橋用高性能混凝土的制備、性能及其應(yīng)用研究

摘要：高性能混凝土是一種滿足特殊性能組合要求且均勻致密、具有優(yōu)良的拌和物性能、力學(xué)性能和耐久性能的優(yōu)質(zhì)混凝土。高性能混凝土制備的主要技術(shù)途徑是摻優(yōu)質(zhì)活性摻和料和高效減水劑，使高性能混凝土變得既經(jīng)濟(jì)又具有環(huán)境生態(tài)保護(hù)作用。本文研究摻I 級(jí)粉煤灰、礦渣微粉和二者雙摻的高性能混凝土(HPC)制備方法、工作性和力學(xué)性能，并在重點(diǎn)工程中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土(HPC)； 配合比；工作性；力學(xué)性能；應(yīng)用

    高性能混凝土(High Performance Concrete 以下簡稱HPC)是按照具體工程要求設(shè)計(jì)的，滿足特殊組合性能且均勻致密的高質(zhì)量混凝土，是一種很有發(fā)展前景的具有優(yōu)良性能且具節(jié)能和環(huán)保功效的混凝土。但目前對(duì)HPC還沒有統(tǒng)一的定義。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所認(rèn)為，HPC應(yīng)具有以下性能：澆搗方便且不離析，即具有優(yōu)良的工作性； 長期力學(xué)性能有所增長、早期強(qiáng)度高、韌性好、體積穩(wěn)定性好、使用壽命長。而日本的研究人員認(rèn)為HPC 應(yīng)具有以下性能：HPC 的拌和物能夠在自重作用下無需振搗可自動(dòng)填充模板的各個(gè)角落并形成密實(shí)的混凝土； 在凝結(jié)硬化初期混凝土內(nèi)部不存在或者存在極少因水化反應(yīng)和干燥引起的微裂縫； 混凝土硬化后要有足夠的強(qiáng)度和耐久性，能抵抗各種腐蝕和有害氣體、鹽類溶液等的侵蝕。中國混凝土協(xié)會(huì)于2000 年蘇州召開的會(huì)議上建議：HPC定義為以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。但總體而言，HPC是一種具有高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度的混凝土，且高效減水劑和優(yōu)質(zhì)活性摻和料已經(jīng)成為HPC不可缺少的組份。

    本文結(jié)合濱州黃河大橋的工程建設(shè)，對(duì)HPC的制備、性能和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究。濱州黃河大橋?yàn)樾陆?05國道高速公路跨越黃河的重要橋梁，主橋?yàn)樗A(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。本文根據(jù)工程需要對(duì)主橋、主梁和索塔以及引橋箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土進(jìn)行研究。箱梁采用C50HPC(代號(hào)XC50)，索塔(代號(hào)SC55)、主梁預(yù)應(yīng)力(代號(hào)ZC55)均采用C55HPC，3種混凝土均要求具有高力學(xué)性能和良好的施工性能，28d配制強(qiáng)度C50HPC達(dá)60MPa，C55HPC達(dá)65MPa，7d達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的80% ，坍損小，保塑性好，滿足泵送施工，同時(shí)具有高的長期性能和耐久性。

1 　原材料和試驗(yàn)方法

1．1 　原材料

    ①水泥( 代號(hào)C)：山東鋁業(yè)公司水泥廠產(chǎn)，42.5級(jí)P·O，安定性合格，總堿含量0.87% ，28d抗壓強(qiáng)度為45.1MPa。

    ②砂(代號(hào)S)：粗砂，Mx= 312，I區(qū)級(jí)配，堆積密度ρos為1430kgPm3，表觀密度ρs為2610kgPm3，屬于非活性集料，泥含量、泥塊含量、堅(jiān)固性等性能均滿足配制高性能混凝土的要求。

    ③碎石(代號(hào)G) ：5～25mm 連續(xù)級(jí)配，堆積密度ρog 為1 400kgPm3 ，表觀密度ρg 為2 720kgPm3 ，屬于非活性集料，泥含量、泥塊含量、壓碎值、針片狀含量等性能均滿足配制高性能混凝土的要求。

    ④粉煤灰(代號(hào)FA)：山東魯能鄒城球形I 級(jí)灰，需水量比91%，燒失量0.48%，總堿含量1.24%。

    ⑤礦渣微粉(代號(hào)SL)：S95級(jí)，南京江南粉磨有限公司產(chǎn)，比表面積439m2Pkg，總堿含量0.74%。

    ⑥外加劑(代號(hào)A)：采用緩凝高效減水劑，其中XC50采用MOI，摻量2.5%，減水率25.3%，總堿含量為2.52%； SC55采用NFOⅡ，減水率24.7%，摻量2.5%，總堿含量為4.71%。

1.2 　試驗(yàn)方法

    配合比設(shè)計(jì)參照J(rèn)GJ55O2000；混凝土堿含量依據(jù)CECS53∶93計(jì)算；混凝土工作性等依據(jù)GBJ80O85進(jìn)行；混凝土力學(xué)性能的測試依據(jù)GB81O85進(jìn)行。

2 　HPC 的配合比設(shè)計(jì)

    配合比設(shè)計(jì)是HPC制備技術(shù)的關(guān)鍵。HPC配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土的設(shè)計(jì)，不是簡單以抗壓強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的混凝土，而是包括原材料的選擇和控制、拌和物的生產(chǎn)制備和整個(gè)施工過程的良好質(zhì)量控制來實(shí)現(xiàn)的，其配合比的設(shè)計(jì)應(yīng)以安全、經(jīng)濟(jì)、合理為原則，以耐久性、工作性、抗壓強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，并綜合考慮和分析影響HPC性能與配合比各種參數(shù)的因素來確定其配合比。如混凝土拌和物的流動(dòng)性主要與集料的最大粒徑、表面狀況、砂率、粗細(xì)集料的級(jí)配情況、用水量、減水劑及礦物摻和料的種類和用量有關(guān)； 拌和物的離析主要與集料的最大粒徑、砂率、集料級(jí)配情況以及水泥種類等有關(guān)；混凝土強(qiáng)度與水泥的品種與強(qiáng)度、水泥用量、WPC、砂漿余量等有關(guān)。有研究表明，原材料加料順序、攪拌時(shí)間等制備方法對(duì)HPC 的工作性能甚至其力學(xué)性能和耐久性都有一定的影響，以首先攪拌均勻膠凝材料和部分減水劑和水，然后再加入粗細(xì)骨料和剩余的減水劑和水所測得的HPC的性能最優(yōu)。

    本項(xiàng)目在優(yōu)選原材料的基礎(chǔ)上對(duì)不同粉煤灰和礦渣微粉摻量的HPC 配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并經(jīng)試配調(diào)整，所得實(shí)驗(yàn)室配合比結(jié)果列于表1 中。

3 　HPC 的拌和物性能

    對(duì)HPC 應(yīng)同時(shí)嚴(yán)格控制用水量和水泥用量，因?yàn)楦咚酀{量(即高漿體P骨料比) 會(huì)帶來高的水化熱、高坍落度損失，大的收縮及低彈性模量，對(duì)耐久性很不利。應(yīng)充分利用高效減水劑和活性摻和料，水膠比一般在0.28～0.40之間，一般用水量在150～160kgPm3，水泥用量在500kgPm3以內(nèi)，膠凝材料總量不超過550kgPm3。砂率的大小不僅影響拌和料的工作性，且對(duì)混凝土的密實(shí)度、保水性、粘聚性、可泵性等一系列性能產(chǎn)生影響，砂率應(yīng)隨坍落度增大而增加，且有一個(gè)最佳的含砂率，HPC的砂率一般宜在34%～40%之間，并要保證一定的粗骨料用量，以減少HPC 的收縮。試驗(yàn)配制的HPC，WPB 為0.30 ～0.32，用水量在150～160kgPm3，水泥用量≤500kgP m3，膠凝材料總量在500～510kgPm3，砂率在38%左右，粗骨料用量保證在1100kgPm3左右，其配合比參數(shù)滿足HPC 的基本要求。所得C50～C55HPC拌和物的工作性均良好，具體表現(xiàn)為：坍落度T 在150～210mm之間，保水性好，基本無泌水，粘聚性好，含氣量在110 %～115 %之間，1h 坍落度損失均在15%之內(nèi)，滿足泵送施工的要求。試驗(yàn)表明：適量的優(yōu)質(zhì)活性礦物摻和料如優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣微粉等可改善混凝土的工作性。粉煤灰的微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)不但可以提高混凝土的保水性、流動(dòng)性，并可減少水泥用量，提高HPC 的耐久性。

4 　HPC 的性能及其分析

    依據(jù)表1 的配合比制備混凝土，并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期進(jìn)行測試，所測得的結(jié)果如表2 和圖1 所示。

    對(duì)于混凝土，混凝土的堿骨料反應(yīng)問題已經(jīng)成為世界日益關(guān)注的問題，所采用C50～C55HPC的堿含量范圍在413～511kgPm3之間，采用的非活性集料可避免堿骨料反應(yīng)的潛在危害。

    試驗(yàn)結(jié)果(表2、圖1) 表明，配制的HPC均具有較好的力學(xué)性能。C50HPC7d強(qiáng)度達(dá)50MPa左右，28d抗壓強(qiáng)度均在60MPa以上。C55HPC7d達(dá)到了55MPa，28d均在67MPa以上。單摻10%～18%I級(jí)粉煤灰、單摻25%礦渣微粉或二者雙摻的HPC，均具有良好的力學(xué)性能，雖然3d強(qiáng)度有所降低，但28d強(qiáng)度變化不大，90d 強(qiáng)度穩(wěn)定增長。由于粉煤灰僅與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，故摻粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，且隨著粉煤灰摻量的增加，早期強(qiáng)度降低幅度增大，但28d抗壓強(qiáng)度各組混凝土均超過60MPa。摻礦渣微粉組和空白混凝土的力學(xué)性能相當(dāng)，且抗壓彈性模量有所提高，可見一定量礦粉的摻入并不會(huì)降低混凝土的早期強(qiáng)度，而后期強(qiáng)度會(huì)明顯提高。這是因?yàn)榈V粉具有較高的活性，比表面積較大，在水泥水化初期即可直接參與水化反應(yīng)。采用粉煤灰和礦粉雙摻，由于摻和料的用量較大，使混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，28d的強(qiáng)度增長加快。28d各組混凝土的抗壓彈性模量均大于42GPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度均在57MPa以上，幾乎接近混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。對(duì)于HPC，目前已有研究表明[1]，HPC的尺寸效應(yīng)不同于普通混凝土，可能由于其脆性增大，脆性對(duì)尺寸效應(yīng)的影響也增大，其尺寸效應(yīng)比普通混凝土更顯著，換算系數(shù)更小。但是關(guān)于立方體試件與軸心抗壓試件之比較普通混凝土呈增大的趨勢，這是一個(gè)尚值得研究的問題。

    與此同時(shí)，還對(duì)混凝土的抗?jié)B和抗凍性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：制備的HPC具有良好的耐久性，抗?jié)B等級(jí)均大于P12，在不摻引氣劑的情況下，采用慢凍法抗凍等級(jí)可達(dá)到F200以上。

5 　HPC 在工程中的實(shí)際應(yīng)用

    本研究成果在濱州黃河大橋的索塔、主梁和箱梁等重要的結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，通過施工質(zhì)量的嚴(yán)格控制，制備的HPC 質(zhì)量優(yōu)異，工作性能和力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且具有更優(yōu)良的耐久性。在施工方面，HPC 與普通混凝土的最大區(qū)別為施工質(zhì)量的控制，尤其是對(duì)早齡期養(yǎng)護(hù)的控制。由于普通混凝土水膠比比較大，內(nèi)部水分已足夠全部水泥水化，基本不會(huì)產(chǎn)生自身收縮。有研究表明[2 ]，HPC成型后24h進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)已經(jīng)太遲，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)大量的塑性收縮和自身收縮均已產(chǎn)生，內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)初步形成，毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)閉合，連通孔比較少，低水膠比使內(nèi)部水分不足以提供水泥水化所需的水，而外部水分又難以進(jìn)入，從而產(chǎn)生自身收縮，故只要在水泥水化期間外部水分能夠進(jìn)入混凝土內(nèi)部，其自身收縮就會(huì)減小。也有研究表明：內(nèi)部自由水分的減少，內(nèi)部相對(duì)濕度的降低是引起HPC 干燥收縮的主要原因[3]。所以，早期的濕養(yǎng)護(hù)對(duì)HPC的強(qiáng)度發(fā)展和抗裂性同HPC 的配合比設(shè)計(jì)同樣意義重大。

6 　小結(jié)

    (1) HPC 的配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土，應(yīng)綜合考慮其工作性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性。HPC配合比的基本參數(shù)為WPB=0.28～0.40，一般用水量在150～160kgPm3，水泥用量在500kgPm3以內(nèi)，膠凝材料總量不超過550kgPm3，砂率宜在34%～40%之間，且需保證一定的粗骨料用量。

    (2) 研究結(jié)果表明，在C50～C55HPC中摻入一定量的(10%～25%)的I 級(jí)粉煤灰、礦渣微粉或雙摻，對(duì)改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性是十分有利的，尤其有利于后期強(qiáng)度的增長。

    (3) 早齡期的濕養(yǎng)護(hù)對(duì)HPC的強(qiáng)度和耐久性與配合比的設(shè)計(jì)具有同樣重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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