橋用高性能混凝土的制備、性能及其應用研究

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)濟又具有環(huán)境生態(tài)保護作用。本文研究摻I 級粉煤灰、礦渣微粉和二者雙摻的高性能混凝土(HPC)制備方法、工作性和力學性能，并在重點工程中得到了應用。

關鍵詞：高性能混凝土(HPC)； 配合比；工作性；力學性能；應用

    高性能混凝土(High Performance Concrete 以下簡稱HPC)是按照具體工程要求設計的，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HPC還沒有統(tǒng)一的定義。美國國家標準與技術(shù)研究所認為，HPC應具有以下性能：澆搗方便且不離析，即具有優(yōu)良的工作性； 長期力學性能有所增長、早期強度高、韌性好、體積穩(wěn)定性好、使用壽命長。而日本的研究人員認為HPC 應具有以下性能：HPC 的拌和物能夠在自重作用下無需振搗可自動填充模板的各個角落并形成密實的混凝土； 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和干燥引起的微裂縫； 混凝土硬化后要有足夠的強度和耐久性，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)會于2000 年蘇州召開的會議上建議：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，對HPC的制備、性能和應用技術(shù)進行了研究。濱州黃河大橋為新建205國道高速公路跨越黃河的重要橋梁，主橋為塔預應力混凝土斜拉橋。本文根據(jù)工程需要對主橋、主梁和索塔以及引橋箱梁預應力混凝土進行研究。箱梁采用C50HPC(代號XC50)，索塔(代號SC55)、主梁預應力(代號ZC55)均采用C55HPC，3種混凝土均要求具有高力學性能和良好的施工性能，28d配制強度C50HPC達60MPa，C55HPC達65MPa，7d達設計標號的80% ，坍損小，保塑性好，滿足泵送施工，同時具有高的長期性能和耐久性。

1 　原材料和試驗方法

1．1 　原材料

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

    ②砂(代號S)：粗砂，Mx= 312，I區(qū)級配，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、堅固性等性能均滿足配制高性能混凝土的要求。

    ③碎石(代號G) ：5～25mm 連續(xù)級配，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FA)：山東魯能鄒城球形I 級灰，需水量比91%，燒失量0.48%，總堿含量1.24%。

    ⑤礦渣微粉(代號SL)：S95級，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 　試驗方法

    配合比設計參照JGJ55O2000；混凝土堿含量依據(jù)CECS53∶93計算；混凝土工作性等依據(jù)GBJ80O85進行；混凝土力學性能的測試依據(jù)GB81O85進行。

2 　HPC 的配合比設計

    配合比設計是HPC制備技術(shù)的關鍵。HPC配合比設計不同于普通混凝土的設計，不是簡單以抗壓強度作為設計指標的混凝土，而是包括原材料的選擇和控制、拌和物的生產(chǎn)制備和整個施工過程的良好質(zhì)量控制來實現(xiàn)的，其配合比的設計應以安全、經(jīng)濟、合理為原則，以耐久性、工作性、抗壓強度為設計指標，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性主要與集料的最大粒徑、表面狀況、砂率、粗細集料的級配情況、用水量、減水劑及礦物摻和料的種類和用量有關； 拌和物的離析主要與集料的最大粒徑、砂率、集料級配情況以及水泥種類等有關；混凝土強度與水泥的品種與強度、水泥用量、WPC、砂漿余量等有關。有研究表明，原材料加料順序、攪拌時間等制備方法對HPC 的工作性能甚至其力學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，然后再加入粗細骨料和剩余的減水劑和水所測得的HPC的性能最優(yōu)。

    本項目在優(yōu)選原材料的基礎上對不同粉煤灰和礦渣微粉摻量的HPC 配合比進行了設計，并經(jīng)試配調(diào)整，所得實驗室配合比結(jié)果列于表1 中。

3 　HPC 的拌和物性能

    對HPC 應同時嚴格控制用水量和水泥用量，因為高水泥漿量(即高漿體P骨料比) 會帶來高的水化熱、高坍落度損失，大的收縮及低彈性模量，對耐久性很不利。應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，且對混凝土的密實度、保水性、粘聚性、可泵性等一系列性能產(chǎn)生影響，砂率應隨坍落度增大而增加，且有一個最佳的含砂率，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、形態(tài)效應不但可以提高混凝土的保水性、流動性，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，并置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定的齡期進行測試，所測得的結(jié)果如表2 和圖1 所示。

    對于混凝土，混凝土的堿骨料反應問題已經(jīng)成為世界日益關注的問題，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的潛在危害。

    試驗結(jié)果(表2、圖1) 表明，配制的HPC均具有較好的力學性能。C50HPC7d強度達50MPa左右，28d抗壓強度均在60MPa以上。C55HPC7d達到了55MPa，28d均在67MPa以上。單摻10%～18%I級粉煤灰、單摻25%礦渣微粉或二者雙摻的HPC，均具有良好的力學性能，雖然3d強度有所降低，但28d強度變化不大，90d 強度穩(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，故摻粉煤灰混凝土的早期強度有所降低，且隨著粉煤灰摻量的增加，早期強度降低幅度增大，但28d抗壓強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性能相當，且抗壓彈性模量有所提高，可見一定量礦粉的摻入并不會降低混凝土的早期強度，而后期強度會明顯提高。這是因為礦粉具有較高的活性，比表面積較大，在水泥水化初期即可直接參與水化反應。采用粉煤灰和礦粉雙摻，由于摻和料的用量較大，使混凝土的早期強度有所降低，28d的強度增長加快。28d各組混凝土的抗壓彈性模量均大于42GPa，棱柱體抗壓強度均在57MPa以上，幾乎接近混凝土的立方體抗壓強度。對于HPC，目前已有研究表明[1]，HPC的尺寸效應不同于普通混凝土，可能由于其脆性增大，脆性對尺寸效應的影響也增大，其尺寸效應比普通混凝土更顯著，換算系數(shù)更小。但是關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，這是一個尚值得研究的問題。

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

5 　HPC 在工程中的實際應用

    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)中得到應用，通過施工質(zhì)量的嚴格控制，制備的HPC 質(zhì)量優(yōu)異，工作性能和力學性能完全滿足設計要求，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，尤其是對早齡期養(yǎng)護的控制。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，基本不會產(chǎn)生自身收縮。有研究表明[2 ]，HPC成型后24h進行水養(yǎng)護已經(jīng)太遲，因為在這段時間內(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入混凝土內(nèi)部，其自身收縮就會減小。也有研究表明：內(nèi)部自由水分的減少，內(nèi)部相對濕度的降低是引起HPC 干燥收縮的主要原因[3]。所以，早期的濕養(yǎng)護對HPC的強度發(fā)展和抗裂性同HPC 的配合比設計同樣意義重大。

6 　小結(jié)

    (1) HPC 的配合比設計不同于普通混凝土，應綜合考慮其工作性、耐久性、經(jīng)濟性和生態(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 級粉煤灰、礦渣微粉或雙摻，對改善混凝土的工作性、力學性能和耐久性是十分有利的，尤其有利于后期強度的增長。

    (3) 早齡期的濕養(yǎng)護對HPC的強度和耐久性與配合比的設計具有同樣重要的意義。

參考文獻：

    [1 ] 　冷發(fā)光，邢鋒，馮乃謙，等。粉煤灰高性能混凝土的試件強度尺寸效應研究[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 ] 　楊全兵、高性能混凝土的自收縮機理研究[J] 1硅酸鹽學報，2000(12) 1