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高性能混凝土施工指南 第一章 高性能混凝土原材料性能及质量要求 第一节、高性能混凝土概念高性能混凝土（High Performance Concrete，简写HPC）是二十一世纪现代混凝土技术。高强度混凝土（High Strong Concrete，简写HSC）不一定是高性能混凝土，而高性能混凝土包括高强度混凝土。一般认为C60以上高强度混凝土为高性能混凝土这是传统工艺的理解；我国混凝土专家冯乃谦教授认为：HPC是一种体积稳定性好、具有高耐久性、28d以后强度持续增加与良好工作性能的混凝土，耐久性是HPC重要技术指标。我理解为所谓高性能混凝土它不但应具有均质性，还应具有高密度和体积稳定性。即“流动性、可塑性、稳定性、易密性”满足输送和浇筑的流动性；不为外力作用产生脆断的可塑性；不产生分层、泌水的体积稳定性和易于浇筑振捣的密实性。高性能混凝土是采用混凝土正交设计来优化混凝土配合比，最好采用磁化水和优质的矿物掺合料及高性能聚羧酸液体减水剂复合，降低水泥用量，并以级配良好的粗、细集料拌合形成良好的工作性、低水胶比、低缺陷、高强耐久（耐冻性、耐磨性、耐腐蚀性），能够使混凝土后期强度持续增加，抑制碱集料反应的高性能混凝土。由于混凝土原材料来源广泛、生产工艺相对简单，使混凝土微结构变得十分复杂；正如清华大学廉慧珍教授所言：“混凝土材料是用最简单的工艺制造的最复杂的人工材料”。由于原材料不能提纯，其物理化学反应复杂，对“人、材、机、法、环”具有十分敏感的依赖性，以致混凝土水化反应产物组成和微观结构的形成与发展非常复杂，而具有不确定性和不确知性，至今尚未能用任何函数能准确表达和计算。Mehta教授指出：“不要忘记，与人类社会一样，混凝土世界是非线性的，而且在非线性里还存在不连续性”。这就告诫我们：越是简单的工艺，越有管理和控制上的难度。我们必须转变观念，因为观念和认识转变，有时比技术更重要。即由原来将粉煤灰、矿粉、硅粉、石灰岩粉等胶凝材料视为工业废弃物的陈旧观念转变为“混凝土性能调节型”材料观念，它们不是废弃物，而是混凝土不可或缺的宝贵资源。第二节、高性能混凝土胶凝材料和外加剂的性能及质量要求1、水泥（Cement）水泥是高性能混凝土中最关键的原材料，它是HPC强度主要来源，它是HPC主要影响因素，HPC质量稳定首先涉及到水泥。近几年我国为了拉动内需，2010年我国水泥产量总计18.68亿吨，混凝土产量36亿方左右，水泥产量约占世界60%，2011年预估将达到21亿吨。我国早也是水泥材料最大的国家，这也带来很大的CO2排放问题。随着环保力度的加大，水泥生产受到了限制。同时，水泥产业因为利用前粉煤灰、矿渣、炉渣等工业废料，还享受国家减免税待遇，因此，我国水泥品种上，仍然以加入一定量的混合材的PO42.5为主要为主要产品。1) 硅酸盐水泥的化学成分和矿物组成硅酸盐水泥的主要化学成分是由石灰质原料中的氧化钙(CaO)、由粘土质原料中的氧化硅（SiO2）氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)。 经过高温煅烧后，CaO -SiO2-Al2O3 -Fe2O3四种成分化合为水泥熟料中的主要矿物组成：硅酸三钙（3CaOSiO2，简称C3S）、硅酸二钙（2CaOSiO2，简称C2S）、铝酸三钙（3CaOAl2O3，简称C3A）和铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3简称C4AF）。硅酸盐水泥熟料矿物组成 表2-1矿物组成化学组成常用缩写大致含量(%)矿物组成化学组成常用缩写大致含量(%)硅酸三钙3CaOSiO2C3S3565铝酸三钙3CaOAl2O3C3A015硅酸二钙2 CaOSiO2C2S1040铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3C4AF5152)硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的性质(1)硅酸三钙（C3S）硅酸三钙是硅酸盐水泥最主要矿物组分，其含量约为50%，他对硅酸盐水泥性质有重要的影响。硅酸三钙遇水反应速度较快，水化热较高，水化产物对早期强度和后期强度起重要作用。其化学反应方程式： 2（3CaOSiO2）+4H2O=3CaOSiO23H2O+3Ca(OH)2(2)硅酸二钙（C2S）硅酸二钙在硅酸盐水泥中的含量约为25%左右，也为主要的矿物成分，遇水时对水反应速度较慢，水化热较低，它的水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用，其耐化学侵蚀和干缩性较好。其化学反应方程式：2（2CaOSiO2）+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2(3)铝酸三钙（C3A）铝酸三钙在硅酸盐水泥中的含量约为10%。它是四种组分中遇水反应速度最快，水化热最高的主分。铝酸三钙的含量决定水泥的凝结速度和释放热。耐化学侵蚀性差，干缩性大。其化学反应方程式：3CaOAl2O3+3CaSO42H2O+26H2O=3CaOAl2O33CaSO432H2O反应生成物3CaOAl2O33CaSO432H2O称为三硫型水化铝酸钙或称钙钒石（AFt）当石膏消耗完毕后，水泥中尚未水化的C3S与上式的3CaOAl2O33CaSO432H2O。钙钒石（AFt）反应生成单硫型水化铝酸钙（AFm）,如下式：3CaOAl2O33CaSO432H2O+2(3CaOAl2O3)+4H2O=3(3CaOAl2O33CaSO412H2O)(4)铁铝酸四钙 (C4AF)铁铝酸四钙在硅酸盐水泥中约为8%。遇水反应较快，水化热较高。强度降低，但对水泥抗折强度其重要作用。耐化学侵蚀性好，干缩性小。其化学反应方程式:4CaOAl2O3Fe2O3+3Ca(OH)2+22H2O=4CaOAl2O313H2O+4CaOFe2O313H2O水泥是有多种矿物组分组成的，改变各矿物组分的含量比例以及它们之间的匹配，则可生产各种性能特异的水泥。例如，提高C3S含量可制得高强度水泥；降低C3S、C3A含量，增加C2S含量则可制得低热大坝水泥；提高C4AF和C3S含量则可制得高抗折强度的道路水泥。3CaOSiO23H2O（缩写C-S-H）凝胶约占全部水化体积50%60%，是一种形态不明确的化合物。C-S-H是一种凝胶状的细微粒子，对水泥的凝胶硬化性能和强度起很大作用。C-S-H的比表面积100700m2/g，内部凝胶孔尺寸大约1.8um。C-S-H为混凝土提供约70%强度； Ca(OH)2（缩写CH）在硅酸盐水泥完全水化阶段，Ca(OH)2水化体积约占全部水化物体积的20%25%，与C-S-H不同，Ca(OH)2的形态是明确地、为六角板状结晶。与C-S-H相比，比表面积小，对强度影响少，而且Ca(OH)2还易溶，化学稳定性差。Ca(OH)2为混凝土提供约20%强度；3CaOAl2O33CaSO432H2O称为三硫型水化铝酸钙或称钙钒石（AFt），AFt相是Al-Fe-tri的缩写。tri表示式中含有3mol的CaSO4，Al的一部分可以置换Fe。AFt相断面呈六角柱状，有各种参数比的晶体。3(3CaOAl2O33CaSO412H2O)简称AFm，AFm是Al-Fe-mono的略写。mono式中含有1mol的CaSO4。是硅酸盐水泥水化过程中的一组水化物，随AFt相减少的同时而出现。其体积为水化物总体的10%以下。板状结晶，通常是1um以下的厚度。AFt和 AFm约占7%，为混凝土强度提供7%的；剩余3%是水泥次要成分。在水泥浆骨料界面附近，形成一个过渡带，其特征是Ca(OH)2粗大结晶与定向排列，富集与界面上。如图2-1所示。图2-1水泥浆骨料界面微观结构模型图a）普通混凝土水化后界面状态 b）界面局部放大过渡带范围内，在接触层与骨料表面处是垂直板状或层状的Ca(OH)2以（CH代表）；在中间层则分布着CH及钙矾石粗大的结晶及少量的C-S-H。呈显出强度不好的状态。硅酸盐水泥混凝土中，大量的CH结晶在表面处形成一个粗糙的结构，强度低及耐久性不好。高性能混凝土就是要改变界面过渡层，使CH与粉煤灰、矿粉、硅粉、石灰岩粉等外掺矿物材料发生二次反映，生成C-S-H，改善界面过渡层黏聚性，降低界面过渡层孔隙率，提高界面过渡层强度及耐久性。从化学反应方程式可以看出，不同配合比对水泥性能和抗碳化能力有较大的影响。通过研究证明：混凝土的80%水份要蒸发，约20%的水份是水泥水化硬化所必需的。而最初失去30%的自由水份几乎不引起收缩，随着混凝土陆续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干缩，而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢。由于表面的干燥受到中心部位的约束，因而在混凝土表面产生拉应力，当拉引力达到混凝土允许拉引力70%时混凝土出现裂缝。如不及时加强早期养生，造成混凝土失水使混凝土孔隙率增加，CO2气体侵入使混凝土PH值中性化，碳化深度加大。所以说加强早期养护（1428d）对防治混凝土碳化起到重要因素。目前，主要存在以下问题：1）我国目前生产水泥据有关资料记载，以PO42.5水泥为例2005年至今宁夏某商混站统计我区水泥强度下降10.5%左右。原因混合材料质量差、品种多、用量超标、比例变化随意。GB175-1999硅酸盐水泥掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15，而我区有的水泥厂掺量高达30%； 2）过去软练法生产水泥比表面积在200300m2/kg，而现在执行ISO标准水泥比表面积我区多数厂家在360420m2/kg，表面较高的甚至接近500m2/kg。软练法水泥和标准砂质量比1:3，水灰比分水泥品种为0.44和0.46；而ISO水泥和标准砂质量比为1:3，水灰比不分品种都为0.5。软练法确定水泥标号水泥用量比ISO方法多90g，也就是说：过去硅酸盐525#水泥相当于我们现在使用硅酸盐42.5#水泥。有些水泥厂为了提高水泥的早期强度而在生产过程中采用了降低烧成温度以提高熟料中C3A和含量措施，增加比表面积等措施，比表面积大和C3A 含量高的水泥，对普通混凝土（Ordinary Performance Concrete 简称HPC）使得水泥于外加剂相容性问题更为突出。水化热增大混凝土出现闪凝成絮状，HPC单方用水量增加，并出现坍落度经时损失过快、因萘系列外加剂用量高而出现对用水量敏感等不良现象，同时也会造成混凝土后期强度反而降低怪显现，此现象在东毛项目部得到验证。JTC/T 50-2011 表6.15.4水泥技术要求：硅酸盐水泥和抗硫硅酸盐水泥比表面350m2/kg ，熟料中C3A：8%，海水环境10%。水泥比表面积大于350m2/kg，其水化反应速度加快，混凝土水化热增加，造成与萘系列减水剂相容性变差；C3A它是水泥四种组分中遇水反映速度最快，水化热最高的组分；C3A的化学收缩量率是C2S的3倍，是C4AF的5倍。祁连山和我区多数水泥厂厂家有时生产P.52.5 C3A含量10%，造成C50预应力混凝土强度离差系数大主要原因。 GB175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定，水泥比表面积300m2/kg，没有上线限制，如东毛项目部祁连山P.52.5硅酸盐水泥比表面积400m2/kg，祁连山PO42.5普通硅酸盐水泥比表面积370m2/kg，项目部和水泥厂进行交涉，水泥厂以国标大于行业标准，双方协商没有结果。 HPC混凝土水泥中C3S和C3A的总含量宜不超过58%，该种硅酸盐水泥具有较高的抵抗硫酸盐侵蚀能力，水化热中等，有利于混凝土体积稳定，避免混凝土表面因温差过大而出现裂缝。 3）水泥磨细过程中填加助磨剂在水泥行业不是什么秘密，而助磨剂是有机和无机混合物，对新拌混凝土影响大小，行业人士也众说纷纭。因为，我们对助磨剂不了解，对新拌混凝土拌合物出现问题就无法对症下药。据我了解有些供销商为了迎合水泥厂强度要求，他们在助磨剂里加了大量的强度激发剂，有些激发剂对混凝土耐久性、后期强度增加、钢筋锈蚀、减水剂和水泥相容性等产生不利影响。 4）HPC最好用P、P硅酸盐水泥，因硅酸盐水泥添加材料不超过5%。如用PO普通硅酸盐水泥要了解水泥组分及助磨剂种类，防止混凝土出现质量通病。我公司经常使用水泥水泥出厂报告单见表2-2我公司水泥出厂检验报告单 表2-2水泥品牌检测项目比表面积m2/kg熟料中C3S(%)熟料中C3A(%)水泥中掺加粉煤灰（%）标准稠度用水量（%）烧失量（%）青铜峡（P.HSR42.5）33042.192.72250.69青铜峡（P.O52.5R）4105.6725.80.84宁夏银川赛马(P.O42.5R)33516.728.43.16宁夏银川赛马(P.O42.5R)33616.628.63.29六盘山赛马（P.O42.5）345181.82宁夏灵武赢海水泥（P.O42.5）32514.827.32.86兰州祁连山（P.O42.5）37018.02兰州祁连山（P.52.5）4010天水赛马（P.O52.5）3776.055）宁夏地区水泥夏季供应旺季要严格控制水泥罐车进场温度，温度越高混凝土坍落度损失越大，混凝土工作性越差。大家一般认为，配置C60以上高强度混凝土必须降低水灰比来获得，当W/C0.38时，混凝土微观结构气孔、毛细孔减少，凝胶孔增加，造成混凝土强度越高，混凝土收缩与裂缝越大。世界任何事物都是对立和统一，没有绝对的好，也没有绝对坏；阴极必阳，阳极必阴。这就要求我们项目总工、质检负责人、试验室主任要向中医大夫学习“望、闻、问、切”掌握各种胶凝材料性能，具体问题具体分析，使胶凝材料性能达到阴阳平衡，使优化的混凝土配合比达到“工作性、强度、耐久性”要求。混凝土强度增加，除了考虑水泥的强度，还要考虑水泥的需水量及水泥与外加剂的适应性，但两者的适应性差时，不仅影响混凝土的减水率，更重要的是造成新拌混凝土塌落度的严重损失。一般而言，影响水泥与外加剂适应性主要因素为C3A含量，水泥颗粒组成，熟料中的SO3含量和碱含量等，据有关资料显示，C3A的含量越低，水泥与外加剂适应性就越好，相对而言C3A含量对适应性影响原比C4AF大，这是由于高效减水剂优先吸附于C3A及其水化物的表面，使C3A的水化速度快过C4AF的缘故，并且这种趋向也随水泥的细度增大而增强。水泥是高性能混凝土中最关键的组分，有些水泥厂为了提高水泥的早期强度而在生产过程中采用了降低烧成温度以提高熟料中C3A含量措施，使得水泥水化热增大混凝土出现闪凝并于外加剂相容性问题更为突出。GB175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定，水泥比表面积300m2/kg，没有上线限制，如东毛项目部祁连山P.52.5硅酸盐水泥比表面积400m2/kg，祁连山P.O42.5普通硅酸盐水泥比表面积370m2/kg，项目部和水泥厂进行交涉，水泥厂以国标大于行业标准，双方协商没有结果。 HPC混凝土水泥中C3S和C3A的总含量宜不超过58%，该种硅酸盐水泥具有较高的抵抗硫酸盐侵蚀能力，水化热中等，有利于混凝土体积稳定，避免混凝土表面因温差过大而出现裂缝。所以在施工中不宜采用早强水泥，C50预应力高强度混凝土最好采用P.、P.52.5和P.、P.42.5硅酸盐水泥、其次采用普通硅酸盐水泥来配置高性能混凝土。 此外，水泥的粗细颗粒级配得当，也是混凝土具有良好的流变性能一个重要途径。一般水泥厂的级配应控制在1080m颗粒含量占90%，而低于10m颗粒含量10%。但是现在有些水泥厂只单方面地考虑水泥的细度，甚至采用增加比表面积的方法来提高水泥强度，导致水泥颗粒越细，需水量越大，水化热越大，混凝土塌落度损失越快的后果。另一方面熟料中SO3含量和碱含量对混凝土的也有较大影响，水泥SO33%引起混凝土硬化后体积膨胀，导致结构物破坏，熟料中含碱量越低，新拌混凝土的工作度就越好。我国生产水泥性能落后于世界发达国家，在水泥生产方面要想我们邻国日本学习，日本在高性能减水剂和改性水泥研究和生产处于世界领先地位。据有关文献记载日本现在已近生产出球状水泥、调粒水泥、活性水泥，这些水泥标准稠度用水量低，在相同水胶比的情况下，比普通混凝土的流动性大；如果流动性相同，这些新型水泥可以减少用水量，降低水胶比，提高强度。如前所述：因为我国有些水泥厂掺杂使假、水泥比表面积超标，水泥和外加剂相容性差、混凝土坍落度经时损失大、早期水化热大等问题，我国水泥界不少权威人士呼吁，将水泥厂变成水泥熟料生产厂，外掺胶凝材料有施工单位试验确定。2、外加剂在我公司目前主要大量使用混凝土减水剂有时冬季施工用防冻剂。混凝土减水剂可以是阴离子表面活性剂，本身不予水泥发生反应，而是通过表面活性剂的吸附-分散作用、润滑和润是作用，改善HPC的工作性和水泥石的内部结构及提高混凝土物理力学性能；使用聚羧酸液体高性能减水剂可以降低混凝每方用水量20%30%，混凝土强度提高20%30%。外加剂按用途分类：（1）改善混凝土拌合物和易性能的外加剂，包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等；（2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等；（3）改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂和阻锈剂等； （4）改善混凝土其他性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂和泵送剂等；高性能混凝土的外加剂必须选用聚羧酸高效减水剂，因为聚羧酸高效减水剂是第三代液体减水剂，其性价比优于我公司目前使用第二代萘系列粉剂减水剂。聚羧酸液体外加剂是制备高性能混凝土的关键，但不同聚羧酸外加剂有不同的特点，有的侧重减水，有的侧重保塑，有的侧重减少混凝土的黏聚性，因根据不同混凝土的具体要求和试验结果，选择适合的聚羧酸系外加剂。2.1、混凝土工作性能：以聚羧酸系减水剂配置的混凝土减水率大于萘系列减水剂，相同用量其流动性好，坍落度损失小，混凝土不泌水，振动时气泡不易溢出；萘系列减水剂流动性较差，坍落度损失较快，容易泌水，振动时大气泡多。聚羧酸减水剂和各种常用胶凝材料相容性好，而萘系列减水剂和常用胶凝材料相容性差。2.2、二种减水剂7d强度有较大差别：聚羧酸减水剂大于萘系列减水剂，聚羧酸减水剂试块及构造物回弹强度离差系数小于萘系列减水剂，聚羧酸减水剂早期强度和28d强度均高于萘系列减水剂，据有关文献介绍：聚羧酸减水剂适合冬季低温低温条件下施工。聚羧酸减水剂养护温度越低越有利于28d强度发展。2.3、构造物外观：聚羧酸减水剂构造物整体颜色均匀一致，外观有光亮感，表面气泡小，萘系列减水剂混凝土外观色泽发暗，缺乏光亮感。见图2-1，图2-2萘系列减水剂。图2-2聚羧酸高性能减水剂图2-32.4、聚羧酸减水剂抗碳化能力：聚羧酸减水剂混凝土抗碳化能力优于萘系列减水剂。2.5、在混凝土早期收缩方面，聚羧酸减水剂优于萘系列减水剂，对提高混凝土体积稳定性非常有利。2.6、我公司目前使用地拌合楼有液体减水剂计量系统，用此系统可以克服农民工称量误差和有时偷懒现象发生并节约减水剂。 以上结论来源于银巴一标和东毛项目部。现在我国许多混凝土外加剂生产厂家产品质量波动较大，前期所供应减水剂质量基本能满足要求，中后期生产厂家为降低成本，改变外加剂配合比，对混凝土性能造成巨大地影响。因此，要加大外加剂检测频度，严格控制外加剂质量。我们的经验做法为，检测外加剂融水后的比重，如比重波动较大，证明生产厂家改变外加剂配合比，项目部应立即与供应商交涉并停止使用；也可采用水泥净浆流动度试验进行测试。聚羧酸液体减水剂现场检测相对容易控制，我们只需测定密度和在1102烘箱中烘干34h测其固体含量为含固量。减水剂和混凝土适应性差，会造成混凝土塌落度损失大，拌和站和罐车司机被动加水，造成混凝土离析和泌水，蜂房状干缩裂纹多，回弹强度低，构造物不得不推到重新浇筑，给项目部造成经济和社会形象损失，教训深刻。聚羧酸减水剂技术指标要满足表2-3和表2-4 掺外加剂混凝土性能指标 表2-3外加剂品种检 测 项 目减水率% 冻融循环次数200次% 泌水 率比%含气量%凝结时间之差min抗压强度比%抗压强度比%收缩率比% 磨耗量kg/m2初凝终凝7d28d7d28d28d28d萘系列高效减水剂减水剂1560955-90+1201251201251201352聚羧酸高效减水剂2080903羧酸减水剂匀质性指标 表2-4项目密度（20）含固量（%）氯离子含量（%）PH值砂浆减水率技术要求1.050.0222.031.320.271.0202.3 粉煤灰(Fly Ash 简称FA）粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其化学成分见表-5。粉煤灰比重在1.952.36之间，松干密度在450700 kg/m3范围内，比表面积200400m2/kg。粉煤灰是一种高度分散微细颗粒集合体，主要由二氧化硅玻璃球组成，根据颗粒形状可分为球形颗粒与不规则颗粒。见图-3。球形颗粒又可分为低铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的图2-4差异，则可分为漂珠、轻珠、和沉珠。粉煤灰比黏性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外力作用下具有一定的压缩性，但比黏性土其压缩变形小的多。粉煤灰的毛细现象十分强烈，其毛细水的上升高度与压实度有密切的关系。我国31个有代表性的火力发电厂粉煤灰的化学组分 表2-5成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3烧失量变化范围33.959.716.535.41.519.70.810.40.71.90.62.90.21.101.11.223.6平均值50.627.17.12.81.21.30.50.38.2宁夏地区火力发电厂粉煤灰的化学组分 表2-6成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3烧失量大坝电厂52.229.311.20.71.00.60.20.513.7六盘山热电厂50.828.510.60.61.21.40.50.544.5马莲台50.9433.675.263.811.41.40.810.482.23粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土的成本，保护环境，而且能与水泥取长补短，均衡协调，改善混凝土性能，粉煤灰混凝土具有明显的技术经济效益。所以，在高性能混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水和外加剂同样重要，是矿物外加剂，也可称为第二胶凝材料，是高性能混凝土的一种不可缺少的重要组成部分。也可以认为，在结构混凝土中单纯使用水泥，不掺用粉煤灰等掺合料时，就不具备高性能混凝土的品质。粉煤灰在混凝土中通过“三大效应”来提高混凝土的和易性及强度。第一、“形态效应”。在显微镜下显示，粉煤灰中含有70以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。第二、“活性效应”。粉煤灰系人工火山灰质材料，又称之为“火山灰效应”。即粉煤灰和水泥水化产生的氢氧化钙反应，产生后期强度和填充空隙，提高混凝土的抗腐蚀能力，能够抑制混凝土后期主要病害碱集料反应。第三、“微集料效应”。粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，整体效应越好。第四、粉煤灰可以等体积替代级配不良、细度模数Mk3.4水洗粗砂。因水洗中粗砂砂场老板为了增加产量降低成本，宁夏地区普遍采用采用产品质量差的洗砂机。国家监管砂场隶属不同部门，监管不到位。砂场普遍采用5mm筛子冲洗水洗砂，造成5mm以下细集料严重不足，使HPC混凝土分子之间范德华力减弱，混凝土黏聚力小于粗集料重力和振捣力。公路工程集料试验规程JTG E42-2005又采用筛洗法，将通过75um部分都当作“泥”洗去，细集料含泥量测定偏大且失真，应采用公路沥青路面料试验规程JTG F40-2004砂当量和公路土工试验规程JTG E40-2007密度计法调整。水泥和水水化反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙等凝胶体，其中的氢氧化钙和水化铝酸钙是导致混凝土耐久性差的根源，特别是氢氧化钙成大片状结晶，在有压水渗透的条件下，首先被软水溶出，造成软水侵蚀，同时导致混凝土的空隙率增大，抗渗性、耐水性及抗氯盐渗透性变差，更容易发生冰冻、盐冻、碱集料反应和钢筋锈蚀等破坏；但同时发生硫酸盐侵蚀时，硫酸根将于氢氧化钙和水化铝酸钙一起，在硬化混凝土中，生成高硫型水化硫酸铝钙，这就是俗称的“水泥杆菌”。如果要使混凝土配制成高耐久性高性能混凝土，在其水泥水化产物中，就必须设法减少或消除有损强度、耐久性的大结晶体氢氧化钙。粉煤灰等活性掺合料具有这种特性，粉煤灰与氢氧化钙发生反应比水泥滞后，称为“二次反应” 。粉煤灰主要成分是SiO2 （4565%）、Al2O3（2035%），二次与水泥水化依然是水化硅酸钙（3CaO2SiO26H2O简称CSH）和水化铝酸钙（3CaOAl2O36H2O）等凝胶体，水化硅酸钙是混凝土强度的70%和水化铝酸钙是水泥强度的3%，它们是水泥石提供强度主要来源。这就是粉煤灰不仅是混凝土强度提高，而且使混凝土耐久性改善。据有关文献记载粉煤灰内掺40%50%可以防止碱集料反映，其有关性能优于抗硫水泥。粉煤灰分级和质量指标应满足表2-7：粉煤灰分级和质量指标 表2-7粉煤灰等级细度（45m，筛余量）比表面积（m2/kg）烧矢量（%）需水量比（%）含水率（%）CI-(%)SO3(%)混合砂浆活性指数7d28d1225456004002005815951051151.01.01.00.020.0233380759085粉煤灰在混凝土中的形态效应、活性效应、微集料效应和级配效应极大改善了混凝土和易性、密实性及强度性能。粉煤灰因具有三大效应特点，因此能更好地发挥粉煤灰减水増浆调凝密实协和等五项基本功能，从而使混凝土的结构和性能，发生预期的变化。优质的粉煤灰像中药里得甘草是配制高性能混凝土的必不可少的材料。HPC混凝土采用外掺技术，普通混凝土强度大于C30用级粉煤灰，外掺能取代1520的水泥；HPC水下混凝土强度不大于C30用级粉煤灰，外掺能取代3040的水泥，极大的降低了混凝土生产成本。宁夏煤炭资源丰富，电煤质量好，东部沿海城市电煤价格比我区每吨高500600元，国家严格控制电费涨价，电费和煤价不同步，电厂被动接收价低质次并含有大量煤矸石的电煤，造成粉煤灰质量波动大，因此要对进场粉煤灰每车必须做细度、比表面积、烧失量、需水量比、安定性等试验。大坝电厂粉煤灰筛选技术在宁夏地区比较先进，级粉煤灰质量比较稳定，其它大部分厂家粉煤灰都转手有经销商经营，经销商又将价低质次粉煤灰磨细，在磨细过程中又加入了助磨剂，有些助磨剂对不仅对混凝土有非常大的不利的影响，甚至对人体有害，像尿素等。因此，我们试验检测人员按照新桥规6.15.8-1要求，对每车进场粉煤灰不但要测细度，还要测比表面积、需水量比、烧失量和28d活性指数，严禁不合格粉煤灰进场。2.4 硅粉（Silica Fume 简称SF）硅灰（微硅粉）是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和硅气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。它是由非常细的玻璃质颗粒组成，其中SiO2高，外掺水泥用量510%，可使混凝土致密、耐磨、增强其耐久性。微硅粉化学组分（单位：%）表2-8成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3烧失量微硅粉85950.50.2881.361.00.790.790.2343P.O42.5水泥23.447.192.9655.012.24-4.03.8微硅粉主要有三种类型：原状微硅粉、增密微硅粉和微硅粉料浆，每一种类型均影响其技术性能、使用效率。 硅灰（微硅粉）外观为灰白色粉末耐火度1600。硅灰松散密度250300kg/m3。硅灰（微硅粉）中细度小于1m的占80%以上，平均粒径在0.10.3m，比表面积为1500020000m2/kg。其细度和比表面积约为水泥的80100倍，粉煤灰的5070倍。硅灰（微硅粉）在形成过程中，因相变的过程中受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑，它是一种比表面积很大、活性很高的火山灰物质。见图2-5掺有硅灰（微硅粉）的物料，微小的球状体可以起到润滑的作用。硅灰（微硅粉图2-5）能够填充水泥颗粒间的孔隙， 同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。在高性能混凝土中，采用外掺技术，可以替代5%10%的水泥，可起到如下作用：显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，能够抑制碱集料反应；具有保水、防止离析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可使砼的耐久性提高一倍甚至数倍：具有约35倍水泥的功效,在普通砼和低水泥混凝土中应用可降低成本、提高耐久性；有效防止发生HPC碱骨料反应。建议我公司后张法施工加外掺5%10%硅灰压浆，能够防止水泥浆离析和泌水，大幅度提高水泥浆流动性、黏聚性、充盈性等性能。质量指标应满足表2-9：硅灰的质量指标 表2-9物理性能化学性能混合砂浆性能比表面积（m2/kg）含水率（%）烧失量（%）SO2（%）CI-(%)需水量比（%）28d活性指数（%）1500036850.0212585硅粉比表面积用碳吸附法测定，宁夏所有检测机构无法进行此项试验。因硅粉价格较贵，是矿粉、石灰岩粉和粉煤灰价格36倍，建议项目部直接从厂家进货，防止中间环节经销商人为掺杂使假。2.5矿粉(Slag 简称S)高炉炼铁中的铁矿石杂质和焦炭中的灰粉与石灰石在高炉内生成高炉渣，高炉渣密度小，浮于铁液表面，排放出炉，经水急冷，得水淬矿渣。水淬矿渣经欧式磨细而成矿粉。见图2-6粒化高炉矿渣磨细到比表面积 400600m2/kg，颗粒小于10um。外掺取代20%30%水泥后，混凝土流动性提高，具有缓凝作用，其早期强度于硅酸盐水泥混凝土相当，但表现后期强度高、耐久性好的优良性能。磨细矿渣绝大部分是不稳定的玻璃体，不仅具有较高的化学能，而且有较高的活性。这些活性成分SiO2 和Ai2O3 ，即使在常温条件下，以上活性成分也可以与水泥中的Ca(OH)2发生反应而产生强度。据有关文献记载内掺50%60%，可以防止混凝土碱集料反映。 宁夏大武口、灵武、中卫等地区炼铁企业都生产S95矿粉，试验检测人员严格按新桥规表6.15.8-2规定，不但要测其比表面积，还要测其烧失量、需水量比、28d活性指数等指标，防止掺有粉煤灰、炉渣、生石灰粉等掺杂使假矿粉进场。我国15个有代表性水淬矿渣的化学组分平均值（单位 %）表2-10成分SiO2Al2O3CaOMgOTiO2FeOMnOK2ONa2OS烧失量平均值33.113.942.36.91.30.650.390.310.20772.8青铜峡3010.446.67.21.00.50.550.30.210.72.5表-10 K=（SiO2+MgO+Al2O3）/（SiO2+MnO+TiO2）=1.21.6之间，K值越大，矿粉活性越高，HPC强度越高。宁夏74um矿粉密度在2.852.94g/cm3，其技术指标见2-11磨细矿渣粉技术要求 表2-11粉煤灰等级密度（m2/kg）比表面积（m2/kg）烧失量（%）需水量比（%）含水率（%）CI-(%)SO3(%)混合砂浆活性指数7d28dS105S95S75-2.8-7505503503331001001001.01.01.00.020.020.0644410085751151051002.6石灰岩粉（LP）石灰岩粉用石灰岩碎石（12cm）经欧式磨磨细成胶凝材料。从图-4可以看出，石灰岩粉基本上成无规则几何结构，并拥有一定的级配，用为高性能混凝土粉体材料时，将有良好的填充效果。图2-7。由于石灰岩粉抗压强度低于和抗折强度低于石英岩和花岗岩，很容易磨细成粉；因其线膨胀系数和弹性模量小于石英岩和花岗岩，混凝土抗干缩性能优于其它胶凝材料。石灰岩粉细颗粒基本都在10um以下，比粉煤灰更细，而水泥颗粒最大，且细颗粒较少。见图2-8图2-8石灰岩粉分散性高于其它胶凝材料，其需水量比为92%小于其它胶凝材料，因此它的工作性能优于其它胶凝材料。外掺15%20%石灰岩粉主要目的就是改变混凝土外表颜色；具有降低水化热、保水、防止离析、泌水、提高混凝土工作性。在HPC采用外掺技术，可以取代水泥15%20%，降低混凝土脆性系数，防止混凝土裂缝。玉明牌石灰岩粉的质量指标见表2-12石灰岩粉技术要求 表2-12物理性能化学性能混合砂浆性能比表面积（m2/kg）密度（kg/m3）含泥量（%）SO3（%）CaO（%）MgO(%)需水量比（%）28d活性指数（%）450 2.821550.029280宁夏石灰岩碎石各市县都有生产，石灰岩粉成本低于硅粉和矿粉，略高于粉煤灰。按表-1质量指标严格控制石灰岩粉质量，HPC混凝土质量是可以得到保证。硅粉、矿粉、石灰岩粉品质越高，杂质越少、其细度越细，外观颜色越白，混凝土构造物光亮度越好。柳木高玉明牌石灰岩粉化学组分见表2-13我国有代表性石灰岩粉的化学组分平均值（单位 %）表2-13成分SiO2Al2O3CaOMgOTiO2Fe2O3MnOK2ONa2OSO3烧失量平均值2.50.654.030.540.050.360.540.0960.0840.0141.59玉明牌3.661.6646.20.990.030.700.570.20.070.8940宁夏人均拥有能源在全国名列前茅，宁夏粉煤灰、硅粉产量除满足房地产行业需求，还能供应到外省和出口，随着世界金融危机和国内房地产和高铁等项目萎缩，宁夏粉煤灰、矿粉、硅粉、石灰岩粉供大于求，为我公司推广HPC混凝土提供物质保障。 第三节 高性能混凝土粗细集料性能及要求HPC骨料的选择，对于保证高性能混凝土的物理力学性能和长期耐久性至关重要，清华大学混凝土专家冯乃谦认为，要选择适宜的骨料配置高性能混凝土，必须注意骨料的品种、表观密度、吸水率、粗骨料强度、粗骨料最大粒径、粗骨料级配、浆骨比、砂率和碱活性组分含量等。图3-1普通混凝土是骨架密实结构（Ordinary Performance Concrete，简写OPC），是贫混凝土，混凝土坍落3090mm，混凝土强度取决于骨料和浆体的粘结强度，因此规范要求骨料强度不小于混凝土强度1.5倍；而HPC是悬浮密实结构，骨料在混凝土成悬浮状态，混凝土的强度基本和骨料强度相关性不大，由图3-1可见，OPC由于离析和泌水，在骨料下面产生宽50100um左右孔隙，骨料下面的孔隙，对混凝土强度、抗渗性和抗冻性等均有不良影响。因此HPC必须是骨料下面的孔隙越少越好。就必须降低HPC单方混凝土用水量，提高混凝土的黏度。HPC就是根据HPC这一特点，利用高性能减水剂和粉煤灰减水増浆调凝密实协和等五项基本功能，利用石灰岩粉、矿粉、硅粉、石灰岩粉等胶凝材料有关性能，对立统一、扬长避短、从而使HPC的微观结构和性能，发生预期的变化。通常，界面过渡层厚度1050um，存在与骨料周边，界面过渡层与混凝土强度高度相关，过渡层存在于骨量周边，约占全部水泥浆1/3。见图3-1。对于HPC抑制和改善界面过渡层是十分重要的。为此，对混凝土强度不小于C50，用高性能减水剂和其它胶凝材料降低水灰比，降低HPC的泌水和离析，改变混凝土微观结构，提高混凝土界面过渡层黏结力，提高HPC工作性、强度和耐久性、经济性，其它胶凝材料对高性能混凝土具有积极地影响作用。目前，我国用轻质骨料（陶粒）已配制C60以上高性能混凝土有关文献早有记载，因浆骨比大于传统混凝土，HPC工作性好于HPC，在我国用HPC大流动性自密实混凝土修建400600米的高楼已不是尖端技。 1、细集料宜选择细集料宜选择石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数控制在2.63.2之间，砂率控制2935%之间，泵送HPC混凝土砂率控制在3545%范围内。技术指标见新桥规6.3.1,6.3.4。随着宁夏砂石资源枯竭，宁夏水洗砂价格逐年上涨，而石料厂机制砂因造价低，配置混凝土在同样条件下相比较强度高，混凝土坍落度小，工作性差，采用粉煤灰、石灰岩粉等体积替代5mm以下含量不足，可以满足施工工作性要求。 2、粗骨料的选择 1）粗集料表面特征通过试验发现，集料对高性能混凝土有一定的影响。造成HPC性能不良有以下原因：（1） 级配不良级配不良会影响混凝土工作性，粗集料空隙率宜在40%左右，空隙率过大的粗集料针片状含量多，骨料粒型差、混凝土流动性差、还会降低混凝土的抗渗性。（2）骨料强度宁夏地区碎石一般都为沉积岩的石灰岩和砂岩， 石灰岩强度大于砂岩强度，石灰岩线膨胀系数小于砂岩，新桥规6.15.6高性能混凝土不宜采用砂岩。（3） 粗骨料的强度粗集料的形状和表面特征粗集料宜采用等径状（宏观球性）粗集料，对混凝土强度影响很大，尤其在C50以上高强度混凝土中，骨料的形状和表面和表面特证对混凝土强度影响更大。我区粗骨料表面形状和国外比较见图3-2。 图3-2表面较粗造的结构，可使骨料颗粒和水泥石之间形成较大的黏着力。但是，针片状的骨料会影响混凝土流动性和强度，因此，C60以上HRC针片状骨料含量不宜大于5%。 由于混凝土内各个颗粒接触点的实际应力有时会超过施加的压应力，所以选择的粗骨料强度应高于混凝土强度比1.5倍，但是，过硬、过强的粗集料因温度和湿度的因素而是混凝土发生体积变化，使水泥石受到较大的应力而开裂。所以从耐久性上讲，选择强度中等的粗集料，反而对混凝土耐久性有利。试验证明，HPC混凝土所用粗骨料，其压碎值控制在10%15%之间。 （4）粗骨料的最大粒径 HPC混凝土粗集料罪的粒径的选择与普通混凝土完全不同。普通混凝土最大粒径的控制，由模板尺寸和钢筋最小间距决定，粒径的大小对混凝土强度影响不大；但对高性能（高强）混凝土来讲，粗骨料粒径的大小对混凝土强度影响较大。加大粗骨料粒径会使混凝土强度降低，强度等级越高影响越明显。原因是：骨料尺寸越大，粘结面积越小，造成混凝土受力连续性不利影响越大，尤其对水泥用量较多的高性能混凝土，影响更为显著。因此，对C50混凝土最大碎石粒径不宜大于25mm，C60混凝土碎石最大粒径不宜大于20mm，C60以上混凝土碎石最大粒径不宜大于20mm。粗集料技术指标见新桥规6.4.1,6.4.2,6.4.3。 （5）其它方面要求 粗、细集料的表观密度在2.65以上；粗集料的吸水率应低于1%，细集料饱和吸水率应低于2.5%；粗骨料的级配良好，孔隙率大于40%左右；粗集料无碱活性组分；粗集料的体积用量一般为400L，骨料用量9601100kg/m3。粗集料的级配范围（累计筛余） 表3-1 级配情况序号工称粒径mm筛 孔 尺 寸（方 孔 筛，mm）2.364.759.5161926.531.5累 计 筛 余（按质量计，%）连续级配152595100901003070052531.59510075903065第四章、水对高性能混凝土和拌合所用的磁化水要严格控制，不得采用污水和PH5的酸性水；水中氯离子含量不大于200mg/L，硫酸盐含量按SO42-计不大于500mg/L。水中不应含有影响水泥正