（材料物理与化学专业论文）桥用花岗岩高性能混凝土的配制与耐久性研究.pdf

r “t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期型：! ：；7 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 拳 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 花岗岩作为一种酸性深层火成岩，其母岩强度高脆性大，加工后的碎石压碎 值大、针片状颗粒偏多，较少用于配制高强混凝土，本文以保阜( 保定一阜平) 高速公路黑崖沟2 # 特大桥为依托，讨论了采用花岗岩碎石配制桥用高性能混凝 土的可行性。 在遵循混凝土耐久性良好、早期强度和弹性模量满足7 天张拉要求的原则 下，针对该花岗岩碎石，研究不同种类减水剂、胶凝材料用量、胶凝材料体系、 集料体系、聚丙烯纤维掺量对混凝土工作性和力学性能的影响规律，进行了混凝 土配合比的优化设计，根据工程施工技术条件，提出推荐配合比。 采用r c m 方法研究了混凝土配合比参数、集料岩性对高性能混凝土抗渗性 能的影响，结果显示复掺粉煤灰和硅灰可以提高混凝土的抗氯离子渗透性，采用 花岗岩碎石配制的混凝土氯离子扩散系数满足工程抗渗性要求，比同配合比条件 下采用石灰岩碎石配制的混凝土氯离子扩散系数低。 混凝土抗冻性试验主要进行2 个方面的试验内容：( 1 ) 研究推荐c 5 5 配合 比的混凝土抗冻性能，并与其他配合比的混凝土进行对比；( 2 ) 研究花岗岩碎石 混凝土在冻融循环作用下的强度变化规律和长期性能。结果表明该推荐配合比混 凝土抗冻性能优于其他配比，花岗岩混凝土比石灰岩混凝土具有更优越的抗冻 性。 探讨了水泥用量、胶凝材料体系、纤维以及不同粗集料岩性对c 5 5 高性能 混凝土干缩性能的影响，研究推荐配合比混凝土的干缩性能。结果表明石灰岩混 凝土l d 干缩率要比花岗岩混凝土大，而3 d 龄期以后，两者干缩率相差不大。 通过上述研究，用满足j t j0 4 1 2 0 0 0 桥涵混凝土施工技术规范要求的花 岗岩碎石，可以配制出力学性能、耐久性能与长期收缩变形性能良好的桥用c 5 5 高性能混凝土。 关键词：桥梁高性能混凝土，花岗岩碎石，配合比设计，耐久性，干缩性能 ， 即 一 1 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t g r a n i t ei sap l u t o n i ei g n e o u sa c i d i c ，h i g hs t r e n g t ha n db r i t t l e n e s sp a r e n tr o c k , c r u s h e dg r a v e la f t e rp r o c e s s i n gt h ev a l u eo fl a r g e ，f l a k i n e s so n e s ，g r a v e lq u a l i t yi n g e n e r a l i ss e l d o mu s e d , t h ep a p e rs t u d i e ds o m ep r o b l e m so fh i g h - p e r f o r m a n c eg r a n i t e s t o n ec o n c r e t eu s e df o rb r i d g e i nt h ef o l l o w i n gg o o dc o n c r e t ed u r a b i l i t y , t h ee a r l ys t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u s o f 7 dt e n s i o nr e q u i r e m e n t ，f o rt h ec o a r s ea g g r e g a t e ，w a t e rr e d u c i n ga g e n to fs e l e c t i o n ， t h ea m o u n to fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l ，g e l l i n gm a t e r i a ls y s t e m ，a g g r e g a t es y s t e m , a n d f i b e rc o n t e n to nc o n c r e t ew o r k a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr u l e sf o rt h e o p t i m i z a t i o no fc o n c r e t em i xd e s i g n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e su n d e rt h ec o n d i t i o n s p r o p o s e dw o r k s 、析t l lar e c o m m e n d e dm i x i nt h i sp a p e r , t h ec o n c r e t em i xp a r a m e t e r s ，l i t h o l o g i c a lp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ei m p a c t ，u s i n gc h l o r i d ei o np e n e t r a t i o nm e t h o d b yt e s t i n gc o n c r e t ec h l o r i d e i o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tt os t u d yt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ed e - i c i n gs a l ts p r e a di n w i n t e rc o n d i t i o n s f r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei sm a i n l yt a k e nf o rt w oa s p e c t s ：( 1 ) r e c o m m e n d e d 、析廿lt h er a t i oo fa n t i f r e e z ea n dm i xw i t ht h eo t h e rv e r i f i e db y c o m p a r i n gt h ef r e e z i n gr e s i s t a n c e ；( 2 ) w i t hg r a n i t ec o a r s ea g g r e g a t e ，t h i sp a p e rs t u d i e d t h ev a r i a t i o no fc o n c r e t es 仃e n g t h , a n dl o n g t e r mp e r f o r m a n c e ，u n d e rt h ee f f e c to f t e m p e r a t u r ec h a n g e t h i sp a p e rs t u d i e dt h es h r i n k a g ep e r f o r m a n c eo fc 5 5h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ， c o m p a r e dt ot h ea m o u n to fc e m e n t ，c e m e n t i t i o u sm a t e r i a ls y s t e m ，a d d i n gf i b e ra n d d i f f e r e n t l i t h o l o g yo fc o a r s ea g g r e g a t e t h ed r y i n gs h r i n k a g ep e r f o r m a n c e o f r e c o m m e n d e dm i xc o n c r e t ei sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h i sr e s e a r c h , w i t hg r a n i t es t o n e ，c a nb ep r e p a r e dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，d u r a b i l i t ya n dl o n g - t e r ms h r i n k a g ei ng o o d 谢t l lt h ec 5 5h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t eb r i d g e k e yw o r d s ：h p c ，g r a n i t es t o n e ，m i ) 【d e s i g n , d u r a b i l i t y , d r ys h r i n k a g e i i 怠 、 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 目录 i 1 1 研究背景与意义一l 1 1 1 项目工程背景一1 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 粗集料对混凝土的力学性能的影响3 1 2 2 粗集料岩性对混凝土耐久性的影响5 1 2 - 3 粗集料和配合比对混凝土抗冻耐久性的影响5 1 2 4 混凝土收缩变形性能6 1 3 论文的研究目标和研究内容9 第2 章试验原材料和试验方法1 2 2 1 引言12 2 2 试验用原材料性能1 2 2 2 1 水泥1 2 2 2 2 粗集料一1 3 2 2 3 细集料15 2 2 4 外加剂一1 6 2 2 5 纤维16 2 2 6 矿物掺合料一17 2 3 试验方法1 7 2 3 1 坍落度和扩展度一1 7 2 3 2 倒置坍落度筒流出时间1 8 2 3 3 抗压强度一18 2 3 4 弹性模量1 9 2 3 5 混凝土渗透性2 0 2 3 6 混凝土抗冻性2 0 2 3 7 干缩2 0 第3 章c 5 5 混凝土配合比设计和优化2 1 鲞 、 武汉理t 大学硕上学位论文 3 1 引言2 1 3 2 配合比设计2 1 3 2 1 按照j g j 5 5 2 0 0 0 的配合比设计2 1 3 2 2 混凝土配合比的试配一2 3 3 2 3 全计算法配合比设计一2 4 3 3 配合比调整与优化2 6 3 3 1 减水剂的优选2 6 3 3 2 水泥用量分析2 7 3 3 3 胶凝材料体系分析一2 9 3 3 4 集料体系分析一3 0 3 3 5 纤维的影响3l 3 3 6 岩性的影响一3 2 3 4 硬化混凝土力学性能3 3 3 4 1 抗压强度一3 3 3 4 2 弹性模量。3 8 3 5 推荐混凝土配合比4 4 3 6 本章小结4 5 第4 章混凝土的耐久性研究4 6 4 1 引言4 6 4 2 抗氯离子渗透性4 6 4 2 1 试验方法4 6 4 2 2 试验结果与分析4 9 4 3 抗冻性5 1 4 3 1 试验方法5 l 4 3 2 试验配合比5 4 4 3 3 抗冻试验结果与分析5 4 4 4 本章小结5 8 第5 章混凝土干缩性能研究5 9 5 1 引言5 9 5 2 试验方法与配合比一5 9 5 2 1 试验方法5 9 5 2 2 试验配合比一6 0 5 3 试验结果与分析6 1 5 3 1 水泥用量的影响6 1 q 麓 士学位论文 6 ：! 6 3 5 3 4 粗集料岩性的影响一6 4 5 4 本章小结6 5 第6 章结论与建议“ 6 1 结论6 6 6 2 建议6 7 参考文献 j 改谢 附录 6 8 。 莨 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 1 1 1 项目工程背景 第1 章绪论 保阜( 保定一阜平) 高速公路( 黑崖沟2 # 特大桥所在项目) 横贯太行山区， 向东通过保沧高速公路连接璜骅港，并经由京石、保津高速连接首都北京以及天 津等沿海口岸，向西经过山西省忻阜( 忻州一阜平) 高速公路( 拟建，山西境内) 与山西省高速公路网连接。 保阜高速公路路线主线在k 1 4 3 + 5 0 0 k 1 4 4 + 8 0 0 区段( 靠近晋冀边界) 跨越 黑崖沟此处山高沟深，路线走向由西偏北变为西偏南，特设黑崖沟2 # 特大桥一 座。主桥采用( 7 0 + 3 x 1 2 7 + 7 0 ) m 预应力混凝土连续钢构桥。 本路线地处1 1 4 区( 冀北山地副区) ，地势起伏较大，海拨在1 0 0 - 1 1 0 0 米之 间，属半温润半干旱大陆性季风型气候，春季干旱少雨，夏季温和多雷阵雨，秋 季凉爽，昼夜温差大，霜害较重；冬季寒冷少雪。具体参数如下：年平均气温( ) ： 1 2 7 ；一月最低平均气温( ) ：一3 5 ；极端最低气温( ) ：。1 8 ；七月最高平均气温 ( ) ：2 6 ；极端最高气温( ) ：4 1 2 ；年平均降雨量( l i l l ) ：6 3 5 ；百年一遇基本风 速( m s ) ：2 9 ；年平均无霜期( 天) ：1 9 1 ；日照时数h ) - 2 2 0 1 3 3 ；最大冻土深度( m ) ： o 8 。 在该桥建造过程中，欲充分利用桥址附近隧道开挖的岩石作为箱梁混凝土粗 集料，岩石岩性经检测为花岗岩，对利用该岩石生产的应用于混凝土的粗集料各 项指标进行了检测，该粗集料是否可配制c 5 5 混凝土用于桥梁建设，其长期耐 久性能怎样，如何对混凝土配合比进行优化设计，这些都是混凝土箱梁建设过程 中需要明确或者解决的问题。 1 - 1 2 研究意义 该桥属于特大桥梁，位于高速公路主线，其工程意义和社会意义重大。其必 要性有四：一、粗集料占混凝土质量6 0 左右，占混凝土体积的7 0 左右，其 性能直接影响混凝土的质量。集料对于混凝土性能的影响，不仅在强度方面，在 工作性、在耐久性等方面也都存在较大的影响。二、该桥所处气候条件恶劣，存 在混凝土冻融破坏以及使用过程中撤除冰盐腐蚀的可能性，业主方和建设单位对 武汉理工大学硕士学位论文 于其长期使用性能和耐久性非常重视；三、该箱梁混凝土设计强度等级高( c 5 5 ) ， 单孔跨度大，跨径超过1 2 0 米，混凝土的体积稳定性是混凝土不可忽视的指标； 四、花岗岩碎石用于高性能桥梁混凝土的研究较少，对其工作性进行优化，耐久 性进行研究具有较大意义。 重视集料性能，是保证混凝土质量的关键环节。开展本项目试验研究，就现 有花岗岩工程集料检测技术指标进行分析和综合评价，对于明确工程集料技术指 标在c 5 5 强度等级混凝土中应用的可行性、加强集料生产过程控制具有重要意 义；结合工程情况，针对工程材料进行混凝土性能试验，优化工程混凝土配合比 参数，对于改善混凝土工作性能、力学性能和耐久性能以及明确温度和湿度作用 下混凝土长期性能具有重要意义。 1 2 国内外研究概况 随着我国建设行业的迅猛发展，高速公路建设材料的需求量不断增大，混凝 土用量也迅速增加，其消耗的砂石集料等天然资源也越来越多【l 卅。 粗集料一般可分为天然集料和人工集料。天然集料是不可再生资源，我国的 一些地区已经有可采天然砂资源减少以至于无资源的情况，由于我们建设的消 耗，以及可持续发展政策要求。混凝土材料中集料占总量的7 0 以上，集料的质 量影响到混凝土是否能够有长久的生命力的问题【4 j 。以混凝土学的视角进行分析 可知，集料的物理性能、几何特性、化学成分等性能对混凝土的工作性、力学性 能以及服役的耐久性都具有极其重要的影响。因为集料的质量不佳和集料不适当 的应用引起的工程质量问题屡见不鲜。例如，北京市建设的西直门立交桥，不当 的使用了具有较高碱活性的集料，只服役了1 0 年左右，就因为混凝土碱集料反 应而出现大面积的混凝土损坏，影响很恶劣。西欧、日本、以及我们家国的台湾、 宁波等地区都曾经出现过海砂屋的现象，究其原因是因为所用了淡化海砂其氯离 子含量超标引起了钢筋锈蚀致使混凝土耐久性不良。耐久性能不好的例子非常有 趣的是美国达拉斯市有两条相临的街道，其中的一条已经使用了6 6 年，依然非 常良好，然而另外一条则是刚刚修建5 年，但是已经有不少地方出现问题，需要 修补了。原因就是在后者的混凝土中使用了大多是大颗粒的粗集料，而前者粒形 和级配都良好p j 。 从上面可以看出，使用具有优良物理力学性能和化学成分，合理级配和粒形 的集料，能够达到增加混凝土的密实度，提高力学性能，改善耐久性的目的，这 不仅具有较好的经济效益，更具有良好的环境、资源和社会效益【6 l 。 因此，就粗集料对混凝土的力学性能、耐久性以及徐变收缩性能等方面的影 响进行研究，很有实践意义。 2 o - l 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 粗集料对混凝土的力学性能的影响 混凝土技术中，过度的强调了水灰比与强度之间的关系，粗集料对混凝土强 度的影响一般不受到重视。但是，粗集料是混凝土的重要组成部分，在混凝土的 整个体积中，粗集料一般占一半左右，所以粗集料在混凝土中占有很重要的地位。 最初人们把粗集料看做是一种惰性材料，借助于水泥浆结合成一个整体，实际上， 粗集料的物理化学性质也会影响到混凝土的性能，混凝土是一种由多相材料组成 的不均质材料，其性能取决于各组成成分的性能和之间的相互作用。界面是混凝 土中最薄弱环节，在破坏过程中起着最为重要的作用。破坏过程与集料的性能、 基体与集料之间的强度差异密切相关，集料的类型、强度、形状和表面粗糙度、 孔状结构、吸水性、表面粘结强度对混凝土、特别是高性能混凝土有着重要的影 响。 1 2 1 1 粗集料对混凝土强度的影响 粗集料作为刚性骨架对混凝土强度的影响 混凝土的各组成中，普通粗集料的强度一般都比水泥砂浆高，高达i o o m p a 或甚至更高，其弹性模量达2 8 x 1 0 4 m p a 也比砂浆的弹性模量5 0 2 0 0 m p a 高， 在混凝土材料中起着刚性骨架作用，提高了混凝土的强度和弹性模量【7 】。多孔轻 集料则能够降低混凝土的容重并改善热工性能。集料的种类和特征对混凝土的强 度有影响，例如强度小的集料不能用以配制高强度的混凝土，配制高强混凝土的 集料必须是强度和弹性模量高的。然而强度和弹性模量过于高，能够使混凝土产 生内应力，从而造成混凝土的强度下降。另外，混凝土强度的影响因素还有集料 的粒径、级配和形状等峭j 。 混凝土结构中基体和集料界面间具有一个界面区。如果基体与集料的强度都 较高并且集料的表面是清洁的有利于粘结时，界面区的强度就会很高，从而能够 提高混凝土的强度。然而在普通混凝土里，界面结合区强度较低，使其成为了混 凝土中的薄弱环节，从而降低了混凝土的强度。大多数的实验表明，在多数情况 下，混凝土的界面结合区是混凝土结构的最薄弱的环节。此外，强度较高的集料 构成的骨架提高了混凝土弹性模量，减少其在荷载作用下的变形，使得混凝土材 料比单纯的水泥净浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性 9 1 。 粗集料与水化产物之间反应的作用 一般认为集料与水泥石并没有相互的化学作用，但是当改变了集料空隙率， 使得混凝土体积填充率变化，进而对混凝土的性能产生了影响。由于界面结合区 是混凝土材料中的薄弱环节，所以一般认为界面结合区决定了混凝土的整体性、 渗透性和耐久性。因此，集料表面特性的改善能够提高界面结合区的性能从而提 3 武汉理工大学硕士学位论文 高混凝土的强度和耐久性【l o 】。在水灰比不变的情况下，使用集料替代部分水泥， 降低了混凝土的水泥用量，能够提高混凝土对各种侵蚀作用的抵抗力。 根据观察，用构造粗糙或者经过破碎的粗集料，较之使用矿物成分相似、光 滑的粗集料或者天然风化粗集料配制混凝土，在早期表现出较高一些的强度( 特 别是抗拉强度) 。粗集料和水化水泥浆体之间具有较高的物理粘结强度是主要原 因；在后期，粗集料和水泥浆体之间的化学反应开始起作用，此时粗集料界面结 构对强度的影响可能就小了。从粗集料和水泥浆体的具体物理粘结强度的角度看 来，有一点值得注意，即在显微镜观测下可以发现光滑的风化粗集料具有足够的 粗糙度和表面积。而且，在水泥用量一定的条件下，为了使混凝土拌合物达到要 求的工作性，使用粗糙结构的粗集料需要的拌合用水量更大。因而，对强度进行 全面的衡量，有粗集料和水泥浆体之间较好的物理粘结强度提高带来的优势也有 可能丧失。 粗集料对混凝土裂缝引发和阻挡作用 实践表明，混凝土内部缺陷，特别是微裂纹不断扩展是混凝土受压破坏的过 程和实质。混凝土中的粗集料具有双重作用它不但能够引发混凝土内部的微裂缝 又具有阻挡裂缝扩展的作用。 混凝土的微裂缝在承受荷载之前已经存在，只是还未扩展而已。混凝土的硬 化过程里，水泥石基体通常会有l m m m - 2m m m 左右的收缩，然而集料是不会 发生变化的，所以集料对水泥石具有约束的作用。由于集料的约束作用，混凝土 中会产生拉应力从而引发裂缝的扩展。但是，裂缝扩展到集料并需要通过集料时， 因为集料具有较高的强度，裂缝难以通过，只有绕过集料那样就必须吸收更多的 能量，这样所以集料对裂缝扩展又起到了阻挡作用。 1 2 1 2 粗集料对混凝土弹性模量的影响 贵州工业大学的周丽霞【1 1 】通过高性能混凝土粗骨料选择研究，提出了混凝土 弹性模量与粗骨料弹性模量的关系： y _ 2 5 0 + 0 2 0 x ( 1 1 ) 其中：y _ 一混凝土的弹性模量，x 一粗骨料的弹性模量。 因此，粗骨料的弹性模量越大，混凝土的弹性模量也越大。 哈工大的袁杰【1 2 1 通过试验得出结论：混凝土弹性模量递增，伴随着碎石掺 加比例增大，并且递增的规律与粗骨料中碎石的比例具有近似线性关系，表达式： e _ 2 5 6 + 0 7 2 x ( x 1 0 4 m a a ) ，粗骨料中碎石所占的比例用x 表示。从中可以看出用 混合粗骨料的混凝土的弹性模量要普遍大于普通轻集料混凝土，因此具有更大的 抗变形能力。混合粗骨料混凝土弹性模量小于又同强度等级的普通混凝土，是因 为它含有一定数量弹性模量较低的轻骨料，因此它们具有的延性较普通混凝土大 4 茎堡里三盔堂堡主竺垡笙兰 、 的多【1 3 1 4 】。 武汉大学的刘数华【”】选择沙排产弹性模量较低的粗骨料和三峡产弹性模量 较高粗骨料配制的混凝土弹性模量存在显著差异。沙排粗骨料配制的混凝土弹性 模量远小于三峡粗骨料配制的混凝土的弹性模量。验证了通过选择低弹性模量粗 骨料可以达到降低混凝土弹性模量的目的。 实验研究证实i 1 8 1 ，再生粗骨料替代率的增大能够使再生粗骨料混凝土的 弹性模量降低。根据文献数据，结合我国规范中普通混凝土弹性模量的计算公式， 然后综合考虑再生粗骨料的替代率和水灰比对混凝土抗压弹性模量的影响，回归 分析后提出了再生粗骨料混凝土抗压弹性模量的计算公式如下： e r c = 1 0 3 ( 1 - 0 4 3 a ) ( 1 2 5 - 0 6 3 1 3 ) ( 2 2 + 3 4 7 ( 1 - 2 ) 其中：e r c 为再生粗骨料混凝土的抗压弹性模量，u 为再生粗骨料替代的原 天然粗骨料混凝土在水灰比为0 4 下的极限抗压强度，a 为再生粗骨料的替代率， 1 3 为再生粗骨料混凝土的水灰比，本公式适用水灰比范围为0 仙7 。 1 2 2 粗集料岩性对混凝土耐久性的影响 普通水泥混凝土一般由粗集料、天然河砂、水泥水化产物组成。一百多年的 工程实践表明，混凝土不仅仅是各组分的简单混合，而是各组分间系统化的统一 体，各组分间物理力学性能和化学性能的协调性，是混凝土长期耐久使用的重要 保证。集料岩性是其可用于混凝土结构的一个重要指标。目前已经发现的最典型 的粗集料与混凝土中胶凝材料水化产物发生反应的是碱集料反应 1 9 , - , 2 6 】。 碱活性粗集料，又可依据温度、粒径不同，时间、所有含水( 蛋白石) 或 者无定形( 黑曜石、硅质玻璃) 的硅酸盐或硅质矿物都能与碱性溶液发生反应。 虽然大多数矿物仅有轻微程度的反应。云母、角闪石、辉石、长石和石英均属于 花岗岩、片麻岩、砂岩、玄武岩的矿物组分，被划为无害矿物。已发现蛋白石、 鳞石英、方石英、安山岩、玉髓、燧石、黑曜石、流纹岩以及变形和变质的石英 均属碱一活性矿物，其碱一活性由低到高依次排列。 1 2 3 粗集料和配合比对混凝土抗冻耐久性的影响 混凝土的抗冻性，是指混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融作用而不破 坏，同时也不严重降低强度的性能。在寒冷地区，混凝土受冻融循环作用往往是 导致混凝土劣化的主要因素，因此常作为混凝土耐久性的一重要评价指标喇j 。 张金喜等试验研究了8 种品质不同的天然粗集料碎石混凝土的抗冻性能，发 现抗压强度和抗拉强度大的粗集料，相应抗冻性能好；密度大的粗集料，相应混 凝土抗冻性能好；吸水率高的粗集料比吸水率低的抗冻性能差。之后又研究了低 5 武汉理工大学硕士学位论文 品质骨料混凝土冻融特性及机理。得到结论单纯以骨料表观密度和吸水率来判断 混凝土的抗冻性存很大的不确定性。某些超出j t gf 3 0 - - 2 0 0 3 规范要求骨料配制 的混凝土同样具有良好的抗冻性。在冻融循环中砂浆和骨料会出现累计残留变形 差异，从而对周围砂浆产生压力，使得砂浆内部形成拉应力。当砂浆内部拉应力 接近或大于砂浆抗拉强度时，就发生破坏，骨料微观构造对骨料性能产生重大影 响【3 3 1 。 水灰比是混凝土配合比参数中影响混凝土抗冻性能的一个重要参数，主要体 现在两个方面：( 1 ) 影响混凝土抗渗性能和吸水率，水灰比越大，则抗渗性越差， 混凝土内部的宏观孔隙多，不仅水分的渗透速度快，而且饱水的含水量高；( 2 ) 水灰比大，则强度低，抵抗由于冻融而造成的混凝土剥落的能力差。 掺加引气剂是提高混凝土抗冻性能的一个重要措施。引气剂提高混凝土抗冻 性的主要原理是通过引入一定量的细微观气泡，释放混凝土中水结冰或温度降低 时产生的水压力，从而降低冻融导致的混凝土内部的拉应力损伤，提高混凝土抗 冻性能。 对于低水胶比、高强度等级混凝土而言，水灰比一般低于0 4 ，其混凝土抗 冻性能一般是可以满足要求的。混凝土冻融试验还可以反映混凝土各组分间在温 度作用下的协调性，尤其可以反映粗集料与胶砂之间的温度协调性。混凝土是由 多组分组成，是非均质材料，从混凝土试件的剖面来看，内部宏观尺寸较大的是 粗集料和胶砂水化产物，二者线膨胀系数随着粗集料岩性与胶砂组成而变化，在 温度作用下，二者协调变形能力是混凝土结构长期性能的重要影响因素。这一点， 在目前的文献中研究较少1 3 4 。 1 2 4 混凝土收缩变形性能 混凝土材料在恒温、绝湿的条件下，由于胶凝材料的水化作用引起的体积变 形称为自生体积变型，其中收缩的称为自生收缩，简称自缩。很多的文献资料将 自收缩等同于白干燥收缩【3 引。 由于高性能混凝土水胶比低、水泥用量高，在水化过程中内部孔隙的相对湿 度以较快的速度降低，就是自干燥效应( s e l f - d e s i c a t i o n ) 。由于白干燥效应使毛细 孔中弯月面状态改变，通过k e l v i n 方程可知，白干燥效应减小了毛细孔的曲率 半径，混凝土受到自身的压力增大，收缩变形随之产生，这就是自收缩效应 ( a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ) p 5 3 7 1 。水泥石的自收缩导致混凝土整个体积收缩，宏观体 积收缩受到约束时，混凝土内部就会产生拉应力。对于普通混凝土而言，自缩比 干缩小很多，可以忽略不计，但是对于高性能混凝土，自缩和干缩基本相等，水 胶比越低自缩所占的比例越大。水胶比为o 4 时，自缩占总收缩的4 0 左右；水 6 武汉理工大学硕士学位论文 胶比为0 3 时，自缩占5 0 左右；而当水胶比达0 1 7 时，自缩占1 0 0 t 3 引。实验 研究表明，水胶比小于0 3 的混凝土自缩为2 0 0 x 1 0 击- - 4 0 0 x 1 0 q 3 9 1 。 自收缩通常用线性收缩变形的测量和体积收缩变形的测量。线性变形测量 是：成型水泥砂浆或者混凝土为棱柱体试件，通过置于试件端部的位移传感器来 测量线性变形量，由数据采集系统进行记录；体积收缩变形测量是：弹性乳胶囊 盛放新的拌水泥浆体或砂浆，密封后放入容量瓶。测量样品的体积变化通过观测 容量瓶液面。 表1 1 是四种水泥熟料中矿物收缩率，可见混凝土的收缩受水泥熟料的矿物 组成的影响很大。通常情况下，水泥熟料中的硅酸盐矿物能够水化生成c s h 凝胶，而这是种刚性的凝胶，但是当混凝土中存在碱时，进入到c s h 凝胶得 结构中的碱，形成了碱钙一硅凝胶( n c s h ) 。这是种具有很强的吸水肿胀、失水 收缩的特性的凝胶。因此水泥中的碱含量越高，形成的水泥石干缩也将越大 4 0 l 。 表1 - 1 水泥熟料四种矿物的收缩率 矿物收缩率 c 3 a c 3 s c 2 s c d a f 0 0 0 2 3 4 士0 0 0 010 0 0 0 0 0 7 9 士0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 7 7 士0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 4 9 a ：0 0 0 0 11 4 自收缩还受到水泥矿物成分的水化程度、水化速率与化学结合水含量的影响 【4 1 4 2 】。现在矿物掺合料对混凝土收缩性能的影响研究还较少，而且研究的结果也 有较大差异。白山云和欧阳华林研究得出1 4 3 ，在水胶比相近、胶凝材料用量一 定的情况下，比表面积小于4 4 4 m 2 k g 矿渣掺量越大，试验中混凝土的收缩值越 小。刘加平等 4 4 1 研究结果表明掺入粉煤灰具有明显减小l d 以内的体积收缩率的 作用，粉煤灰掺入量得增大，收缩率减小越明显，而且粉煤灰的加入能够明显延 长混凝土的凝结时间。随着矿粉掺量的增大，自收缩变形也增大，如果当矿掺量 高达9 0 时，自收缩变形才开始下降，但是测到的6 0 d 自收缩变形值仍然比基准 水泥大，并且随着矿细度的提高自收缩变形也明显增大。 1 2 4 1 粗集料对混凝土的收缩的影响 在混凝土内部，粗集料对水泥石的收缩起约束作用，粗集料含量愈大则收缩 愈小。粗集料的弹性模量决定它所能提供的约束。 混凝土中的粗集料一般是不发生收缩、徐变的，其对水泥石的变形起约束作 用，约束的程度则取决于粗集料的刚度及其所占混凝土体积的百分数。粗集料所 7 右。粗集料的弹性模量对 大于7 0 x 1 0 4m p a 时，徐 变和收缩相对地趋于稳定。不同地粗集料除了弹性模量不同外，还可能具有不同 的空隙率、吸水性、压缩性等。 粗集料品种对混凝土干缩和徐变也有影响。固定配合比不变，会发现含石英 岩和石灰岩骨料的混凝土2 3 年的干缩值分别为5 5 0 x 1 0 。6 和6 5 0 x 1 0 6 ；含砾石和 砂岩混凝土的干缩分别为1 1 4 0 x l o 击和1 2 6 0 x 1 0 七；含石英岩或石灰岩粗集料混凝 土的弹性变形约为2 2 0 x 1 0 击，含砾石和砂岩混凝土弹性变形约为2 8 0 x 1 0 。6 ：含石 灰岩、石英岩、砾石和砂岩粗集料的混凝土其相应的徐变值分别为6 0 0 x l o 而、 8 0 0 x 1 0 。6 、1 0 7 0 x 1 0 币和1 5 0 0 x l o 西。粗集料弹性模量在控制混凝土变形方面的重 要性可从特罗克赛尔等人的研究数据中明显看出，这些数据表明：当高弹性模量 粗集料被低弹性模量粗集料取代时，混凝土的干缩和徐变均增大3 1 5 倍州。 b 嚣 粕篱爱鳆罐簿( 黯承葺皤 7 图1 1 粗集料品种对干缩和徐变的影响 粗集料的弹性模量对极限干缩和徐变值的影响最大可达2 5 倍。通常，致密 石灰石和石英岩的弹性模量比跞石和砂岩要高。 尽管粗集料品种对收缩和徐变的影响相似，仔细观察图1 1 曲线就能发现两 者之间仍存在细小的差别。例如：与干缩相比，含玄武岩或者石英岩粗集料的混 凝土徐变相对较大。较合理的解释是当混凝土配制采用相对非活性粗集料时，界 面过渡区中微裂缝开展的程度可能更高。 1 2 4 2 胶凝材料用量对混凝土的收缩的影响 通常情况下，胶凝材料用量和水灰比并不直接影响混凝土的干缩，因为水泥 浆体体积的增加就意味着集料体积分数的减小，从而相应的增大了混凝土中受水 8 武汉理工大学硕士学位论文 分影响的变形。胶凝材料用量一定时，干缩和徐变随水灰比增大而增大。整个体 系的强度降低( 弹性模量也随之降低) 和渗透性增大的原因也在于此。水灰比一 定时，干缩和徐变均随胶凝材料用量的增加而增大，这可认为是由于水泥浆体体 积增大所引起的【3 4 1 。 毛 - 摹 图1 2 水泥用量对混凝土干缩和徐变的影响 1 3 论文的研究目标和研究内容 本项目就现有工程现场粗集料检测结果进行分析，并对提供的粗集料、细集 料、水泥和外加剂材料进行室内试验研究，提出粗集料在c 5 5 混凝土中应用的 可行性，并提供可供参考的混凝土基准配合比。在此基础上，适当将研究内容进 行拓展，在混凝土配合比设计方面，进行了掺粉煤灰和硅灰的六组分混凝土( 含 外加剂和掺合料) 对比试验，以形成完成的、系列性的试验研究成果。主要研究 内容如下： ( 1 ) 混凝土配合比优化设计：在遵循混凝土耐久性良好、早期强度和弹性 模量满足7 天张拉要求、分别达到c 5 5 强度等级9 0 的原则下，针对该花岗岩 碎石，研究优选减水剂、胶凝材料用量、胶凝材料体系、集料体系、纤维掺量对 混凝土工作性和力学性能的影响规律，进行了混凝土配合比的优化设计，根据工 程施工技术条件，提出工程所用推荐配合比。 ( 2 ) 混凝土渗透性和抗冻耐久性试验研究：采用氯离子渗透的方法进行高 强度等级混凝土抗渗性试验，研究混凝土配合比参数、岩性对混凝土抗渗透性能 的影响。通过测试混凝土的氯离子扩散系数，研究该混凝土配合比在冬季撤除冰 盐环境的耐久性。 混凝土抗冻耐久性试验主要进行2 个方面的试验内容：( 1 ) 研究推荐c 5 5 9 武汉理工大学硕士学位论文 配合比的混凝土抗冻性能，并与其他配合比混凝土试验进行对比，验证混凝土抗 冻耐久性能；( 2 ) 研究采用花岗岩粗集料后，混凝土在温度交变作用下的强度变 化规律，研究花岗岩粗集料应用于混凝土中的长期性能。 ( 3 ) 混凝土干缩性能试验研究：对c 5 5 强度等级混凝土的干缩性能进行研 究，对比水泥用量、胶凝材料体系、掺加纤维以及不同粗集料岩性对混凝土干缩 性能的影响，研究推荐配合比的混凝土的干缩性能。 本文研究的主要技术路线如图1 3 所示： 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 - 3 技术路线图 ( - 、 普通混凝土的传统四大组成部分是水泥、砂、石和水。为了获得高混凝土强 度，需要降低水灰比。与此同时，混凝土工作性变差。为了改善混凝土工作性， 增大坍落度，便于混凝土泵送施工，在混凝土配制过程中必须加入高效减水剂， 以克服水灰比小而难以浇筑的缺陷。在一些地区，为了改善混凝土结构的耐久性， 通常掺加粉煤灰、磨细高炉矿渣、硅灰等矿物细掺料。本章针对高强度等级和高 耐久性混凝土的技术要求，结合相关技术标准，对混凝土原材料选用原则进行了 分析和试验方法进行了分析。 2 2 试验用原材料性能 2 2 1 水泥 从强度发展角度考虑，配制c 5 5 混凝土通常选用5 2 5 普通硅酸盐水泥，本 研究选用的是北京金隅牌5 2 5 普通硅酸盐水泥。 根据硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l7 5 2 0 0 7 ) 标准的要求，按照水 泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法( g b t 1 3 4 6 2 0 0 1 ) 、水泥胶砂 强度检验方法( i s o 法) ) ) ( g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ) 和水泥密度测定方法) ) ( g b t 2 0 8 9 4 ) ， 就水泥的物理力学性能进行了试验检测。表2 1 结果显示，采用p 0 5 2 5 水泥所 检项目均符合g b l 7 5 2 0 0 7 标准要求。 表2 1 水泥物理力学性能 根据硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 2 0 0 7 ) 标准要求，按照水泥 化学分析方法( g b t 1 7 6 2 0 0 8 ) ，对水泥中碱含量、烧失量、氧化镁含量、三氧 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 化硫含量以及氯离子含量进行了试验检测。表2 2 结果显示采用p - 0 5 2 5 水泥所 检项目均符合g b l 7 5 2 0 0 7 标准要求。 表2 - 2 水泥化学分析结果 2 2 2 粗集料 施工方提供的花岗岩碎石，5 - 10 m m 和1 0 - 2 0 m m 二级配。大小碎石按7 ：3 和6 ：4 比例搭配筛分，级配曲线如图2 1 。根据桥涵混凝土施工技术规范规 范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 可以确定，最佳搭配比例为7 ：3 。 鋈1 0 0 u 鑫9 0 捌 暇 6 0 4 0 2 0 o 萎 鑫 嫠 9 51 9 筛孔尺, - n u n 4 7 5 筛孔粒径，舢 1 3 啪加加加m o 武汉理工大学硕j ：学位论文 逞1 0 0 筮 求 努8 0 鲤 6 0 4 0 2 0 0 2 3 64 7 59 5 1 9 筛孔尺寸r