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忻保五标高性能混凝土的配合比与应用

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2020年4月19日
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忻保五标高性能混凝土的配合比设计与应用
摘要：高性能混凝土是最近十几年出现的混凝土新品种，也是至今为止性能最为完善的混凝土，今后它将会逐步替代普通混凝土在绝大多数的各类建筑物中使用。本文总结忻保五标30米箱梁预制高性能混凝土的配合比设计与应用，粉煤灰和硅粉作为其中的掺和料，能够大幅度提高混凝土的性能，同时也变废为宝，减少了环境污染。
关键词：预制箱梁；高性能混凝土；粉煤灰；硅粉；变废为宝
一、前言
随着混凝土技术的发展以及工程的需要，使用的混凝土不但强度要求在提高，混凝土的综合性能需求也在发展。特别是近年来，越来越多的大跨径桥梁、高层建筑、高速铁路等工程的修建和使用，高性能混凝土的需求越来越大。高性能混凝土一词是从英文Hight Performance Concrete (HPC)翻译过来的。高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料， 并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的磨细矿物掺和料和高性能外加剂。
关于高强混凝土与高性能混凝土的关系，我们赞同吴中伟院士的观点：高强混凝土不一定是高性能混凝土，高性能混凝土不只是高强混凝土，而是包括各种强度等级的混凝土，其应用范围十分广泛。这也正是高性能混凝土成为混凝土发展方向的重要原因。由于新的桥梁工程的结构设计提出了设计使用年限为1 的要求，对混凝土结构而言，就需要明确其耐久性指标，从而在施工过程中进行有效控制。
二、工程概况
忻州至保德高速公路项目位于山西省中北部的忻州市境内，是山西省高速公路网规划的“人字骨架、9横9环”高速公路网主骨架第三横（五台长城岭至保德）的重要组成部分，途径忻府区、静乐县、宁武县、可岚县、保德县五个（区）县，路线终点跨黄河与陕西境神木至府谷一级公路相连，路线全长191.451公里。我公司承建的第五合同段起点桩号为K29+600，终点桩号为K32+600，全长3公里。本合同段共有大桥984米/4座，上部均采用30米后张法预应力混凝土箱梁，先简支后连续结构，混凝土强度等级C50, 共需预制260片箱梁。根据工程量大以及工程结构质量要求高的特点，必须配制出具有高流动性、高耐久性的高性能混凝土，以满足结构物施工的需要。
三、高性能混凝土的设计思路
基于抗裂和耐久性考虑，“大掺量矿物掺和料+高性能外加剂”是配制预应力混凝土箱梁高性能混凝土的主要技术路线。
混凝土的强度和耐久性在很大程度上取决于混凝土混合物的一系列性质，因为它最终能确定混凝土硬化后的结构是否密实，以及与密实密切相关的混凝土强度、抗渗性、抗冻性等。
高性能混凝土是在传统混凝土中加入了超塑化剂和其它外加剂以及矿物掺料(如粉煤灰等)，采用低水胶比制作而成的，具有较高的力学性能(如抗压、抗折、抗拉强度)、高耐久性(如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀)、高抗渗性等特性。
混凝土配合比设计过程包括两个相关步骤：①选择混凝土的适宜组分（水泥、集料、水、外加剂、掺和料）；②求出它们的相关数量或比例，使之尽可能地配置出工作性、强度和耐久性合适的混凝土。虽然事实上许多混凝土的性质很重要，但传统的配合比设计方法，大都以混凝土的某一指定工作度和某一龄期时达到的抗压强度为基准，这在高性能混凝土设计中是远远不够的。
高强混凝土并不等同高性能混凝土，其原因是高强混凝土存在令人担忧的耐久性问题：①高强混凝土生产要求非常严格，人为因素、机械拌和作业因素影响较大，稍有不慎则可带来质量隐患；②水泥用量大，早期水化热高、后期收缩大，具有明显的脆性，给结构的耐久性和安全性带来很大的威胁。针对上述问题，国内国外许多专家和工程技术人员正致力于高强高性能混凝土的研究，同时适宜于高性能混凝土施工的新材料、新工艺、新技术也不断问世。高性能混凝土的设计不但基于强度，而更主要的是基于混凝土的耐久性，它要求：①混凝土应有较小的体积变形，硬化早期具有较小的水化热，后期收缩小；②具有良好的施工性能，拌和浇注时自流平、自密实，使其质量不受或很少受人工操作的影响。
四、高性能混凝土配合比试验
为确保桥梁主要承重结构能满足 100 年使用期的要求，桥梁结构所用工程材料必须符合国家和部门的有关标准和规范，砼结构所采用的混凝土应满足耐久性混凝土的要求。
对预应力箱梁混凝土来说，混凝土本体的抗裂性是首要考虑的因素，基于对水化热和体积稳定性的考虑，决定了选择粉煤灰和硅粉作为辅助胶凝材料，在满足设计要求的情况下，尽可能降低水泥用量并限制水泥浆体体积，在满足流动度要求的前提下，经过优选高效减水剂的品种与剂量，尽可能降低混凝土的水胶比。现预应力混凝土箱梁所采用的高效减水剂必须具有低收缩、减水效果好、保坍、增强性能的高性能外加剂。
在箱梁预制施工中，原材料的选择是基础，也是高性能混凝土质量保证的关键之一。原材料主要包括水泥、骨料、掺合料(粉煤灰、硅粉)、外加剂，以及工程用水等，对预制箱梁高性能混凝土原材料的选择及技术要求主要有以下几种。
高性能混凝土的配制与试验：
1、水泥
配制预制箱梁高性能混凝土，水泥应选用强度等级不低于42．5级的低水化热和低碱含量普通硅酸盐水泥，其技术要求应满足国家标准的规定。本合同段采用阳美亚美P.O52.5.
2、骨料
箱梁高性能混凝土细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小，以及不具有碱一骨料反应活性的洁净天然河砂，河砂细度模数控制为2．6～2．9，含泥量低于2．0％。粗骨料选用不具有碱一骨料反应活性的坚硬耐久碎石，碎石粒径宜为5～20 mm，最大粒径不超过25 mm，级配良好，压碎指标不大于12％ ，针片状含量不大于5％，含泥量低于1．0％。
3、掺合料
在配制混凝土时加入较大量磨细矿物掺和料，可降低温升，改进工作性，增进后期强度，并可改进混凝土的内部结构，提高抗腐蚀能力。特别是磨细矿物掺和料对碱—集料反应的抑制作用已引起国内外专业人员的极大兴趣。因此，国外将这种混合材料称为辅助胶凝材料，是高性能（不但高强） 混凝土不可缺少的组分。
对用于高性能混凝土的磨细矿物掺和料品质的要求，除限制有害组分含量外，主要是活性和需水量。
3.1 粉煤灰：控制烧失量≤3 %，控制需水量比≤100%。
粉煤灰的矿物组成主要是玻璃体、莫来石、石英和少量其它矿物。
粉煤灰对混凝土的改进作用主要有以下几个方面:
粉煤灰在结构混凝土中可置换水泥量多达60%, 且不论是对新拌混凝土还是硬化混凝土的性能都有良好的改进作用。
和易性。用高质量的粉煤灰取代部分水泥可改进新拌混凝土的和易性。粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成, 表面光滑致密, 在混凝土拌合物中能起一定作用。
新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团, 粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒, 释放更多的浆体来润滑骨料。能减少用水量, 使混凝土的水灰比降到更低水平, 减少泌水和离析现象。具有良好的保水性, 有利于泵送施工。
强度。在物理作用方面, 粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒, 使水泥水化更充分, 提高了水泥浆的密实度, 降低混凝土的泌水, 有利于混凝土中骨料一水泥浆界面强度的提高;在化学火山灰作用方面, 粉煤灰颗粒与Ca(OH) 2 反应生成水化硅酸钙胶体, 有利于混凝土强度的提高。
水化热。用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热。
耐久性。由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙, 使混凝土的抗渗性明显提高, 改进了混凝土的抗化学腐蚀的能力, 还能有效地减小碱—骨料反应引起的混凝土膨胀, 极大地提高了混凝土的耐久性。
3.2 硅粉
硅粉又称为硅灰, 是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟尘中收集的一种飞灰。平均粒径约0．1μm 。比水泥颗粒细两个数量级。它实际上是纳米颗粒,亚微米级颗粒及少量微米级颗粒组成的混合物。用于混凝土的硅粉, SiO2 含量应大于90% ,其中活性的(在饱和石灰水中可溶) SiO2 应达40%以上,因而具有很高活性。
据有关资料显示,在实际运用中硅粉的掺量一般控制在5% - 20%之间,同时要用高效减水剂来调节需水量。这是因为在混凝土中使用硅粉,如不掺减水剂,想保持相同的流动度,则必然要增加用水量、水灰比增加,即使掺了硅粉,混凝土强度也上不去,这也是过去硅粉在混凝土中未推广使用的原因。硅粉和减水剂的联合使用保证了掺用硅粉的混凝土水灰比不变,即用水量不增加,也能达到与未掺硅粉的混凝土具有相同的流动度且掺硅粉混凝土强度等性能得到大幅度提高。硅粉对高性能混凝土的贡献主要体现在以下几个方面:
3.2.1 硅粉对高性能混凝土强度的影响
硅粉的使用使配制高强混凝土这一目的容易达到得多。这是因为在混凝土结构中,孔隙率对强度的影响有着决定性的作用,减小孔隙率,对混凝土的强度会有极大的提高。硅粉由于具有极小的颗粒直径,可填充水泥石中的较多孔隙,大大降低了水化浆体中的隙孔尺寸,改进了孔隙尺寸分布,减小了水泥石的孔隙率,从而使强度提高。
3.2.2 硅粉对高性能混凝土的耐久性的影响
(1)抗冻性:混凝土中掺入适量的硅粉后,会具有良好的抗冻性。有资料显示,掺入5%的硅粉就能够改进混凝土的抗冻性。掺量增加到15% - 20%时,抗冻效果会更好,也就是说不用掺入防冻剂也能产生良好的抗冻效果。
(2)抗渗性:由于硅粉颗粒小,比水泥颗粒细两个数量级,能够充填到水泥颗粒中间的空隙中,使混凝土密实,同时硅粉的二次水化作用即与水泥水化产物中的Ca(OH)2反应,生成水化硅酸钙凝胶体,新的生成物堵塞混凝土中渗透通道,因此使混凝土的抗渗能力增强。
(3)抗化学侵蚀性: 在混凝土中掺入硅粉后,一方面,由于减少了水泥用量,也就减少了受腐蚀的内部因素,因为当混凝土处在有侵蚀性介质的环境中时,侵蚀性介质会与水泥石中水化生成的Ca (OH)2和C3A水化物发生反应,逐渐使混凝土破坏。另一方面,硅粉的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时,会成为大量水化物沉积的核心,随着水化龄期的进展,这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙,改进了混凝土孔结构,使混凝土抵抗盐类腐蚀,特别是对氯盐及硫酸盐类的腐蚀能力得到极大的提高。
4、外加剂
外加剂宜采用减水率高、坍落度损失小、适量引气和能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。外加剂掺量由试验确定，严禁掺入氯盐类外加剂。应掺用高效减水剂或缓凝高效减水剂，其性能应与所用水泥具有良好的适应性，其减水率不应低于20％ ，碱含量不得超过10％ ，硫酸钠含量小于5％ ，外加剂中的氯离子含量不得大于混凝土中胶凝材料总质量的0．01％ ，其它技术指标符合《混凝土外加剂》(GB／T8076—1997)的技术要求。
5、水
拌合用水及养护用水采用符合技术要求的自来水或井水。海水、污水、pH值小于5的酸性水、硫酸盐含量超过500 mg／L的水和氯离子含量大于200 mg／L的水均不得使用。
6、原材料控制与检验
箱梁高性能混凝土施工质量控制应从混凝土原材料做起，对原材料进行严格监控与检测。混凝土所用的水泥、砂、石、掺和料与外加剂的质量和规格必须符合规范和设计要求，严格按规定的配合比施工。水泥、骨料、掺合料、外加剂等原材料进行进场全面检验和进场抽检。
3 预制箱梁高性能混凝土优化配制技术方案
高性能混凝土由于多种矿物掺合料和外加剂的掺入，混凝土组分多样化，其配合比设计亦更为复杂。高性能混凝土配合比设计目标要同时兼顾耐久性、强度、工作性、体积稳定性，以及经济性的要求，以保证在设计使用年限内的结构安全和正常使用功能。
忻保五标预制箱梁高性能混凝土配置原则主要有以下几点：
1、配合比的设计采用优化设计原则，须满足各规范或规程规定的强度等级、弹性模量、最大水胶比、最小胶凝材料用量、含气量、工作度等技术要求等具体参数指标要求。
2、配合比的确定
基于高性能混凝土的配制要求，除按普通混凝土配合比设计的一般程序外，混凝土设计应突出以下几点：
① 控制水灰比及水泥用量。水灰比的大小不但影响强度，而且影响混凝土的密实性、耐久性。保证足够的水泥用量和控制水泥用量的超量，也是保证混凝土密实性、耐久性的重要措施；
② 掺用高效减水剂。高效减水剂是配制高性能混凝土的重要组分，高效减水剂的加入，能够大大降低水灰比，增加流动性，使坍落度达到12-16cm 左右，有利于梁片的浇注与施工；
③ 掺入矿物活性材料。高性能混凝土水灰比一般较小，水泥石中有一部分水泥不能水化，只能起填充作用，因此在配置高性能混凝土时，需掺入矿物活性材料来置换水泥，同时掺入矿物活性材料能够大大改进混凝土的工作性能。
经大量的试验优选，最后确定的配比见表 1：
表 1：C50 箱梁理论配合比（材料用量单位：kg/m3）
坍落度要求（mm）
水泥
细集料
连续级配碎石
粉煤灰
硅粉

外加剂
水
水
胶
比
28天抗压强度（M Pa）
P.O
52.5
M:2.75
5－10mm
10-
20mm
II
北京科宁ADD-NS
12-16
450
593
345
805
50
27
6.851
180
0.34
68.3
五、工程应用
在忻保五标大桥箱梁预制混凝土的施工中，为确保高性能混凝土的质量和结构的耐久性，采取了一系列施工控制措施：
①加强混凝土的搅拌工艺。根据制梁工程施工需要，配备满足要求的拌合设备，经计量检定并保持良好的工作状态。高性能砼搅拌时间宜控制在90s～120s。经过充分搅拌，使砼的各组成材料混合均匀，颜色一致；
②严格控制水灰比和坍落度。未经试验员同意不得随意加减用水量；梁体砼在拌合和灌注过程中应定期检查拌合物的和易性，判别坍落度在运输过程中或运输时间段内的损失情况，加强拌和物质量的控制；
③ 加强梁体混凝土的浇注工艺。梁体施工浇注顺序为先底板后腹板再顶板，混凝土水平分层厚度不大于30 ㎝；两边腹板对称浇注，最后浇注顶板及翼板；
④ 梁体砼应连续灌注一次成型，各层及分段砼不得间断，并应在前层或前段砼初凝之前，将次层或次段砼浇注完毕，每片梁的混凝土浇筑时间宜控制在4h 内，以保证混凝土的整体性；
⑤ 加强混凝土的振捣工艺，确保混凝土有最大的密实性和最小的渗透性；
⑥ 加强试验检测工作。按要求制作梁体混凝土试件，确定混凝土的特征值，以利于混凝土的施工控制。梁体张拉强度检测的试件应与梁体同条件养护；为保证混凝土后期强度的增长，防止混凝土裂缝的产生，保证混凝土的耐久性能，必须加强梁体的养护工作。梁体的养护采用自然养护，注意保持梁的湿润；
⑦梁体混凝土养护期间，重点加强混凝土的湿度和温度控制，减少混凝土的暴露时间，及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖防止水份蒸发。
经过上述的施工控制措施，浇注完成的梁体，达到内实外美的良好效果，梁体表面光滑，混凝土的强度经检验，7 天为52Mpa，28 天为68Mpa，混凝土的各项指标检测均满足规范要求。
六、结束语
经过忻保五标大桥 C50 预制箱梁高性能混凝土的试验与应用，能够得出以下几点：
① 高性能混凝土的获得，必须经过一系列综合的措施，采用高性能的原材料以及与之相适应的制作工艺；
② 复合化：混凝土本身就是水泥基复合材料，高性能混凝土必须有活性细掺料和外加剂，特别是高性能高效减水剂的的掺入。必要时还需同时采用几种外加剂复合掺配，以期取得要求的混凝土性能。充分发挥复合化的作用，将是高性能混凝土取得经济和广泛应用的研究方向；
③ 高性能混凝土的施工必须加强制作和养护的质量控制。混凝土浇捣后逐渐凝固硬化，必须加强对混凝土的养护工作，特别是掺入高效减水剂的高性能混凝土，养护工作更为重要。
忻保五标大桥 C50 预制箱梁高性能混凝土的施工中，由于加强了工程试验检测工作，以及对高性能混凝土的试验与运用，使箱梁预制这一工艺复杂、质量和技术标准要求高的高性能混凝土施工顺利完成。