桥用高性能混凝土的制备、性能及其应用研究

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摘要：高性能混凝土是一种满足特殊性能组合要求且均匀致密、具有优良的拌和物性能、力学性能和耐久性能的优质混凝土。高性能混凝土制备的主要技术途径是掺优质活性掺和料和高效减水剂，使高性能混凝土变得既经济又具有环境生态保护作用。本文研究掺I 级粉煤灰、矿渣微粉和二者双掺的高性能混凝土(HPC)制备方法、工作性和力学性能，并在重点工程中得到了应用。

关键词：高性能混凝土(HPC)； 配合比；工作性；力学性能；应用

高性能混凝土(High Performance Concrete 以下简称HPC)是按照具体工程要求设计的，满足特殊组合性能且均匀致密的高质量混凝土，是一种很有发展前景的具有优良性能且具节能和环保功效的混凝土。但目前对HPC还没有统一的定义。美国国家标准与技术研究所认为，HPC应具有以下性能：浇捣方便且不离析，即具有优良的工作性； 长期力学性能有所增长、早期强度高、韧性好、体积稳定性好、使用寿命长。而日本的研究人员认为HPC 应具有以下性能：HPC 的拌和物能够在自重作用下无需振捣可自动填充模板的各个角落并形成密实的混凝土； 在凝结硬化初期混凝土内部不存在或者存在极少因水化反应和干燥引起的微裂缝； 混凝土硬化后要有足够的强度和耐久性，能抵抗各种腐蚀和有害气体、盐类溶液等的侵蚀。中国混凝土协会于2000 年苏州召开的会议上建议：HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。但总体而言，HPC是一种具有高耐久性、高工作性、高强度的混凝土，且高效减水剂和优质活性掺和料已经成为HPC不可缺少的组份。

本文结合滨州黄河大桥的工程建设，对HPC的制备、性能和应用技术进行了研究。滨州黄河大桥为新建205国道高速公路跨越黄河的重要桥梁，主桥为塔预应力混凝土斜拉桥。本文根据工程需要对主桥、主梁和索塔以及引桥箱梁预应力混凝土进行研究。箱梁采用C50HPC(代号XC50)，索塔(代号SC55)、主梁预应力(代号ZC55)均采用C55HPC，3种混凝土均要求具有高力学性能和良好的施工性能，28d配制强度C50HPC达60MPa，C55HPC达65MPa，7d达设计标号的80% ，坍损小，保塑性好，满足泵送施工，同时具有高的长期性能和耐久性。

1 　原材料和试验方法

1．1 　原材料

①水泥( 代号C)：山东铝业公司水泥厂产，42.5级P·O，安定性合格，总碱含量0.87% ，28d抗压强度为45.1MPa。

②砂(代号S)：粗砂，Mx= 312，I区级配，堆积密度ρos为1430kgPm3，表观密度ρs为2610kgPm3，属于非活性集料，泥含量、泥块含量、坚固性等性能均满足配制高性能混凝土的要求。

③碎石(代号G) ：5～25mm 连续级配，堆积密度ρog 为1 400kgPm3 ，表观密度ρg 为2 720kgPm3 ，属于非活性集料，泥含量、泥块含量、压碎值、针片状含量等性能均满足配制高性能混凝土的要求。

④粉煤灰(代号FA)：山东鲁能邹城球形I 级灰，需水量比91%，烧失量0.48%，总碱含量1.24%。

⑤矿渣微粉(代号SL)：S95级，南京江南粉磨有限公司产，比表面积439m2Pkg，总碱含量0.74%。

⑥外加剂(代号A)：采用缓凝高效减水剂，其中XC50采用MOI，掺量2.5%，减水率25.3%，总碱含量为2.52%； SC55采用NFOⅡ，减水率24.7%，掺量2.5%，总碱含量为4.71%。

1.2 　试验方法

配合比设计参照JGJ55O2000；混凝土碱含量依据CECS53∶93计算；混凝土工作性等依据GBJ80O85进行；混凝土力学性能的测试依据GB81O85进行。

2 　HPC 的配合比设计

配合比设计是HPC制备技术的关键。HPC配合比设计不同于普通混凝土的设计，不是简单以抗压强度作为设计指标的混凝土，而是包括原材料的选择和控制、拌和物的生产制备和整个施工过程的良好质量控制来实现的，其配合比的设计应以安全、经济、合理为原则，以耐久性、工作性、抗压强度为设计指标，并综合考虑和分析影响HPC性能与配合比各种参数的因素来确定其配合比。如混凝土拌和物的流动性主要与集料的最大粒径、表面状况、砂率、粗细集料的级配情况、用水量、减水剂及矿物掺和料的种类和用量有关； 拌和物的离析主要与集料的最大粒径、砂率、集料级配情况以及水泥种类等有关；混凝土强度与水泥的品种与强度、水泥用量、WPC、砂浆余量等有关。有研究表明，原材料加料顺序、搅拌时间等制备方法对HPC 的工作性能甚至其力学性能和耐久性都有一定的影响，以首先搅拌均匀胶凝材料和部分减水剂和水，然后再加入粗细骨料和剩余的减水剂和水所测得的HPC的性能最优。

本项目在优选原材料的基础上对不同粉煤灰和矿渣微粉掺量的HPC 配合比进行了设计，并经试配调整，所得实验室配合比结果列于表1 中。

3 　HPC 的拌和物性能

对HPC 应同时严格控制用水量和水泥用量，因为高水泥浆量(即高浆体P骨料比) 会带来高的水化热、高坍落度损失，大的收缩及低弹性模量，对耐久性很不利。应充分利用高效减水剂和活性掺和料，水胶比一般在0.28～0.40之间，一般用水量在150～160kgPm3，水泥用量在500kgPm3以内，胶凝材料总量不超过550kgPm3。砂率的大小不仅影响拌和料的工作性，且对混凝土的密实度、保水性、粘聚性、可泵性等一系列性能产生影响，砂率应随坍落度增大而增加，且有一个最佳的含砂率，HPC的砂率一般宜在34%～40%之间，并要保证一定的粗骨料用量，以减少HPC 的收缩。试验配制的HPC，WPB 为0.30 ～0.32，用水量在150～160kgPm3，水泥用量≤500kgP m3，胶凝材料总量在500～510kgPm3，砂率在38%左右，粗骨料用量保证在1100kgPm3左右，其配合比参数满足HPC 的基本要求。所得C50～C55HPC拌和物的工作性均良好，具体表现为：坍落度T 在150～210mm之间，保水性好，基本无泌水，粘聚性好，含气量在110 %～115 %之间，1h 坍落度损失均在15%之内，满足泵送施工的要求。试验表明：适量的优质活性矿物掺和料如优质粉煤灰、矿渣微粉等可改善混凝土的工作性。粉煤灰的微集料效应、形态效应不但可以提高混凝土的保水性、流动性，并可减少水泥用量，提高HPC 的耐久性。

4 　HPC 的性能及其分析

依据表1 的配合比制备混凝土，并置于标准养护室养护至规定的龄期进行测试，所测得的结果如表2 和图1 所示。

对于混凝土，混凝土的碱骨料反应问题已经成为世界日益关注的问题，所采用C50～C55HPC的碱含量范围在413～511kgPm3之间，采用的非活性集料可避免碱骨料反应的潜在危害。

试验结果(表2、图1) 表明，配制的HPC均具有较好的力学性能。C50HPC7d强度达50MPa左右，28d抗压强度均在60MPa以上。C55HPC7d达到了55MPa，28d均在67MPa以上。单掺10%～18%I级粉煤灰、单掺25%矿渣微粉或二者双掺的HPC，均具有良好的力学性能，虽然3d强度有所降低，但28d强度变化不大，90d 强度稳定增长。由于粉煤灰仅与水泥的水化产物发生二次水化反应，故掺粉煤灰混凝土的早期强度有所降低，且随着粉煤灰掺量的增加，早期强度降低幅度增大，但28d抗压强度各组混凝土均超过60MPa。掺矿渣微粉组和空白混凝土的力学性能相当，且抗压弹性模量有所提高，可见一定量矿粉的掺入并不会降低混凝土的早期强度，而后期强度会明显提高。这是因为矿粉具有较高的活性，比表面积较大，在水泥水化初期即可直接参与水化反应。采用粉煤灰和矿粉双掺，由于掺和料的用量较大，使混凝土的早期强度有所降低，28d的强度增长加快。28d各组混凝土的抗压弹性模量均大于42GPa，棱柱体抗压强度均在57MPa以上，几乎接近混凝土的立方体抗压强度。对于HPC，目前已有研究表明[1]，HPC的尺寸效应不同于普通混凝土，可能由于其脆性增大，脆性对尺寸效应的影响也增大，其尺寸效应比普通混凝土更显著，换算系数更小。但是关于立方体试件与轴心抗压试件之比较普通混凝土呈增大的趋势，这是一个尚值得研究的问题。

与此同时，还对混凝土的抗渗和抗冻性进行了研究，试验表明：制备的HPC具有良好的耐久性，抗渗等级均大于P12，在不掺引气剂的情况下，采用慢冻法抗冻等级可达到F200以上。

5 　HPC 在工程中的实际应用

本研究成果在滨州黄河大桥的索塔、主梁和箱梁等重要的结构中得到应用，通过施工质量的严格控制，制备的HPC 质量优异，工作性能和力学性能完全满足设计要求，并且具有更优良的耐久性。在施工方面，HPC 与普通混凝土的最大区别为施工质量的控制，尤其是对早龄期养护的控制。由于普通混凝土水胶比比较大，内部水分已足够全部水泥水化，基本不会产生自身收缩。有研究表明[2 ]，HPC成型后24h进行水养护已经太迟，因为在这段时间内大量的塑性收缩和自身收缩均已产生，内部的微观结构已经初步形成，毛细孔结构已经闭合，连通孔比较少，低水胶比使内部水分不足以提供水泥水化所需的水，而外部水分又难以进入，从而产生自身收缩，故只要在水泥水化期间外部水分能够进入混凝土内部，其自身收缩就会减小。也有研究表明：内部自由水分的减少，内部相对湿度的降低是引起HPC 干燥收缩的主要原因[3]。所以，早期的湿养护对HPC的强度发展和抗裂性同HPC 的配合比设计同样意义重大。

6 　小结

(1) HPC 的配合比设计不同于普通混凝土，应综合考虑其工作性、耐久性、经济性和生态性。HPC配合比的基本参数为WPB=0.28～0.40，一般用水量在150～160kgPm3，水泥用量在500kgPm3以内，胶凝材料总量不超过550kgPm3，砂率宜在34%～40%之间，且需保证一定的粗骨料用量。

(2) 研究结果表明，在C50～C55HPC中掺入一定量的(10%～25%)的I 级粉煤灰、矿渣微粉或双掺，对改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性是十分有利的，尤其有利于后期强度的增长。

(3) 早龄期的湿养护对HPC的强度和耐久性与配合比的设计具有同样重要的意义。

参考文献：

[1 ] 　冷发光，邢锋，冯乃谦，等。粉煤灰高性能混凝土的试件强度尺寸效应研究[J] 1混凝土，2000(9)1

[2 ] 　P C Aitcin.The Durability Characteristics of High Performance Concrete ：A review [ C] 1Cement and Concrete Composite 2003 (25) ：409 - 4201

[3 ] 　杨全兵、高性能混凝土的自收缩机理研究[J] 1硅酸盐学报，2000(12) 1