HPC 的性能及在土木工程中的應(yīng)用

    HPC 具有高耐久性和高強(qiáng)度、優(yōu)良的工作性，具體體現(xiàn)在①較高的早期強(qiáng)度、高驗(yàn)收強(qiáng)度（18-24h 抗壓強(qiáng)度為17.5～28MPa,28d 或56d 抗壓強(qiáng)度42-70MPa,56d 以上抗壓強(qiáng)度70～126MPa； 高彈性模量(45.5GPa)；②高耐久性。可保護(hù)鋼筋不被銹蝕，在其它惡劣條件下使用，同樣可保持混凝土堅(jiān)固耐久。③高的和易性、可泵性、易修整性。既能配制坍落度為15.2～20.3cm的混凝土，又可配制坍落度大于20.3cm 的流態(tài)混凝土， 而不發(fā)生離析；可降低泵送壓力，修整容易。冬天澆注時(shí)，混凝土凝結(jié)時(shí)間正常，強(qiáng)度增長快于普通混凝土，低溫環(huán)境下不冰凍，熱天澆注混凝土保持正常的坍落度，并可控制水化熱。

1 聚丙烯HPC 在路面工程中的應(yīng)用研究

    一般混凝土材均存在脆性大、易開裂和抗沖擊性能差等問題，如何提高混凝土材料的抗裂、抗沖擊性能受到關(guān)注。近十多年來，合成纖維混凝土在改性混凝土中已成為越來越主要的角色， 特別是聚丙烯纖維更以其成本低及改善混凝土性能的顯著效果，受到工程界的注意。聚丙烯纖維混凝土是在混凝土中摻入適量的聚丙烯微纖維， 以改善混凝土的脆性破壞特征，減少混凝土塑性收縮裂縫，提高混凝土韌性及抗沖擊性能，其中少量聚丙烯纖維加入到混凝土后可以改善混凝土的抗裂性能及提高抗沖擊性能的特性已廣泛應(yīng)用于路面工程中，并取得了良好的效果。

1.1 主要性能

(1)抗裂性

     聚丙烯纖維在控制混凝土的塑性收縮裂縫上的主要作用為：阻滯塑性收縮裂縫的產(chǎn)生和限制裂縫的發(fā)展?；炷恋乃苄蚤_裂主要發(fā)生在混凝土硬化之前，特別是在混凝土澆注后4～5小時(shí)之內(nèi)。摻入聚丙烯纖維后，起到類似篩網(wǎng)的作用， 減緩了由于粗粒料的快速失水所產(chǎn)生的裂縫，延緩了第一條塑性收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。而當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，聚丙烯纖維的存在又使裂縫尖端的發(fā)展受到限制，裂縫只能繞過纖維或把纖維拉斷來繼續(xù)發(fā)展，這就需要消耗較大的能量來克服纖維對裂縫發(fā)展的限制作用。纖維的體積摻量越大，這種限制作用越強(qiáng)。而在普通混凝土中裂縫的尖端沒有受到這樣的限制作用，可自由發(fā)展，這就使得普通混凝土中的裂縫比加入纖維的混凝土中的裂縫要寬、要長。說明了聚丙烯纖維有效地提高了混凝土的抗裂性能。

(2)抗沖擊性能

    聚丙烯纖維與水泥基料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻， 同時(shí)由于細(xì)微，故比面積大，有助于提高混凝土受沖擊性能。

(3)抗凍性能

    在混凝土中加入聚丙烯纖維，可以緩解溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用，阻止溫度裂縫的擴(kuò)展。

(4)抗疲勞特性

    在混凝土中摻入聚丙烯纖維后，其靜力彈性模量低于普通混凝土，但疲勞變形模量隨著摻率增大而增大，說明對動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)，聚丙烯纖維能發(fā)揮更大的效果。彈性模量低、抗疲勞強(qiáng)度高的聚丙烯纖維混凝土是一種優(yōu)良的路面結(jié)構(gòu)材料。

1.2 應(yīng)用實(shí)例

    廣州東環(huán)高速公路，應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土成功地解決了收費(fèi)站無磁路面抗裂、抗沖擊、耐磨的要求。該路段由于下面埋設(shè)自動測試磁性感應(yīng)線圈，不能鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，不能采用鋼纖維，同時(shí)路面厚度受到限制，因此采用了每立方米C50 混凝土中摻加0.9kg 杜拉纖維、路面厚度33cm 的方案，在解決工程難題的同時(shí)，還因省去一層鋼絲網(wǎng)而減少了材料和施工成本。收費(fèi)站建成投入使用至今，廣州高速公路繁忙的車流并未對路面造成明顯的破壞，使用效果良好。

2 磨細(xì)礦渣高性能混凝土在海工建筑中的應(yīng)用研究

    磨細(xì)礦渣高性能混凝土是用高爐礦渣磨細(xì)至一定細(xì)度并摻加高效減水劑等激發(fā)劑，大摻量等量取代水泥配制而成的高性能混凝土?；炷脸杀驹黾硬欢啵?-28d 強(qiáng)度即能達(dá)到或超過普通混凝土，并具有較普通混凝土高得多的耐久性和體積穩(wěn)定性。磨細(xì)礦渣高性能混凝土最大特點(diǎn)為具有極強(qiáng)的抗氯離子滲透性能，因此用于海工鋼筋混凝土建筑物，能有效地防止混凝土中鋼筋由于氯離子侵入而引起的腐蝕，從而大大提高海工鋼筋建筑物的耐久性。

2.1 工程應(yīng)用

    天津港南疆煤碼頭新建工程第11 至13 結(jié)構(gòu)段，上部結(jié)構(gòu)為滿足工藝要求采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺結(jié)構(gòu)。為實(shí)施“九五”國家重點(diǎn)攻關(guān)課題，碼頭第1 結(jié)構(gòu)段的鋼筋混凝土面板和每2 結(jié)構(gòu)段的部分鋼筋混凝土面板，采用南京水利科學(xué)院研制的磨細(xì)礦渣高性能混凝土。

2.2 施工原材料

    磨細(xì)礦渣高性能混凝土面板由中港一航局一公司混凝土預(yù)制廠預(yù)制生產(chǎn)。水泥、砂、石和引氣劑采用預(yù)制廠現(xiàn)用材料，磨細(xì)礦渣粉由南京水利科學(xué)研究院研制提供。

a.水泥:冀東水泥廠產(chǎn)525R 型普通硅酸鹽水泥，3d 抗壓強(qiáng)度35.0MPa，28d 抗壓強(qiáng)度62.5MPa。

b.砂：閩江河砂， 細(xì)度模數(shù)2.90，表觀密度2.66g/cm3。

c.石：薊縣碎石，最大粒徑40mm，表觀密度2.81g/m3。

d ．引氣劑：豐南加氣劑廠產(chǎn)松香熱聚物。

e . 磨細(xì)礦渣粉：南京水利科學(xué)院研制，表觀密度2.922g/cm3，減水率22.5%，其中磨細(xì)礦渣

比表面積459m2/kg，含水率0.069%

2.3 混凝土吸水率

    磨細(xì)礦渣高性能混凝土預(yù)制面板現(xiàn)場取樣， 混凝土吸水率檢測結(jié)果平均為2.12%，低于室內(nèi)研究測試結(jié)果。同標(biāo)號普通混凝土現(xiàn)場取樣試件吸水率測試結(jié)果為3.9%，說明磨細(xì)礦渣高性能混凝土密實(shí)性明顯提高。

2.4 混凝土抗?jié)B性和抗凍性

       磨細(xì)礦渣高性能混凝土預(yù)制面板現(xiàn)場取樣混凝土抗?jié)B性和抗凍性檢測結(jié)果見表1。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

表2 磨細(xì)礦渣HPC與普通混凝土成本對比

    經(jīng)測算，通過規(guī)?；a(chǎn)，磨細(xì)礦渣可降至450 元/ 噸，如此又使磨細(xì)礦渣高性能混凝土材料成本降至250.79 元/m3，比普通混凝土高35～ 40 元/m3，而混凝土性能卻得以大幅度提高。并且，由于磨細(xì)礦渣高性能混凝土無需表面防腐處理，因此可相應(yīng)節(jié)省混凝土表面防腐費(fèi)用。按每立方米混凝土表面防腐費(fèi)用為50-60 元計(jì)算，磨細(xì)礦渣高性能混凝土較經(jīng)表面防腐的普通混凝土可降低費(fèi)用15～20 元/m3，且耐久性有所提高。

3 粉煤灰高性能混凝土在首都國際機(jī)場新航站樓工程的應(yīng)用

3.1 工程實(shí)例

    北京首都國際機(jī)場航站區(qū)擴(kuò)建工程包括新航站樓、停車庫、1 7 座高架橋和東西跑道及停機(jī)坪工程，其中航站樓一項(xiàng)工程投資近30 億元，建筑面積26 萬m2，縱向長747.5m，橫向?qū)?42.9m, 為地下一層,地上三層全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu).除底板用C40、S8 混凝土4.5 萬m3 外，其它板、墻、柱等全部采用C60和C65高性能混凝土，象這種整體結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土的工程在國內(nèi)尚屬首次，不但要求混凝土強(qiáng)度高，而且要求水化熱低、收縮小、無裂縫，并具有良好的施工性能。

3.2 原材料的選擇

（1 ）水泥 采用河北邯鄲水泥廠生產(chǎn)的邯鄲5 2 5 號普通硅酸鹽水泥，樣品抽測細(xì)度0.080mm,方孔篩篩余2%,標(biāo)準(zhǔn)稠度36.7%, 初凝1h:33min,終凝5h:15min。28d 抗壓強(qiáng)度分別8.6M Pa 和56.02M Pa 。

（2 ）骨料 粗骨料選用北京潮白河系碎卵石，公稱粒徑5～20mm，表觀密度2700kg/m3 左

右,級配良好，含泥量＜ 1%，細(xì)滑料采用北京龍風(fēng)山中砂，細(xì)度模數(shù)2 . 7 以上，Ⅱ區(qū)中砂、級配良好，含泥量＜ 2 %

（3 ）減水劑 采用本公司外加劑廠生產(chǎn)的YGU-F3 高效減水劑，減水率30%，抗壓強(qiáng)度比3d 為200%、7d 為140%、28d 為122%,符合GB8076- 87 中高效減水劑一等品的要求。

（4 ）活性細(xì)摻料 采用內(nèi)蒙古元寶山熱電廠Ⅰ級粉煤灰。

（5 ）膨脹劑 采用天津雍陽建材總廠生產(chǎn)的豹鳴牌UEA 低堿度膨脹劑，性能符合JC476-92

標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 粉煤灰高性能混凝土的性能

（1 ）力學(xué)性能

    粉煤灰HDC 彈性模量與抗壓強(qiáng)度早期偏低， 后期逐漸提高。因?yàn)榉勖夯业幕鹕椒磻?yīng)生成物類似于托孚莫來石凝液，使混凝土更加密實(shí)，從而提高混凝土的靜力彈性模量，混凝土的徐變值與基準(zhǔn)混凝土對比，前期偏高，而后期明顯減少， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明后期加荷的徐變值，可比普通混凝土減少50%，粉煤灰混凝土的28d 粘結(jié)強(qiáng)度基本上與等標(biāo)號的基準(zhǔn)混凝土相同，但因?yàn)榉勖夯一炷恋木鶆蛐院?，粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值的離散性比基準(zhǔn)混凝土好。

（2 ）抗凍性

    混凝土的抗凍性能通常采用反復(fù)凍融的測試方法進(jìn)行評定?；炷恋囊龤饬亢蛷?qiáng)度是影響混凝土抗凍性的主要因素，滿足抗凍性要求的引氣量取決于混凝土的強(qiáng)度等級，混凝土強(qiáng)度越高， 滿足抗凍性所需的引氣量越低。對于引氣量小于3.5% 的粉煤灰混凝土，其水灰比對抗凍性有顯著的影響。水灰比越小抗凍性越好，如果混凝土中有足夠的引氣量，則其水灰比對其混凝土的抗凍性影響不大。研究表明，混凝土中以20% 粉煤灰代替相應(yīng)的水泥，其抗凍性超過其基準(zhǔn)混凝土。但是摻量太高（50%）時(shí)，經(jīng)過150-200 次凍融后，混凝土出現(xiàn)明顯的破壞?；炷林泻瑲饬肯嗤?，抗壓強(qiáng)度相同，其中含與不含粉煤灰，抗凍性無明顯差別。

（3 ）干縮性

    混凝土的收縮性主要受用水量的影響，摻入粉煤灰可減少混凝土的用水量，抑制混凝土的干縮。試驗(yàn)表明，混凝土的干縮隨著粉煤灰含量提高而降低。

（4 ）對鋼筋銹蝕的影響

    影響粉煤灰混凝土護(hù)筋性的主要因素為混凝土的堿變和孔結(jié)構(gòu)?；炷林械匿摻钅軌蚍冷P是由于混凝土的堿性在金屬表面形成一個(gè)細(xì)微的氧化膜，如果堿性降低（PH 值小于9）或有氧化物超過某一個(gè)濃度，這一薄膜就會破壞。粉煤灰能使混凝土的堿度降低。對護(hù)筋不利。但粉煤灰中含有K+、Na+ 離子,即便粉煤灰消耗了不少Ca（OH） 2，由于K+、Na+ 溶于毛細(xì)管水中，仍能使PH 值保持在11.87～12.04 之間，使鋼筋得到堿性保護(hù)。最新研究表明，摻入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，并使混凝土孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，加大了C l - 的擴(kuò)散程度，取得了良好的防腐效果，另外摻入部分砂共同粉磨，可顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而提高粉煤灰的混凝土護(hù)筋性。

（5 ）堿—骨料反應(yīng)

    堿—骨料反應(yīng)是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)，生成吸水產(chǎn)物，體積增大， 導(dǎo)致混凝土的膨脹和開裂?；炷林袎A—骨料反應(yīng)的發(fā)生條件除具有堿活性外，還需混凝土中具有高堿性，還要有水。粉煤灰取代部分水泥，不僅能降低混凝土中的有效含堿量，還能產(chǎn)生物理化學(xué)作用，抑制堿—骨料反應(yīng)。粉煤灰中含有的酸性氧化物SiO2 和水水化產(chǎn)生的Ca（OH）2 反應(yīng)， 同時(shí)高細(xì)度的摻合料微粒使K+、Na+、OH- 富集在其表面，使骨料周圍的堿金屬離子及OH- 減少， 從而削弱了堿—骨料反應(yīng)。