（水工结构工程专业论文）粉煤灰C55高性能混凝土在滨州黄河大桥工程中的应用研究.pdf

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为满足滨州黄河大桥工程对混凝土的特殊要求，本课题研究通过在混凝土 中掺入一定比例的粉煤灰以代替水泥来改善混凝土的耐久性能和施工性能。本 研究课题具体研究了掺加粉煤灰以后对混凝土力学性能、工作性能和耐久性能 的影响，比较分析了掺加粉煤灰后混凝土的各项性能指标的变化规律。本课题 研究发现： ( 1 ) 掺加粉煤灰的混凝土虽然早期强度有所降低，但后期强度有明显的提高： ( 2 ) 掺加粉煤灰的混凝土和易性变的更好，泵送性能有了显著改善；抗渗、抗腐 蚀、抗干缩等耐久性能也得到了明显的改善： 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 掺加粉煤灰的混凝土水化放热总量减少，放热时间延长，混凝土的温升峰值 降低，能够缩小混凝土内外温差，防止和减少混凝土温度裂缝的出现； ( 4 ) 掺加粉煤灰还大大降低了工程建设成本，减少了由于粉煤灰的任意排放所造 成的环境污染，有着巨大的经济效益和社会效益 以本课题研究成果为基础最后确定的用于工程施工的配合比满足现场施 工工艺对混凝施工性能的要求和设计图纸对其强度、耐久性等功能的要求， 并在一定程度上降低了工程建设成本，收到了良好的效果希望通过本课题的 研究，能够对粉煤灰在混凝土中的推广应用起到促进作用。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm a y1 9 9 0 ，t h ef i r s ti n t e r n a t i o n a lp r o s e m i n a ro nh p cm i g i l p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) w a ss p o n s o r e db yn i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) a n da c i ( a m e r i c ac o n c r e t ei n s t i t u t e ) i nt h e ，c i t yo fg a t h e r s b u r gi nm a r y l a n ds t a t eo fa m e r i c a a tt h ep r o s e m i n a r , h p cw a sf i r s td e f i n e da s ：c o n c r e t eh a v i n gd e s i r e dp r o p e r t i e sa n d u n i f o r m i t y t h a tc a n n o tb eo b t a i n e d r o u t i n e l yu s i n go n l yt r a d i t i o n a l c o n s t i t u e n t sa n dn o r m a lm i x i n g , p l a c i n g ，a n dc u r i n g p r a c t i c e s a s e x a m p l e s ，t h e s ep r o p e r t i e sm a y i n c l u d e ： e a s eo f p l a c e m e n ta n dc o m p a c t i o nw i t h o u ts e g r e g a t i o n e n h a n c i n gl o n g - t e r mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s h i g he a r l y - a g es t r e n g t h h i g ht o u p h n e s s v o l u m es t a b i l i t y l o n g l i f ei ns e v e r ee n v i r o n m e n t s c o n f e c t i n gh p cb ya d d i t i o no ff l ya s hh a sm a d em u c hp r o g r e s sa t h o m ea n da b r o a d h o w e v e r , i nt h eb r i d s ec o n s t r u c t i o nf i e l d t h e r ea r e m a n yc o n t r o v e r s i e so nt h et e c h n o l o g y b yt h ee x a m p l eo ft h eb i n z h o uy e l l o wr i v e rb r i d g e ，t h i ss u b j e c t s t u d i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e t e c h n o l o g yb yw h i c hi - i p cn e e d e db y e n g i n e e r i n gw a sc o n c o c t e dw i t ha d d i t i o no fn ya s h t h eb i n z h o uy e l l o w r i v e rb r i d g ei sac a b l es t a y e db r i d g es p a n n i n gy e l l o wr i v e rw i t ht h r e e t o w e r sa n dt w oc a b l ep l a n e s t h ed e s i g ns t r e n g t ho fc o n c r e t e su s e df o r t o w e r sa n db o xg i r d e r ss h o u l db e5 5 p m a , a n dt h ec o n c r e t e ss h o u l db ea l l p u m p i n g t h em i dt o w e ro fb i n z h o uy e l l o wr i v e rb r i d g e ，1 2 5m e t e r s h i g h 。i st h et a l l e s tt o w e ro fa l lb r i d g e so v e rt h ey e l l o wr i v e nb e c a u s e t h em a i ns p a no f t h eb o xg i r d e ri s3 0 0m e t e r s ，t h ec o n c r e t em u s t m e e tt h e 山东大学硕士学位论文 r e q u i r e m e n to ft h ed e s i g ns t r e n g t h ，a n di t sw o r k a b i l i t ym u s tm e e tt h e r e q u i r e m e n t o fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yb y h i 曲a l t i t u d ea n dl o n g d i s t a n c ep u m p i n g s i m u l t a n e o u s l y , a san a t i o n a lk e ye n g i n e e r i n g ，t h i s b r i d g e ，w h i c hi s t ol a s tf o rg e n e r a t i o n s ，c a l l sf o rg o o dq u a l i t ya b o v e e v e r y t h i n ge l s e ，a n ds oc a l l sf o rh i 曲d u r a b i l i t yo f c o n c r e t eu s e d i no r d e rt om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to f t h ec o n c r e t eu s e di nt h i s b r i d g e ，ac e r t a i nf l ya s h ，i ns t e a do fc e m e n t , i sa d d e dt oc o n c r e t et o i m p r o v et h ed u r a b i l i t ya n dw o r k a b i l i t y t h i ss u b j e c tm a i n l ys t u d i e st h e e f f e c to ff l ya s ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t y , w o r k i n gp e r f o r m a n c ea n d d u r a b i l i t yo fc o n c r e t e ，a n da n a l y s e st h ec h a n g eo r d e r l i n e s so fv a r i o u s p e r f o r m a n c ei n d e x e so fc o n c r e t ea f t e rf l ya s hi sa d d e d t h r o u g hs t u d y i n g , t h i ss u b j e c tf i n e s ： ( 1 ) a l t h o u g ht h ee a r l ys t r e n g t ho fc o n c r e t eb ya d d i t i o no ff l ya s h d e p r e s s e s ，l a t es t r e n g t he n h a n c e so b v i o u s l y ( 2 ) p u m p a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y ( s u c h 醛b a r r i e rp r o p e r t y , e r o s i o n r e s i s t a n c e ) i m p r o v e sn o t a b l yb e c a u s et h ew o r k a b i l i t yo fc o n c r e t eb y a d d i t i o no f f l ya s hi sm u c h b e t t e r ( 3 ) b e c a u s et h et o t a lh e a to fh y d r a t i o no f c o n c r e t eb ya d d i t i o no ff l y a s hd e c r e a s e s ，t h et i m eo fh e a tr e l e a s ep r o l o n g s ，t h ep e a kv a l u eo f t e m p e r a t u r er i s ed e p r e s s e s ，t h ed i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e i n s i d ea n d o u t s i d ec o n c r e t ec l o s e s ，m o r e o v e r t e m p e r a t u r ec r a c k i n gi sp r e v e n t e do r r e d u c e d t ( 4 ) b ya d d i t i o n o ff l ya s h ，c o n s t r u c t i o nc o s td e p r e s s e ss i g n a l l y , e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb yi n d i s c r i m i n a t ee m i s s i o no ff l ya s hr e d u c e s , w h i c hh a se n o r m o u se c o n o m i ce f f e c ta n ds o c i a le f f e c t b a s e do nt h er e s e a r c hf i n d i n g s ，t h el a s tw o r da s t ot h em i x i n g p r o p o r t i o n su s e df o re n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f 山东大学硕士学位论文 w o r k a b i l i t y , s t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t e ，a n di nam a n n e r , r e d u c e t h ec o n s t r u c t i o nc o s to fp r o j e c t s ，w h i c ho b t a i n sg o o dr e s u l t s i ti s e x p e c t e dt h a tt h er e s e a r c hi nt h i ss u b j e c tw i l lh a v ea l la n x oa c t i o n0 1 1t h e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f f l ya s hi nc o n c r e t e 山东大学硕士学位论文 第一章课题概述 1 1 高性能混凝土的发展历史与研究现状 自从1 9 世纪波特兰水泥诞生以来，混凝土就逐渐成为世界上应用最广泛的 建筑材料，因而也是最重要的建筑材料之一2 0 世纪世界水泥的年产量逐年增 加，1 9 0 0 年约o 1 亿吨，1 9 9 8 年就达到了约1 6 亿吨，以l m 3 混凝土水泥用量 为3 5 0 k g 计算，1 9 0 0 年全世界混凝土用量仅3 0 0 0 万方，而1 9 9 7 年就达到了4 6 亿方( 人均耗量2 5 t 或l m 3 仅次于水的耗量) 进入2 0 世纪以来，以混凝土 为建筑材料的工程结构物得到飞速发展，成为桥梁、大坝、公路和城市运输系 统现代化标志的首选材料。据统计，当今每年消耗的混凝土量约为8 8 亿吨， 而且可望在2 l 世纪继续稳定地增长： 随着科学技术的发展，为适应不同的环境要求，建筑工程界对混凝土性能 的要求亦由普通波特兰水泥混凝土到高强混凝土进而发展到2 0 世纪8 0 年代提 出的能够满足不同工程背景、性能各异的混凝土高性能混凝土是2 0 世纪9 0 年代在国际混凝土界开始兴起的，因为经济、技术条件的限制和工程建设具体 要求的不同以及科研攻关的侧重点的差别，不同国家、不同工程、不同专家对 高性能混凝土的概念的认识有一些区别。高性能混凝土的定义一直就存在着争 议，有的说高性能混凝土就是高强混凝土，有的强调高性能混凝土应该有良好 的工作性能，有的以良好的耐久性作为高性能混凝土的首要指标。1 9 9 0 年5 月， 在美国马里兰州g a i t h e r s b u r g 城由n i s t ( 美国国家标准化和技术协会) 和 a c i ( 美国混凝土协会) 主办了第一次关于h p c ( 高性能混凝土) 的国际研讨 会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义：“高性能混凝土是具有某些性能要 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，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”当时，高性能混凝土一般对强度要求都很高，通常是指5 0 m p a 以上 标号的混凝土，因此，高性能混凝土可以认为是在高强混凝士基础上发展和提 高的，也可说是高强混凝土的进一步完善至今国内外有些学者仍然将高性能 混凝土与高强混凝土在概念上有所混淆。在欧洲一些国家常常把高性能混凝土 6 山东大学硕士学位论文 与高强混凝土相提并论( h p c h s c ) 。 混凝结构的耐久性能同题首先是在美国引起重视。在2 0 世纪3 0 年代， 刚开始大力兴建混凝土结构时，人们普遍认为它的设计使用寿命是4 0 - - 5 0 年， 而且基本无须维护，还绰绰有余直到7 0 年代，混凝土过早劣化的现象，仍被 看作是例外，是由于规范存在问题。或者材料与施工不当所引起但是在1 9 8 7 1 年美国国家材料顾问委员会提交的报告中报道，大约2 5 3 万座混凝土桥梁的桥 面板，其中部分仅使用不到2 0 年，就已经不同程度地破坏，而且每年还将增加 3 5 万座。同年，l i w a n 和b i c k l e y 发表了对于加拿大停车场的检测报告，他们 发现大量停车场在远比预计的服务寿命提前出现破坏的现象。g e r w i c k 等人分别 报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象 而研究表明：这些结构物的设计、材料和施工都是符合现代技术发展水平的 由于美国混凝土桥面板普遍出现开裂，因此转向使用高强混凝士，但是看来这 无济于事根据国家公路合作研究计划1 9 9 5 年的检查结果表明，上1 0 万座混 凝土桥梁的桥面板在浇筑后一个月内就出现了间隔1 - 3 米的贯穿性裂缝。与此 同时，日本和欧洲的一些发达国家也陆续发现了类似的问题并着手开始研究解 决。但是令人惊奇的是，一些屹立了2 0 0 0 年之久的无筋混凝土结构，例如用缓 慢硬化的火山灰石灰水泥建造的古罗马万神殿和欧洲的几条输水管道仍然完 好：而在2 0 世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝土结构则迅速地劣化。当暴露在 侵蚀环境中，例如除冰盐和海水中，桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结 构在不到2 0 年的时间里就出现严重的耐久性问题。 随着工程技术的发展，特别是一些大规模桥梁码头、大坝工程和高层建筑 的建设，对混凝土的工作性能的要求也越来越高，如表1 - l 。这样各国对高性 能混凝土的研究与发展，主要是在提高耐久性的基础上。通过掺加超塑化剂， 往往也掺入一些活性磨细矿物掺合物，以改变混凝土的内部结构，改善其不同 材料间相互作用的化学机理，使其工作性能有所提高，以适应特定的施工工艺 的要求因而良好的耐久性能和工作性能越来越凸现为高性能混凝土最主要的 性能指标，也成为高性能混凝土的重要标志，而高强度逐渐不再被认为是高性 7 山东大学硕士学位论文 能混凝土的必须的性能指标。我国的吴中伟院士在1 9 9 6 年提出：”有人认为混 凝土高强度必然是高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来一些不利 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 ”1 9 9 9 年又提出：”单纯的高强度并不一定具有高性能。如果强调高性能混凝土 必须在c 5 0 以上，大量处于严酷环境中的海工、水工建筑对混凝土强度要求并 、 不高( c 3 0 左右) ，但对耐久性要求却很高，而高性能混凝土恰能满足此要求。” 近年来，美国混凝土学会又对高性能混凝土给出了一个文字上较精练的定义： “高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混 凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法 所获得” 表1 - 1 混凝土工作度的变化 种种研究和应用的成果表明，混凝土的技术进步不能以高强为目标，而应 以高性能为目标，单纯以高抗压强度来表征混凝土的高性能是不确切的。高性 能混凝土应当根据工程建筑的要求来确定。包括不同强度等级的高性能混凝土， 如普通强度的高性能混凝土、高强高性能混凝土我国的高性能混凝土研究事 业起步亦较早，在实际生产中亦有较多的投入，并取得一定的成果。如吴中伟 院士早在上世纪九十年代就认为：“高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土， 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，以耐 久性作为主要设计指标的混凝士。它要根据不同使用要求，满足下列性能：耐 久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等。” 山东大学硕士学位论文 综合前面的种种说法，高性能混凝士发展到今天。总结起来应该具有以下 一些特点： ( 1 ) 良好的工作性能，易浇捣 ( 2 ) 匀质性好，不离折、不泌水 ( 3 ) 耐久性能好 、 ( 4 ) 具备某一方面或某几个方面的特殊性能，能满足工程对其性能的特殊要求， 如泵送混凝土、抗渗混凝土、抗冻混凝土等：又比如日本从其国内能源、 材料、经济、环保等角度出发。开发出较多类型的高性能混凝土( 防磁、防 辐射混凝土，导电混凝土，超耐磨混凝土等) ，以满足本国建筑材料市场的 需要。 c 5 ) 通常应该能够节省工程建设成本，有良好的经济效益 ( 6 ) 对环境无损害，有益于保护环境 在我们国家，通过掺加粉煤灰来配制高性能混凝已经有许多成功的先例， 但是这项技术还是没有得到广泛的认可，在实际应用中还有很多不同的意见， 推广应用还有相当大的阻力主要的争议在于有人认为掺加粉煤灰会降低混凝 士的强度，降低混凝土的抗碳化性能从而不利于提高混凝士的耐久性能，所以 在混凝土中掺与不掺粉煤灰一直都是一个有争议的问题。比如粉煤灰掺入混凝 土中能够改善混凝土的耐久性能这一点在国内桥梁建设领域就还没有达成一致 的观点。到目前为止，笔者有幸参与建设了滨州黄河大桥( 已建成通车) 和青 银高速济南黄河大桥( 在建) 两座跨越黄河的特大型斜拉桥，在两座桥的p c 箱 梁施工中，所用的混凝土都因为争议太大而没有掺加粉煤灰另外虽然我们也 有很多通过掺加粉煤灰配制高性能混凝成功的先例，但是在我国建筑材科界， 囿于传统水泥混凝土配制观念和现有规范规程的限制，粉煤灰还是仅仅作为水 泥的替代品掺入混凝土中，一般掺量较低，通常不超过胶体总量的2 5 ，例如上 面提到的两座黄河大桥工程的塔身混凝土虽然被允许掺加粉煤灰，但同时也明 确规定掺量不得超过胶体总量的1 8 9 6 。总的来说在国内建筑材料界。通过掺加粉 煤灰来配制高性能混凝土这项技术在应用过程中存在两个有争议的问题，一个 9 山东大学硕士学位论文 是能否掺的问题；另外一个是能掺多少的问题。我们希望通过本课题的研究能 对以上两个问题的解答提供依据 1 2 课题研究的主要内容 本课题主要研究了以下几个方面的问题； ( 1 ) 以室内试验为基础确定滨州黄河大桥工程所用c 5 5 混凝土配合比，并在 。施工过程中抽样检测混凝土强度，弹模，凝结时间，坍落度，扩展度等混凝土 的各项力学性能与工作性能，分析检测结果，找出室内试验与现场施工的区别， 完善理论配合比。指导和服务现场施工 ( 2 ) 研究粉煤灰的掺入对混凝土力学性能的影响，包括对抗压强度、抗折强度 和抗压弹性模量的影响 ( 3 ) 研究粉煤灰的掺入对混凝土工作性能的影响，包括对混凝土坍落度、扩展 度、粘聚性、流动性及初、终凝时间的影响等 ( 4 ) 研究粉煤灰的掺入对混凝土耐久性能的影响，包括对抗渗、抗干缩、抗腐 蚀、抗碳化等各项耐久性能的影响 ( 5 ) 分析粉煤灰用于高性能混凝土所产生的经济效益和社会效益 1 3 课题研究的步骤与技术路线 ( 1 ) 选择原材料 在工地附近地区优选水泥、粉煤灰、砂石科，外加剂等原材料，并检测各 种原材料的性能指标。选择其中优秀的种类用于课题试验和现场施工 ( 2 ) 室内试验 首先设计计算c 5 5 混凝土理论配合比，然后进行试拌测试，比较混凝土的 工作性能，并制作混凝土试件测试其各项力学性能和耐久性能，寻找粉煤灰的 掺入对混凝土性能的影响规律 ( 3 ) 现场检测 从混凝土浇筑现场抽样检测混凝土的工作性能，力学性能等各项性能，检 查室内试验成果在现场的实现情况，根据现场反馈的信息，修正和完善理论成 果。 o 山东大学硕士学位论文 本研究课题以解决工程施工实际困难为出发点。主要是设计出适合大高度、 远距离泵送施工工艺要求的c 5 5 混凝土配合比，以满足滨州黄河大桥工程的施 工需要同时，对混凝土的力学性能、工作性能和耐久性能等做迸一步的研究， 特别是对掺加粉煤灰前后混凝土的各项性能指标的变化规律进行分析，为今后 在混凝土中掺加粉煤灰提供依据 1 4 课题研究的主要成果 本课题的研究表明。 ( 1 ) 粉煤灰的掺入有减水作用，并且能够改善混凝土的工作性能，提高混凝士 的可泵性 ( 2 ) 粉煤灰的掺入能够显著提高混凝土的后期强度。 ( 3 ) 粉煤灰的掺入能够提高混凝土的抗渗性能、抗干缩性能、抗腐蚀性能从 而增强混凝土在这些方面的耐久性能 ( 4 ) 粉煤灰的掺入能够延长混凝土的凝结时间，从而平滑混凝土的温升峰值， 还可以降低混凝土的水化热总量，是一项预防和控制混凝土温度裂缝的重 要措施。 ( 5 ) 通过使用高减水率的减水剂来降低水胶比可以配制粉煤灰掺量在3 0 - 7 0 的高强混凝土。 ( 6 ) 在混凝土中掺加粉煤灰，可以代替部分水泥；并能起到一定程度的减水作 用，减少外加荆的用量，从而能够降低工程建设成本，还能增加热电厂的 收入，减少环境污染是一项能使多方获益的技术，值 暴推广应用。 总之，掺加粉煤灰的混凝土虽然早期强度有所降低，但后期强度有明显的 提高；和易性交得更好，泵送性能有了显著的改善：抗渗、抗腐蚀，抗于缩等 耐久性能也得到了明显的改善；混凝土水化放热减少，能够减小混凝土的内外 温差，防止和减少混凝土温度裂缝的出现：并且掺加粉煤灰还大大降低了工程 建设成本，减少了由于粉煤灰的任意排放所造成的环境污染，有着巨大的经济 效益和社会效益。希望通过本课题的研究，能够对粉煤灰在混凝土中的推广应 用起到促进作用。 山东大学硕士学位论文 1 5 经济效益与社会效益分析 ( 1 ) 经济效益分析 混凝土中掺加粉煤灰降低了混凝土的生产成本，节约了工程建设费用同期 粉煤灰的价格约为水泥价格的一半，在混凝土中掺入一定比例的粉煤灰来代 替水泥，能够显著降低工程的建设成本 、 粉煤灰掺入混凝士中能够改善混凝土的和易性，提高混凝土的泵送性能，从 而提高了施工过程的工作效率，减少了泵送机械设备的磨损，同样能够降低 工程建设成本 粉煤灰掺入混凝土中能够改善混凝土的耐久性能，延长混凝土结构的使用寿 命，减少维修费用。 ( 2 ) 社会效益分析 粉煤灰掺入混凝土中成为混凝土的一种原材料后，不仅改善了混凝土的工作 性能和耐久性能，还降低了工程建设成本，并且增加了热电厂的利润，所以 说这是一项能够使双方都能获利的技术 粉煤灰作为热电厂的一种副产品，如果不能被利用，而是排放到自然环境中， 必然对环境造成严重的污染，但把它应用于混凝士后，即可变废为宝，又能 减少污染，保护环境。而且粉煤灰取代部分水泥还可以降低水泥的产量，从 而降低因生产水泥而带来的环境污染和能源消耗这些对我们国家的可持续 发展战略是一个重大的贡献。是一件利国利民的大好事。 综上所述在混凝土中掺加粉煤灰既能降低工程建设成本，又能增加热电 厂的收入，还能减少环境污染和降低能源消耗。显然是一项能使多方获益的技 术，有着巨大的经济效益与社会效益，值得推广应用 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章课题研究的背景 2 1 课题研究的工程背景 。 近十几年来，随着我国国民经济的发展，国家对基础设施建设的投资越来 越大，基础设施建设的规模也越来越大，许多高等级公路和大型桥梁码头等工 。程项目陆续投入建设，新的建设项目也正在筹划之中我省白1 9 9 8 年以来，高 速公路建设进入一个快速发展的时期，许多大型桥梁也随之兴建，2 0 0 1 年8 月 开工建设的滨州黄河大桥是一座跨越黄河的特大桥，桥型是一座三塔双索面p c 斜拉桥，属省内第一，全国第三，是目前黄河上唯一的一座三塔斜拉桥主桥 全长7 6 8 m 桥跨布置为：4 2 + 4 2 m ( 边跨) + 3 0 0 m ( 主跨) + 3 0 0 m ( 主跨) + 4 2 + 4 2 m ( 边跨) ，主梁全宽3 2 8 米。采用双边箱p 型断面，设横隔梁。主梁高3 o o 米 索塔为双柱式，桥面以上不设横梁，中塔处为塔、粱、墩固结，边塔处主梁为 半飘浮状态，中塔和边塔高分别为1 2 3 2 5 m 和7 5 7 8 m ( 塔座以上) ，横梁以上高 度分别为1 0 4 7 1 m 和5 8 4 9 m ，其中中塔是黄河上现有斜拉桥中最高的塔柱。下 部基础为钻孔灌注桩，桩长为1 1 5 米，直径为1 5 米上塔柱采用圆端形等截 面，中塔横桥向宽为3 8 m ，顺桥向长从顶部5 5 0 m 变化到横梁底部的8 o m ，边 塔顺桥向长5 0 l 【l 。横桥向宽3 o m 索塔横梁为预应力空心箱梁，外形断面尺寸 为3 0x3 5 m 。设计行车速度1 2 0 k m h 。桥面布置为双向四车道，在桥面中间设 有3 m 的中央分隔带，路面外侧各设有3 米的紧急停车带，两侧护栏2 0 5 m ， 其余为斜拉索下端锚固区设计荷载标准为：汽车一超2 0 级，挂车- - 1 2 0 ；纵坡 该碎石为石灰岩碎石经检测不属于碱活性骨料 该碎石的空隙率较大。配制混凝土时应取稍大些的砂率 ( 5 ) 外加剂 要想配制高强度的混凝土，必须要降低混凝土的水胶比，这就离不开外加 剂的作用；混凝土良好的工作性能( 如泵送性能) 也离不开外加荆的作用。要 配制象滨州黄河大桥主桥塔柱和箱梁c 5 5 混凝土这样的高性能混凝土。不掺加 外加剂是难以实现的，而外加剂的选择除了要注重其本身的一些技术参数以外， 最重要的是要与所用的水泥相匹配，这只能通过大量的混凝土试拌试验来判定 我们优选了n o f - 2 b ，n f - 2 ，m - i ，j f a - h p c 等四种外加剂产品进行了检验，检 验结果四种外加剂均符合一等品的要求，检验结果见表3 6 。 山东大学硕士学位论文 表3 - 6外加荆检验报告 注：以上几种产品均为萘系与氨基磺酸盐复配合成的类型 ( 6 ) 水 表3 - 7 水质检验报告 注：检铡结果表明现场地下承满足混凝土拌合用水要求 混凝土拌合用水要求洁净无杂质，对混凝土耐久性有害的成分和对钢筋有 2 l 山东大学硕士学位论文 锈蚀作用的成分应控制在一定的范围内，通常取现场地下水即可，为保证混凝 土质量安全，我们对现场地下水进行了取样检测，水质检测结果见表3 - 7 3 2 粉煤灰c 5 5 高性能混凝土配合比设计计算 按照规程j g j 5 5 - 2 0 0 0 设计计算配合比如下； ( 1 ) 试配强度：f c u ，o i f c u ，k + 1 6 4 56 = 5 5 + 1 6 4 5 * 6 = 6 5 m p a ( 2 ) 用水量：当碎石最大粒径为2 5 咖时，则w o = 2 1 0 k g 外加剂的减水率根 据表3 - 6 中的检测结果按2 3 计，则试配用水量为： w = w o * ( 1 - 2 3 ) = 2 1 0 0 7 7 = 1 6 2 k g ( 3 ) 水灰比：w c = a 秘f c e ( f c u 。o + a 种ab * f c e ) = o 4 6 * 4 7 ( 6 4 9 + 0 。4 6 * 0 0 7 * 4 7 ) = 0 3 2 5 ( 4 ) 水泥用量：m c o = m w o ( w c ) = 1 6 2 0 3 2 5 = 4 9 8 k g 根据公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 - 2 0 0 0 ) 的规定，c 5 0 以上的高强混凝 土水泥用量不宜超过5 0 0k g ，试拌对应注意傲适当的调整，降低水泥用量。 ( 5 ) 砂率：规程普通混凝土配合比设计规程j g j 5 5 - - 2 0 0 0 中以坍落度要求、 水灰比和碎石最大粒径等几个因素来确定砂率，但在混凝土配合比设计试 拌中我们发现，碎石最大粒径与砂率的选取关系不大，在确定砂率的过程 中可以不把碎石最大粒径作为一个主要因素来看待，而碎石空隙率的大小 决定了填充碎石空隙所需砂浆的多少，因而也对砂的用量有着重要的影响， 所以我们认为碎石空隙率应该是选取砂率的主要考虑因素之一：水灰比决 定着混凝土的强度，而我们认为强度概念要比水灰比概念更直观，因此在 混凝土配合比设计中，我们认为砂率的确定应综合考虑碎石空隙率，砂本 身的细度、混凝土坍落度要求和设计强度等几个因素并通过试拌试验来确 定。本课题中按照规程计算得到砂率应在0 3 8 - 0 4 0 范围内，由于所采用 的砂较粗，并且采用的碎石空隙率较大，坍落度要求较大故取砂率为 0 4 0 。 ( 6 ) 砂石用量：取混凝土的密度为2 4 3 0 k g ，其中外加剂重量未计入，按厂家 推荐掺量和试拌效果确定其最终用量，则有： 山东大学硕士学位论文 鼢舭m s + m f 2 4 3 0( 1 ) m s ( i i s + m c ) = o 4( 2 ) m c = 4 9 8 ( 3 ) 鲢- ：1 6 2 ( 4 ) 解( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 组成的方程组得m s = 7 0 8 ，比= 1 0 6 2 由以上计算得出基准的配合比为： c ：s ：g ：w ：a = 4 9 8 , 7 0 8 ：1 0 6 2 ：1 6 2 ：1 2 5 ( 或1 0 0 ) ( 7 ) 外加剂的用量；外加剂按厂家推荐掺量和试拌效果确定其最终用量另外， 在实际施工过程中要密切注意外加荆与水泥适应性的变化情况，如果出现 有不适应的情况，应该联系水泥厂家和外加剂生产厂家，了解是哪一方的 产品发生了变化，变化的原因是什么，然后尽快做出调整。通常是通过外 加剂的调整来适应水泥的变化 一 注： 当混凝土中掺加粉煤灰时采用粉煤灰以等量替代水泥的方法来计算粉煤灰用量， 其余材料用量不变 对于水胶比小于0 4 0 ，坍落度大于1 0 c m 的混凝土配合比普通混凝土配合比设 计规程j g j 5 5 - - 2 0 0 0 所提供的配合比设计计算方法并不完全适合：另外由于混 一凝土外加剂的加入。使混凝土坍落度与用水量的关系；砂率与水灰比、坍落度的 关系不再完全符合普通混凝土配合比设计规程 j g j s 5 - - 2 0 0 0 所揭示的规律。因 此在掺加外加荆的高强混凝土配合比设计过程中，除了依据规程进行设计计算外。 还主要应该通过试拌试验的结果进行确定 j 3 3 粉煤灰c 5 5 高性能混凝土配合比试拌与性能分析 ， 依据设计计算的结果，我们针对不同的砂率，不同的水胶比。不同的粉煤 狄掺量的情况进行了大量的室内试择试验，共组织进行了1 5 0 多次试拌，对试 拌出的混凝土在强度、工作性能等备方面进行了比较分析表3 - 8 记录的是其 中的部分试拌结果。 3 3 1 力学性能 从表3 - 8 中4 - 9 号及1 5 - 2 0 号配比可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，混 山东大学硕士学位论文 凝土的早期抗压强度( 3 天，7 天) 有所降低，但2 8 天抗压强度已相差不多， 到6 0 天，二者已无明显差别。甚至有些掺加粉煤灰的混凝土的强度已反超不掺 粉煤灰的混凝士的强度，表明掺加粉煤灰虽然降低了混凝土的早期强度，却能 够提高混凝土的后期强度 表3 - 8c 1 5 5 混凝土配合比试拌结果统计 每方混凝土材料用量( k g ) 坍扩 标养试件强度( m p a ) 霉w c 落 展( 1 5 1 5 1 5 ) c f a sg l rt度度 c mc m 3 d7 d2 8 d6 0 d 60 3 1 54 3 86 06 8 21 0 2 31 5 7s - 1 2 52 15 04 7 36 5 87 4 2 70 3 1 54 0 89 06 8 21 0 2 31 5 7a - 1 2 52 14 84 5 06 7 i7 5 1 说明：表中外加荆列( a 列) 中a ，b 、c ，d 分别代表n f - 2 ，) 1 - i n o f 一2 b j f a h p c 等 四种外加荆 山东大学硕士学位论文 圈3 - i 混凝土强度增长曲线i 强度增长规律曲线2 i 。 一 石u l 星6 0一一 t 。 一- _ -+ 3 d 强度 + 7 d 强度 l 瑙4 0 ， 、 一二7 ；藿z o 2 8 d 强度 i 塔。 u 1 61 71 81 92 0 编号 图3 2 混凝土强度增长曲线2 从混凝土强度增长规律曲线l 、2 更能直观地看出掺加粉煤灰对混凝土后期 强度的增长作用从理论上解释这是由于粉煤灰的微集科效用和火山灰效用作 用的结果：粉煤灰掺入混凝土可以分散水泥颗粒，使水泥水化更加充分，胶结 力更强，特别是在低水胶比的高强混凝土条件下水的用量比较小，水泥的用 量比较大，水泥容易发生絮凝现象，造成水泥颗粒不能与水充分接触也就不 能充分的水化，粉煤灰的掺入能够分教水泥颗粒。改善水泥的水化环境，增大 其水化程度；另外粉煤灰颗粒较细，它还能起微集料的作用，填充于水泥颗 粒之间的空隙，提高混凝土的密实度；而且有研究表明粉煤灰与水泥的水化产 物c a ( o h ) ：会发生二次反应，反应生成物的强度高于水泥水化产物的强度，并且 山东大学硕士学位论文 这些二次反应的生成物迸一步充实了混凝土中的微空隙，使混凝士更加密实， 特别是混凝土中骨料与水泥石之间过渡区的空隙，是混凝土容易发生应力破坏 的薄弱地带，这些二次反应的生成物的填充作用与胶结作用对这个薄弱地带进 行了加强，使其受力性能有了明显的改善这被称之为粉煤灰的火山灰效用 所有这些都有利于混凝土后期强度的提高。 ， 表3 - 9 是另一组c 5 5 高性能混凝土的设计配合比，表3 - 1 0 是表3 9 中各组 混凝土的常规性能，可以看出各组混凝土的常规性能均满足规范和施工要求。 值得一提的是从表3 - 1 0 中的数据可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的 弹性模量有较显著的提高( 见抗压弹性模量对比曲线图) 根据弹性模量的定义， 弹模是指单位应变所需的应力也就是说在应力相同的条件下，混凝土构件所 产生的应变会随着混凝土中粉煤灰掺量( 一定范围内) 的增加而减小，我们认 为这也是由于粉煤灰的掺入使混凝土变的更加密实的缘故，因为更加密实的混 凝土其内部的孔隙率必然更小，混凝土作为一种非延展性的脆性材料，它发生 应变的主要原因是内部孔隙的存在，孔隙率的减小必然会使混凝土在相同应力 作用下的应变减小，即混凝土的弹性模量变大另外从表3 1 0 中还能看出，随 着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗劈裂强度增大 表3 - 9 各组试验配合比组成 山东大学硕士学位论文 表3 - 1 0 各组混凝土的常规性能比较 图3 3 混凝土抗压弹性模量对比曲线 3 3 2 工作性能 由表3 - 8 中各组配合比比较可以发现，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的 坍落度和扩展度都有逐渐增加的趋势，且试拌时观察到出盘混凝土的和易性也 得到了明显改善，这说明掺加粉煤灰可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的 工作性能，从而使生产出的混凝土有利于泵送施工，这也说明粉煤灰的掺入有 减水效果，因而粉煤灰混凝土可适当降低减水剂的掺量。从微观的角度来解释 这是由于粉煤灰的矿物组成主要是海绵玻璃体和铝硅酸盐玻璃微珠，这些玻璃 体表面光滑，在混凝土拌合物中能够起到润滑作用( 通常被称作粉煤灰的形态 效用) ，并且由于这些玻璃体粒度较细，可以有效地分散水泥颗粒，填充微孔隙， 释放更