C高性能混凝土配合比设计和施工控制技术

C50高性能混凝土配合比设计和施工控制技术肖希新屈文强随着社会经济的发展，山区经济建设也随社会大潮而突飞猛进，山区高速公路的修建也是日新月异，质量要求也越来越高。面对中国就样一个多山国家，面对这样一个前景广阔的市场，我们深深感到这是路桥人的一种机遇，也是一种挑战!混凝土是现代土建工程中最主要的建筑材料，据估计，我国每年的混凝土年用量达5亿立方米以上。近几年来，随着工程发展的需要，在大高度，大跨度，大荷载等方面，混凝土发展呈现出由高强混凝土（HSC）向高性能混凝土（HPC）发展趋势。这主要是因为高强度混凝土本身存在的缺点不符合和不能满足工程的需要，其主要缺点包括：（1）脆性，易于开裂和突然破坏；（2）由于水灰比小带来的工作性（流动性，可泵性，均匀性等）差；（3）单位水泥用量大带来的稳定性和经济性问题；（4）由于体积稳定性差（收缩，膨胀）带来的耐久性问题。而高性能混凝土则克服了以上缺点，具有易于浇注，捣实而不离析，高超的、能长期保持的力学性能，高早期强度，高韧性，体积稳定，在严寒环境中使用寿命长等优点。因此即使在不良的结构细节和施工条件下，高性能混凝土也能增强混凝土结构的可靠性。高性能混凝土与高强度混凝土相比，从单一重视强度到工作性，耐久性与强度并重，还可根据工程要求，突出一二种性能，而这靠传统的组分，普通的拌合，浇注与养护方法是不可能配制出的。高强高性能混凝土是混凝土技术的一个重要发展方向，它适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣环境条件的需要，符合现代施工技术采用工业化生产（工厂预拌混凝土，工厂预制构件）的要求。然而，虽然目前高强高性能混凝土试验室的配制已达到一定的水平，但在实际工程中应用的却并不是太广，究其原因主要有三点：一是各地水泥差异比较大，与外加剂之间的相融性、可掺性不一；二是施工现场与试验室环境相差太大，三是高强高性能混凝土在用料和配制技术上与低强混凝土之间存在根本差异。考虑到以上原因及C50高性能混凝土对本项目的特殊意义，我部认为研究C50高性能混凝土的配合比设计并对施工技术进行总结，不仅能解决工程项目的就地取材的难题，对以后进行类似桥梁项目的施工也能提供一定的技术支撑和保障，而且具有较大的推广前景和重要的经济价值并为工程设计人员提供参考和可资遵循意见。一、C50高性能混凝土配合比设计1、水泥混凝土的形成原理及优缺点1.1水泥混凝土强度形成原理水泥混凝土是由水泥及粗、细集料和水按适当比例拌合，在需要时掺加适宜的外加剂、掺合料等配制而成。其中水泥起胶凝和填充作用，集料起骨架和密实作用，水泥与水发生化学反应而生成具有胶凝作用的水化物（主要是3Cao·2SiO2·3H2O胶体），将集料颗粒紧密粘结在一起，经过一定凝结、硬化后形成的人造石材。1.2水泥混凝土的优点混凝土具有许多优点，可以根据不同的而要求配制不同性能的混凝土；在凝结前具有良好的可塑性，可以浇筑成各种形状和大小的构件或结构物；与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢筋混凝土结构和构件；硬化后有比较高的强度和良好耐久性；其粗、细集料可以就地取材，便于降低成本。2、高强高性能混凝土的设计要求及原材料的设计参数2.1混凝土的设计要求①混凝土强度等级必须满足《公路桥涵施工技术规范》及施工图纸箱梁、T梁设计要求，28天立方体抗压配制强度达到59.9MPa。②混凝土在克服远距离运输的条件下较好的满足现场施工的要求，混凝土的塌落度应控制在140mm以上，且新拌混凝土出厂后1h内基本无塌落度损失。③根据合同工期要求，箱梁、T梁的施工周期应控制在7天左右，每片梁浇注养生5天后必须进行张拉作业，因此混凝土5天张拉强度必须达到设计强度的90℅（45MPa）。④考虑隆昌地区夏季炎热、冬季寒冷的实际气候条件，混凝土应具有较好的温差适应性能。2.2原材料的设计参数2.2.1集料混凝土中集料体积大约占混凝土体积的70%，由于所占的体积相当大，所以集料的质量对混凝土的技术性能和生产成本均产生一定的影响，在配制C50高性能混凝土时，对集料的强度、级配、表面特征、颗粒形状、杂质含量、吸水率等，必须认真检验，严格选材，特别对水泥与混凝土强度等级比值的选用关系到水灰比的大小（即每立方米水泥用量）。这样才能配制出满足技术性能要求的高强混凝土，同时又能降低混凝土的生产成本。a、细集料砂材质的好坏，对高强混凝土的拌合物和易性的影响比粗集料要大。优先选取级配良好的江砂和河砂比较干净，含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，级配一般都能符合要求。山砂一般不能使用，山砂中含泥量较大且含有较多的风化软弱颗粒。砂的细度模数宜控制在2.6-3.3之间。试验中我们发现当砂的细度模数小于2.5时，在同等条件下拌制的混凝土拌合物显得太粘稠，不利于施工中振捣，且细砂在满足相同和易性要求时，增大了水泥用量。这样不但增加了混凝土的成本，而且影响混凝土的技术性能，如混凝土的耐久性、收缩裂缝等;当砂的细度模数在3.3以上时，容易引起新拌混凝土的运输浇筑过程中离析及保水性能差，从而影响混凝土的内在质量及外观质量。C50混凝土细度模数控制在2.6-3.0之间最佳。另外还有注意砂中杂质的含量，不如云母、泥的含量过高，不但影响混凝土拌合物的和易性，而且影响混凝土的强度、耐久性，引起混凝土的收缩裂缝等其他性能。含泥量不超过2%，云母含量小于1%。根据以上指标，结合隆昌地区实际情况，项目部决定采用泸州小关门码头的中粗砂，其技术指标见下表：细集料技术指标规格颗粒级配Ⅱ区中砂筛孔尺寸（mm）9.54.752.361.180.60.30.150.075累计筛余规范值（%）-0-100-2510-5041-7070-9090-100-累计筛余检测值（%）02.716.732.257.985.296.899.4细度模数2.83其他物理技术指标表观密度(kg∕m3)紧装密度（Kg∕m3)堆积密度（kg∕m3）泥块含量（%）含泥量（%）27501770165400.7b、粗集料粗集料的强度、颗粒形状、表面特征、级配、杂质的含量、吸水率对C50混凝土的强度有着重要影响。首先，配制C50混凝土对粗集料的强度的选取是十分重要的，高强度的集料才能配制出高强度的混凝土。应选取质地坚硬、洁净的碎石。其强度可用岩石立方体强度或碎石的压碎指标值来测定，岩石的抗压强度应比配制的混凝土强度高50%。一般用碎石压碎指标值来间接判定岩石的强度是否满足要求。碎石的压碎指标值应（小于20%）。其次，粗集料的颗粒形状、表面特征对C50混凝土的粘结性能有着较大的影响。应选取近似立方体的碎石，其表面粗糙且多棱角，针片状总含量不超过8%.混凝土强度形成过程中最薄弱的环节就是水泥石和集料界面的粘结，只有当集料的表面粗糙、粒径适中，才能提高了混凝土的粘结性能，从而提高了混凝土的抗压强度。再者，集料的级配也是影响混凝土强度的一项重要因素。集料的级配是指各粒径集料相互搭配所占的比例，其检验的方法是筛分。级配是集料一项重要的技术指标，对混凝土的和易性及强度有着很大的影响。研究表明，最大粒径增大时，石子的总表面积减少，因此包裹其表面的所需的水泥浆体也减少，可节约水泥，且在一定的和易性及水泥用量下可减少用水量而提高强度，但当需配制高强度混凝土（大于C40）时，使用粗集料最大粒径超过31.5mm时，对强度并没有好处，因为此时由于减少用水量而获得的强度提高被大粒径骨料造成的不均匀性和较少的粘结面积的不利影响所抵消。配制C50混凝土最大粒径不宜超过25mm，因此C50高强度混凝土一般的水泥用量在420-500kg/m3，水泥浆较富余，由于大粒径集料比同重量的小粒径集料表面积要小，其与砂浆的粘结面积相应要小，其粘结力要低，且混凝土的均质性差，所以一般情况下大粒径集料不可能配制出高强高性能混凝土。集料的级配要符合要求且集料的空隙要小，尽量选取体积密度较大者使用。最后，集料中的泥土、石粉的含量要严格控制，其含量大，但不影响混凝土拌合物的和易性，而且降低混凝土的强度，影响混泥土的耐久性，引起混凝土的收缩裂缝等。其含泥量要小于1%.根据以上指标，项目部经过认真选择料场，考虑到隆昌地区没有高强岩石的特殊情况，决定采用永川石场（离项目部大约80公里左右）的5-20mm石灰岩，其技术指标见下表：粗集料技术指标规格颗粒级配5-20mm石灰岩筛孔尺寸31.526.519169.54.752.36底累计筛余规范值(％)-00-10-40-8090-10095-100-累计筛余检测值（%）004.621.746.297.299.1100其他物理技术指标表观密度（kg/m3）紧装密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）针片状含量(％)含泥量(％)2730161715081.70.3泥块含量(％)坚固性(％)压碎值指标(％)吸水率(％)母料抗压强度(MPa)01.69.60.51052.2.2水泥优先选取旋窑生产其强度等级不要低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，旋窑生产的水泥质量稳定。水泥的质量越稳定，强度波动越小。在C50高强混凝土调配过程中，我部发现用重龙P.O42.5标号水泥拌合混凝土时往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙，多余的水分蒸发后形成大量的孔隙，很大程度上影响混凝土的强度和耐久性，不利于高强混凝土的配制，且早期强度不能满足现场施工要求。项目部通过认真研究，决定采用质量稳定的拉法基P.O42.5R水泥。其主要技术指标见下表：水泥技术指标规格物理性能指标拉法基P.O42.5R表观密度（kg/m3）细度(％)标准稠度(％)比表面积(m2/kg)31452.827.8391初凝时间（min）终凝时间（min）3天抗折强度(mpa)3天抗压强度(mpa)1952565.931.228天抗折强度(mpa)28天抗压强度(mpa)安定性（沸煮法）-8.650.6合格-2.2.3减水剂减水作用是表面活性剂对水泥水化过程所起的一种重要作用。减水剂是在不影响混凝土工作性的条件下，能使单位用水量减少；或在不改变单位用水量的情况下，可改善混凝土的工作性；或同时具有以上两种效果，又不显着改变含气量的外加剂。目前，所使用的混凝土减水剂都是表面活性剂，属于阴离子表面活性剂。水泥和水搅拌后，产生水化反应，出现一些絮凝状结构，它包裹着很多拌和水，从而降低了新拌混凝土的和易性（又称工作性，主要是指新鲜混凝土在施工中，即在搅拌、运输、浇灌等过程中能保持均匀、密实而不发生分层离析现象的性能）。施工中为了保持所需的和易性，就必须相应增加拌和水量，由于水量的增加会使水泥石结构中形成过多的孔隙，从而严重影响硬化混凝土的物理力学性能，若能将这些包裹的水分释放出来，混凝土的用水量就可大大减少。在制备混凝土的过程中，掺入适量减水剂，就能很好地起到这样的作用。混凝土中掺入减水剂后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，而亲水基团指向水溶液，构成单分子或多分子层吸附膜。由于表面活性剂的定向吸附，使水泥胶粒表面带有相同符号的电荷，于是在同性相斥的作用下，不但能使水泥—水体系处于相对稳定的悬浮状态，而且，能使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝结构内的水释放出来，达到减水的目的。减水剂加入后，不仅可以使新拌混凝土的和易性改善，而且由于混凝土中水灰比有较大幅度的下降，使水泥石内部孔隙体积明显减少，水泥石更为致密，混凝土的抗压强度显着提高。减水剂的加入，还对水泥的水化速度、凝结时间都有影响。C50高性能混凝土除满足必须的高强度和力学性能保证之外，早期水化温升要低，以降低出现温度裂缝的几率；混凝土抗拉强度和极限拉伸值相对要高，以增加抵抗裂缝的能力；另外新拌混凝土还应具有良好的和易性和抗离析性以及能满足大仓面连续浇筑施工要求的缓凝性。同时混凝土的配制要尽量降低水泥用量，减少工程成本。要满足这些要求，就必须选择一种高性能减水剂。聚羧酸系高性能减水剂是继木钙为代表的普通减水剂和以萘系为代表的高效减水剂之后发展起来的第三代高性能减水剂，是目前世界上最前沿、科技含量最高、应用前景最好、综合性能最优的一种高效减水剂。我项目使用的YH-A就是一种聚羧酸系高性能