C50早强大体积高性能混凝土的研究与应用

程棋锋 李美丹

天津市交通科学研究院，天津，300074

摘 要：首先分析水胶比、水泥用量、矿物掺和料、高效减水剂的应用对混凝土早强、大体积、工作性三种性能的影响关系。再综合三者的矛盾关系及以往配合比设计的经验，设计不同矿物掺和料、不同高效减水剂的系列配合比进行研究，然后通过试验研究得到使早强、大流动度和大体积三个矛盾体最小化，兼顾三者的要求获得大流动度、小坍落度损失，早期强度高的混凝土，并应用于天津快速路南仓道跨编组站立交项目中。

关键字：早强；大流动度；大体积；复掺

1.引言

混凝土是当今世界上用量最大、用途最广泛的土木工程材料，有一百多年的发展历史。混凝土结构耐久性的研究始于20世纪40年代，从20世纪60年代起就已成为国内外土木工程界学者的重要研究领域之一。现代混凝土技术已经从以强度为中心逐渐过渡到以耐久性为追求目标的高性能、多功能方向发展，从技术发展的角度上讲，目前已进入了高性能混凝土（High performance concrete，HPC）阶段。由于HPC具有良好的工作性、较高的力学强度、优异的耐久性及经济合理性等优点，近些年来在世界各地被广泛地应用于高层建筑、桥梁、公路、水工及港工等多种建筑结构。正像吴中伟院士所说：“一切材料的用途都不是万能的。”HPC在广泛应用的同时也给人们带来了一些技术难题。比如早强大体积高工作性能混凝土的应用就还不尽如人意。

随着桥梁建设技术的不断发展，对于混凝土的性能要求也在不断提升。目前很多桥梁工程施工难度和施工进度的要求，都在向泵送、大体积、早强三个方向发展。泵送要求大流动度，大体积要求水化热低，早强要求水化迅速，这三个方向是相互制约的矛盾体，因此，对早强大流动度大体积混凝土进行研究，通过复掺矿物掺和料找到三者的最佳切合点，得到适用于现代桥梁建设的高性能混凝土意义重大。

2.矿物掺和料的作用机理

2.1粉煤灰

粉煤灰是一种火山灰质混合材料，它本身略有或不具备水硬胶凝性能，但当以粉状及有水存在时，能在常温，特别是在水热（蒸汽养护）条件下，与氢氧化钙或其它碱金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料[3]。虽然粉煤灰能与水泥的水化产物发生反应，但是由于其活性需要长时间激发，所以影响混凝土的早期强度。同时由于粉煤灰具有玻璃微珠效应，掺入一定量的粉煤灰能提高混凝土的流动性。研究表明，掺入20%的一级粉煤灰具有8%的减水率。

2.2矿粉

矿渣微粉包裹在水泥粒子周围及集料周围，由于其超细化，增加了界面处的质量，较多的硅质材料、水泥粒子密集于界面处产生较多的水化物，使界面连接牢固。水化产物—水化硅酸钙凝胶填充于空隙中，增加密实度，大小粒子堆积，填充降低了空隙尺寸，生产的微细结构与孔结构均比普通水泥石细得多，这样能够减小离子扩散率，获得好的抗侵蚀性、耐久性和高强度。磨细矿渣吸附水及外加剂较少，有一定的减水作用，一般可使混凝土减少用水量 5%左右，可替代水泥 15%~30%。将其掺入水泥中，拌制混凝土，能增大混凝土的塌落度，减慢混凝土塌落度的损失，其效果比掺入缓凝剂等外加剂更有效，将显著改善混凝土流动性能。通过对不同矿粉掺量的砂浆进行实验研究，发现在一定掺量下，矿粉对于混凝土的早期影响不大，如图1所示。

3.混凝土早强、大体积、高工作性的矛盾分析

普通混凝土要达到早强，必须提高水泥用量，降低水胶比，减少粉煤灰的掺入，不允许使用缓凝的高效减水剂。而大体积混凝土则要求水化热低，要使混凝土的水化热低，那么要求水泥的用量尽量降低，多掺一些粉煤灰、矿粉等矿物掺和料，降低水化速度，从而抑制大体积混凝土的温度应力带来的裂缝。高工作性的混凝土则要求混凝土的流动性和保持坍落度性能优越，要达到这个目的，必须使用高效的减水剂，同时掺加粉煤灰和矿粉提高流动性，延长初凝时间。

通过上面对三个矛盾性能的分析，可以明显得出，要使三个性能全部最优，那是绝对不可能的，唯一的办法就是通过配合比的调节，兼顾三者的情况下不断调整配合比才能得到适用于工程的混凝土。

4.实验研究与工程应用

4.1工程概况

天津快速路南仓道跨编组站立交为快速环线西北半环与东纵（铁东北路）相交的大型互通立交，属于天津市中心城区快速路工程西北半环工程的一部分，为一级枢纽工程，天津市第一个市政基础设施BT项目，工程总造价为5.3亿。该主线桥全长1060.101m，桥梁建设面积44876m2，该桥为斜拉桥，其主塔高度为100m。

由于设计文件对于主塔混凝土的流动性和早期强度要求极高，因此本文主要对主塔大体积混凝土的配合比进行研究。

4.2混凝土结构设计要求

该桥的设计中对混凝土不同部位的不同性能作了详细的要求。由表1可以明显看出，设计规定既要求混凝土拌和物具有优良的和易性——即具有足够的流动性满足泵送施工，又得有一定的粘聚性和保水性以保证混凝土大落差的浇注过程不致泌水、离析。同时还得要求早期水化快，获得足够的早期强度，但是又不能水化太快，否则大体积混凝土容易产生裂缝。此外，为了此桥的结构安全和使用寿命，混凝土硬化后的力学性能和耐久性能也有更高的要求[1]。

表1 主塔混凝土性能要求

4.3实验原材料

1) 水泥：天津振通P.O42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能如表2。

表2 水泥物理性能

2）矿粉：唐山唐龙S95矿粉，密度2.92g/cm3，比表面积432m2/kg。

3）粉煤灰：天津大港电厂产二级粉煤灰。

4）硅灰：挪威埃肯微硅粉，

5）减水剂：试验中采用多种减水剂按不同掺量进行试验，如表3为所用外加剂种类和建议掺量。

表3 外加剂种类及建议掺量

6）砂：遵化中砂，技术指标如表4。

表4 砂的技术指标

7）石：天津蓟县碎石，技术指标入表5。

表5 石的技术指标

4.4配合比设计与优选

4.4.1配合比设计

依照普通水泥混凝土配合比设计标准，再结合工程实际坍落度保持要求和强度要求，适当提高混凝土的设计等级，同时控制水泥总量和混凝土总碱含量，设计一系列配合比，如表6所示。

表6 高性能混凝土配合比系列

注：萘代表环湖萘系减水剂；西代表西卡聚羧酸减水剂；巴代表巴斯夫聚羧酸减水剂。

通过掺加矿粉降低混凝土的水化热，从而减少裂缝产生；通过掺加粉煤灰，利用其玻璃微珠润滑效应来提高混凝土的流动性和坍落度保持性；通过少量掺加微硅粉来提高混凝土的早期强度发展[2]。

2）配合比的优选

以上配合比都进行了试配，通过对试配混凝土的工作性、强度等性能进行研究。对比分析各配合比后选出适合工程需要的配合比。

（1）初始坍落度与坍落度保持,如表7所示。

表7 坍落度及保持情况

由表可以看出，目前尽管减水剂的技术发展很快，但是由于减水剂的质量参差不齐，减水剂的坍落度损失情况还是非常严重。九个配比中，三种减水剂都采用了，只有巴斯夫掺量达到1.5%时（P3）坍落度损失才能在工程要求的范围内。针对坍落度损失严重的情况，我们采用后期加泵送剂的方法解决，使泵送时混凝土的性能达到要求。

（2）强度发展情况

配合比系列的3d和28天强度及其与设计强度的比，如表8所示

表8 3d和28d设计强度比

续表8

由表可以看出，粉煤灰+矿粉、矿粉+硅灰、矿粉三个掺和体系只有P3和P8满足设计要。

求的3d强度达到90%的要求。P3和P8两个配比能对于这样的矛盾体最终优化到这种情况已经相当不错。

5.结论

1.在早强大流动度大体积混凝土的配制中，应该尽量使用聚羧酸系减水剂，其保水性和坍落度损失相对较小，其中以巴斯夫的性能最优；

2.掺硅灰并没有改善混凝土的早期强度，可能和微硅粉的吸水性有关，由于微硅粉的吸水严重，导致水泥早期水化不完全；

3.掺加矿粉降低混凝土的水化热，从而减少裂缝产生；通过掺加粉煤灰，利用其玻璃微珠润滑效应来提高混凝土的流动性和坍落度保持性。

4.早强大流动度大体积混凝土是个三方矛盾体，使它的各种性能很好的协调难度很大，需要做更多更深入的研究。

参考文献：

[1]陈天祺 黄其秀. 掺多种微细粉集料配制C50混凝土.混凝土与水泥制品.2004.9

[2]刘广波,徐彬. 复合矿粉在大体积混凝土中的应用.低温建筑技术.2007.4

[3]孙超. 矿渣—粉煤灰混合胶凝体系研究.大庆石油学院硕士毕业论文.2006.3