂、石和水四大组成外， 同时必须使用外加剂( 人们亦称为混凝土的第五组分) 和矿物细掺料( 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掺合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胶比，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性外，还改善混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性与强度。由 于高性能混凝土的高性能要求和配制特点，原材料中原来对普通混凝土影响不明显的因 素，对高性能混凝土就可能影响显著。因此，高性能混凝土和普通混凝土所用材料的要 求有所不同。 2 1 水泥 高性能混凝土所用水灰比很低，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少收缩，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，用于高 性能混凝土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，并与目前广泛应用的高效减水剂有很好的相容性，较容易控制 坍落度损失。在我国，普通水泥和硅酸盐水泥的强度等级完全可以满足高强高性能混凝 土配制的需要，最常使用的是4 2 5 强度等级以上的水泥。 高强混凝土的水泥用量应由试配试验确定，一般情况下，水泥用量不宜大于 5 5 0 k g m 3 ，水泥与掺和料的胶结材料总量不大于6 0 0 k g m 3 。 影响水泥与超塑化剂( 或称高效减水剂) 相容性的主要因素，对高效减水剂来说， 是其化学性质、分子量、交联度、磺化程度和平衡离子等；对水泥来说，是s 0 3 含量同 水泥中c 3 a 、细度和碱含量的匹配。 选用水泥必须是旋窑生产的水泥熟料，其各项品质指标必须达到规定指标要求。 表2 1 水泥的化学成分 化学成分 s i o ， a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 3烧火鼍 含量 2 2 3 06 4 2 3 9 15 9 0 13 0 01 9 61 3 0 第二章c 5 0 高性能混凝十原材料 涪江三桥c 5 0 高性能混凝土的水泥选用重庆腾辉集团生产的腾辉牌p 0 4 2 。5 ，水泥 的化学成分和主要性能见表2 1 、表2 2 。 表2 2 水泥的主要性能指标 细度筛余 凝结时间h ：m i n 安定性 抗压强度m p a 抗折强度m p a 初凝终凝 ( 试饼法) 3 d2 8 d3 d2 8 d 2 02 ：3 53 ：2 5 未见裂纹、翘曲 2 9 75 4 26 58 7 2 2 集料 集料，又称骨料，是混凝土的主要组成材料之一，在混凝土中约占3 4 。正确选择 集料的品种是配制高性能混凝土的基础。集料在传统混凝土中主要起骨架作用和