1、高性能混凝土在公路工程施工中的应用摘要: 现在的工程建设区域或者是崇山峻岭、或者是海上施工，面临着地质条件复杂、气候条件恶劣等不利的环境，对工程所需混凝土的耐久性、强度、抗渗性、抗腐蚀性等各项性能的要求越来越高，普通的混凝土不能完全满足以上的性能要求，因此，高性能混凝土应运而生。本文通过对高性能混凝土各种性能要求、高性能混凝土的材料选择、高性能混凝土的配合比设计、高性能混凝土的施工工艺以及注意事项等几方面进行了简单介绍，为以后试配和使用高性能混凝土的工作者提供参考。 关键词:高性能混凝土配合比设计施工应用 中图分类号：TV331 文献标识码： A 一、高性能混凝土的定义 高性能混凝土是一种新型
2、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，高性能混凝土突出一些性能：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。因而改变了水泥石的亚微观结构，改变了水泥石与骨料间界面结构性质，提高了混凝土的致密性。高性能混凝土的制备不应该仅是水泥石本身，还应包括骨料的性能，配合比的设计，混凝土的搅拌、运输、浇筑、养护以及质量控制，这也是高性能混凝土有别于以强度为主要特征的普通混凝土技术的重要内容。 二、高性能混凝土
3、的性能 高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土，它以优异的耐久性（而不是高强度）为主要特性，具备良好的工作性、又有优异的力学性能与耐久性，易于浇注、捣实而不离析；能长久的保持力学性能；早期强度高且具有较高的体积稳定性。混凝土应具备的性能是：在新拌状态下有良好的工作性，即高流动性而不离析、不泌水，以便成型均匀、密实；混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。以达到无初始裂缝；硬化后的渗透性低，有较高的抗外部因素侵蚀能力。 高性能混凝土的原材料选择 1.要求 A.水泥。 配制高性能混凝土宜选用标号不低于 42.5 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其性能应符合 GB17
4、5 的规定。不宜采用早强水泥，特殊情况下除外。 高细度水泥早期强度增长很快，但后期强度很少增加，而且水化热大，所以细度应合适，因此，水泥比表面积不宜小于 300m2/kg，不宜大于 350m2/kg。碱含量不宜超过 0.6。 游离氧化钙含量不宜超过 1.5。 水泥熟料中 C3A 含量应不宜超过 8%， C3A 含量过高，不仅水泥水化速度加快，往往会引起水泥与高效外加剂相互不适应的问题，不仅会影响超塑化剂的减水率，更重要的是会造成混凝土拌合物流动度的经时损失增大。水泥中的 C3A 是水泥水化反应最早并进行的最快的矿物质，因而，在掺加外加剂的混凝土中，C3A 对于水泥与外加剂适应性的影响是主要的。
5、因此，水泥中的 C3A 含量越高，减水剂的减水效果就越差，造成这种现象的原因是当减水剂加入到混凝土混合物中后，首先被水泥中的 C3A 所吸附，在减水剂掺量不变的条件下，由于被 C3A 吸附量大，使得用于分散 C3S 和 C2S 等其他组分的量显著减少，因此减水效果较差。 B.细集料。 细集料应选择级配合理、质地均匀的天然中粗河砂。同时应控制砂的级配、粒形、杂质含量和石英含量，不得采用碱集料反应的沙子，级配曲线平滑、粒形圆、石英含量高、含泥量和含粉细颗粒少为好，避免含有泥块和云母。当采用人工砂时，更应注意控制砂子的级配和含粉量 细度模数宜为 2.63.2。 C.粗集料。 粗集料应选择级配合理、粒
6、形良好、质地均匀坚固、膨胀系数小的碎石，未风化的石灰岩、辉绿岩、玄武岩加工的碎石均可，一般选用石灰岩的较多，一是该材料较为普遍，经济；再者，石灰岩的矿物成分能够与水泥有较好的结合。强度等级不高的情况下，也可采用碎卵石和卵石，不宜采用砂岩碎石。 粗集料要具有良好的级配，粗集料最大粒径根据强度等级而定，且不超过钢筋保护层厚度的 2/3，不超过钢筋最小间距的 3/4。见下表1： 高性能混凝土粗集料的最大粒径 强度等级 C50C60 C70C80 C90C100 C100 以上 粗集料最大粒径 30 20 15 10 粗集料的松散堆积密度应大于 1500kg/m3，紧密空隙率宜小于 40%，吸水率易小
7、于 2%。 （用于干湿交替或冻融循环下的混凝土应小于 1%） 。 强度：粗集料的强度一般为混凝土强度的 1.52 倍，压碎指标小于 10%。 不得采用碱集料反应的粗集料。 针片状含量不得大于 8%。 D.外加剂 用于高性能混凝土的外加剂主要是高效减水剂，其次还有缓凝剂、引气剂、泵送剂等。 高效减水剂 高性能混凝土离不开高效减水剂，高效减水剂的减水率应该在 20%以上，有时甚至高达 25%以上；目前国内高效减水剂以萘系为主，产品型号有 NF、UNF、FDN、NSZ、DH、SN 及 NNO 等。为了改善高效减水剂的性能，降低成本，常常将高效减水剂与缓凝剂一起使用。通过优化各外加剂的比例和掺量，可以
8、获得改善混凝土强度增长性质，改善拌合物工作性和减少流动性经时损失。使用时应通过试验确定外加剂与水泥等胶凝材料是否相适应。外加剂与水泥相适应性较好的表现为：新拌混凝土的工作性能得到明显的改善，根据需要能有效控制混凝土的凝结时间，塌落度经时损失小，混凝土密实性好，各龄期强度有较大的提高，混凝土各耐久性指标有较大的提高。高效减水剂的用量一般为胶凝材料质量的1%2%。 其他外加剂 在高性能混凝土中，为了改善拌合物及硬化后混凝土的性能，常常也引入一些其他的外加剂，如缓凝剂、引气剂、防冻剂、泵送剂等。 在夏季施工以及大体积混凝土施工中更为突出，往往需要复合使用缓凝剂来延缓凝结时间。在掺加前，应通过试验确定
9、不同缓凝剂与高效减水剂和水泥是否相适应。 引气剂配制高性能混凝土，对混凝土的强度等级提高不明显，但提高了混凝土的工作性和均质性，改善了混凝土的抗渗性和抗冻性。 矿物细掺合料 矿物细掺合料是高性能混凝土的主要组成材料，它起着根本改变传统混凝土性能的作用。普通混凝土很难满足高性能混凝土的综合性能要求，因为硅酸盐水泥的混凝土早期水化热较大，混凝土塌落度损失大，界面区的 CH 取向及其抗侵蚀能力差等弊端是硅酸盐水泥混凝土自身难以克服的问题，而粉煤灰等掺合料对混凝土的工作性、力学性能及混凝土的内部组成、结构等都进行了有效的改善、大大提高了混凝土的耐久性，克服了硅酸盐水泥混凝土存在的许多潜在的缺陷。不同的
10、矿物细掺合料对改善混凝土的物理、力学性能与耐久性具有不同的效果，应根据混凝土的设计要求与结构的工作环境加以选择。使用矿物细掺合料与使用高效减水剂同样重要，必须认真试验选择。 粉煤灰 高性能混凝土所用粉煤灰从原材料上有所要求，要选用含碳量低、需水量小以及细度大的 I 级或 II 级粉煤灰（烧失量低于 5%，需水量比小于 105%，细度 45m，筛余量小于 25%） 。 掺入粉煤灰可以降低用水量，改善和易性，尤其适合泵送混凝土的应用。同时混凝土中掺入粉煤灰后，胶凝材料的水化反应放缓，水化热降低，新拌混凝土的初凝和终凝时间延长，特别有利于大体积混凝土的应用。 磨细矿渣 磨细矿渣作为混凝土的掺合料使用
11、，活性可以得到很好激发，混凝土多项性能得到改善和提高。 超细沸石粉 能降低新拌混凝土的泌水与离析，提高混凝土的密实性，使强度提高，耐久性改善。 硅粉 在我国因硅粉产量低，价格高，出于经济考虑，一般不用。 5.水 拌制高性能混凝土的水，其质量应符合混凝土拌合用水 JGJ63 的规定。凡符合饮用水标准的水，即可使用。 四、高性能混凝土设计法则 近年来，国内外提出了多种高性能混凝土的设计方法，但高性能混凝土组分复杂，诸多因素相互影响，往往表现为特定的非线性规律。 水胶比法则：可塑状态混凝土水胶比的大小决定了混凝土的强度，并影响硬化混凝土的耐久性。水泥要达到完全水化所需要的水量约为水泥用量的 25%，
12、此外由于物理吸附作用还要有约 15%的水被限制在胶体空隙中而不能参与化学作用，所以至少有 0.40 的倍的水才能达到完全水化作用。实践证明，当水灰比降到 0.40 以下时，随着水灰比的降低强度却能继续提高，因此，高性能混凝土的水胶比水/(水泥+矿物微细粉)一般不大于 0.4。低水胶比能降低混凝土的孔隙率并减小空隙尺寸，使混凝土的渗透性降低，从而保证其耐久性。下表是水胶比的经验值： 高性能混凝土水胶比经验值 强度等级 C50 C60 C70 C80 C90 C100 水胶比 0.330.37 0.300.34 0.270.34 0.240.28 0.210.25 0.190.23 混凝土密实体积
13、法则：混凝土的组成是以石子为骨架，以砂子为填充石子间的空隙，又以浆体填充砂石空隙，并包裹砂石表面，以减少砂石间的摩擦阻力，保证混凝土有足够的流动性，而浆体中含有少量的微气泡。这样，可塑状态混凝土总体积为水、水泥（胶凝材料） 、砂、石的密实体积之和。 最小单位加水量或最小胶凝材料用量法则：在灰胶比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小加水量，可得到体积稳定的、经济的混凝土。确定高性能混凝土的最小用水量比确定普通混凝土用水量要复杂得多，因为高性能混凝土中掺加了高效减水剂和超细矿物掺合料，能够保证混凝土的工作性，可以有效的降低用水量。下表是通过大量的试验数据总结的用水量与强度等级的关系，可供
14、参考： 混凝土强度等级与单位用水量的关系 强度等级 C50 C60 C70 C80 C90 C100 单位用水量（kg/m3） 185 175 165 156 145 135 砂率：高性能混凝土中的砂率一般在 0.300.42 之间，砂率主要影响混凝土的工作性，同时还和混凝土的强度等级有很大的关系，当水胶比不同时，砂率也有所变化。 五、实例： 以上所列只是配比的一般法则，但是，在实际的施工中，还需要根据具体的实际情况，具体分析，通过仔细的试配，才能最终确定符合要求的配合比。以中朝鸭绿江界河公路特大桥为例，该工程桥长 2.6 公里，为一斜拉桥，主塔高度 196.4 米，采用爬模浇筑混凝土的施工方
15、式，因此对混凝土的早期强度有严格的要求。该该工程要求的混凝土为 C50，根据业主和具体的实际情况，要混凝土的 7 天强度达到 50MPa，28 天强度达到 55MPa。通过试配，确定了以下的原材料： 水泥：采用小野田 525R 早强水泥。 沙子：中粗砂（2.5mm3.1mm） 外加剂 矿粉 粉煤灰：级，细度小于 10m 碎石：4.75mm9.5mm，9.5mm19mm，16mm31.5mm 三种碎石进行级配组合。经过多次试配，最终确定混凝土配合比如下表：单位（kg/m3） 水泥 水 沙子 外加剂 矿粉 粉煤灰 碎石（1631.5） 碎石（9.519） 碎石（4.7519） 385 107 78
16、0 6.5 38 56 475 475 167 要求浇筑时温度在 10以上，混凝土的塌落度在 180220mm 之间。 六、高性能混凝土施工工艺 对混凝土拌合物的要求： 1流动性：塌落度在 170mm 以上，塌落流动度在 430mm 以上（不振捣的混凝土塌落度在 240270mm 之间，塌落流动度在 550700mm 之间） ； 2体积稳定性：不离析、不泌水、有稳定的表观密度。 3温度应力：浇筑的混凝土内外温差不高于 25.，浇筑时混凝土温度夏季不高于 35,冬季不低于 12。 4与普通混凝土相比，高性能混凝土很敏感，因此在工地现场施工时，要对试配、原材料、搅拌、运输、浇筑、振捣、拆模养护等进
17、行严格管理。 原材料计量：对原材料的计量精度要高于普通的混凝土，计量偏差要符合下列规定： 水泥与掺合料.；粗骨料.；细骨料.；水与外加剂.。并保证量具的精确度，在每一班正式称量前，对量具设备进行零点校核。骨料的含水量的变化影响水灰比的变化，因此在施工时要加以重视。 混凝土拌合。搅拌必须采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌。搅拌混凝土前，应加入与配合比相同水胶比的水泥浆空转数分钟，然后将水泥浆倒掉，使搅拌筒充分湿润。 外加剂后掺法： 拌合时先向搅拌机加入细集料、水泥、矿物掺合料和外加剂，搅拌均匀后，再加所需用水量，待砂浆充分搅拌均匀后再投入粗骨料，并继续搅拌至均匀。 拌合时先向搅拌机加入细集
18、料、粗集料、部分拌合、喷水搅拌均匀后，再加胶凝材料和剩余水及外加剂，并继续搅拌至均匀。每一阶段的搅拌时间不少于 30s，总搅拌时间不宜少于 2 分钟， 也不宜超过 3 分钟。外加剂后掺法有利于发挥外加剂的利用率。 净浆裹石法： 用部分胶凝材料以极低的水胶比拌合成净浆和石子进行第一次搅拌，然后再加入砂子，用其余的胶凝材料和正常的水胶比进行第二次拌合。第一次拌合时在砂石料表面形成一层水胶比很低的水泥浆裹层，第二次拌合形成的混凝土中的界面过渡层的 Ca（OH） 2 生成量不再富集，取向性不再出现，空隙率大大减小。 浇筑与振捣。混凝土入模前应测定混凝土的温度、坍落度和含气量，混凝土拌合物的布料，应尽量垂直落到浇筑点的中央，尽量避免再
