高速铁路高性能混凝土

高性能混凝土的配制与应用2004年12月目录一、高性能混凝土的基本概念 (1)（一）出现背景 (1)（二）定义 (1)（三）特点 (1)（四）应用 (2)二、高性能混凝土的配制 (5)（一）技术要求 (5)（二）技术路线 (5)三、优选原材料 (6)（一）水泥 (6)（二）砂子 (6)（三）石子 (6)（四）外加剂 (6)（五）矿物细掺料(掺合料) (7)四、优选混凝土配合比 (11)（一）配合比设计的基本原理 (11)（二）配合比设计方法 (12)（三）配制的三大技术关键 (13)五、精心施工 (14)六、技术性能及其检测 (14)（一）工作性 (14)（二）强度 (18)（三）耐久性 (19)七、发展前景 (23)青藏线高性能砼的技术要求 (25)主要参考文献 (27)一、高性能混凝土的基本概念（一）出现背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高要求；处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重恶果；原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。

这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能，多使用天然材料及工业废渣保护环境，走可持续发展的道路，高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。

现在全球砼消费量88亿吨/年，约1.5吨/人，其中我国24亿吨/年，房建3.5亿，三峡1600万M3今后若干年仍是热销的大宗材料。

（二）定义高性能混凝土（High Performance Concrete简写为HPC）一词是20世纪90年代前后提出的，目前尚未统一认识，各国学者各有不同的看法，主要的有：美、加学派认为：高性能混凝土是一种符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，所谓特殊性能组合是指易于浇筑而不离析的工作性，好的长期力学性能、早强、韧性、体积稳定性以及严酷环境下的高耐久性等性能的组合；欧洲学派认为：高性能混凝土是一种水胶比小于0.4的新型混凝土；日本学派认为：高性能混凝土是一种高流态、自密实、免振的混凝土；我国学者认为：高性能混凝土是一种以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土，是一种环保型、集约型的绿色混凝土。

从上可知，欧洲学派强调的是低水胶比条件下高强，高耐久性的特点，而日本学派强调的是良好的工作性能，我国学者则从发展的角度强调可持续发展与工业化生产，各有所侧重而美、加学派阐述的比较全面，总之，高性能混凝土是具有高强度、高耐久、高流动性等多方面优越性能的新型混凝土。

随着高性能混凝土的不断发展和完善，各国学派的观点也会逐步统一起来。

（三）特点从目前实际应用的高性能混凝土的情况来分析，归纳起来和传统的普通混凝土（简称OPC）相比有以下几个特点：1. 原材料上，除了常规的水泥、水、砂、石四种材料外，必需使用化学外加剂和矿物细掺料，一共是六种必不可少的材料，而且后两种可以是一种也可以是多种复合，这在选材上就要求与水泥具有良好的相容性，多种的外加剂之间（或细掺料之间）要求合理匹配，使具有黄金搭配，叠加效应的效果，增加了选材的复杂性；2. 配比上，为了适应高耐久、高强的要求，使用的是低用水量（<180kg/m3），低水胶比（一般为0.28~0.40），控制胶结材总量≯550kg/m3；3. 性能上，具有高耐久性（抗渗、抗冻、抗蚀、抗碳化、抗碱骨料反应，耐磨等）；良好的施工性（大流动，可灌性、可泵性、均匀性等）；良好的力学性能，早强后强均高；良好的尺寸稳定性；合理的适用性与经济性等。

总之，具有良好的综合技术性能，能满足各种工程结构的使用要求。

（四）应用高性能混凝土适用于大跨度桥梁、高层建筑、海洋平台、宇宙航天、核能工程，军事防护，抗害防灾以及载重大处于恶劣环境下的特殊结构，世界各国都相继用于不同的工程结构中，最有代表性的见表1~表4。

表1 世界超高层混凝土建筑表2 计划建造的摩天大楼表3 国内高层建筑表4 国内铁路工程以上说明我国应用高性能混凝土的数量日益增多，技术水平日益提高，可以设想今后我国高性能混凝土的研究与应用会有一个更大的发展。

二、高性能混凝土的配制（一）技术要求配制普通混凝土的技术指标是和易性、强度、耐久性与经济四项基本要求，大家已熟悉，但对配制高性能混凝土除了上述四项基本要求外还要加上坍落度的经时损失，可泵性指标以及抗裂性指标等。

（二）技术路线上述配制要求主要是通过优选原材料、优选配合比与精心施工三条途径来达到，具图1 配制高性能混凝土技术路线框图三、优选原材料根据中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会主编的“高强混凝土结构设计与施工指南”（以下简称高强指南）（HSCC-99）第二版中的有关规定，简介如下：（一）水泥宜用525# 以上硅酸盐水泥或普硅水泥，选用时水泥的流变性比强度更重要，与减水剂相容性要好，因此C3A与含碱量要低，不宜用立窑水泥、早强水泥或其他掺混合材水泥；（二）砂子宜用地质坚硬、级配良好的河砂或人工砂，细度模数M x≮2.6，含泥量≯1.5%（强度>C70级的混凝土≯1.0%且不容许有泥块存在）；（三）石子宜用质地坚硬，级配良好的石灰岩，花岗岩，辉绿岩等碎石或碎卵石，母岩的立方抗压强度f g>1.2f ou以上，针、片状≯5%，不得混入软弱颗粒，一般最大粒径Dmax≯25mm，配制C80~C100级时，Dmax≯20mm，对超过C100级以上时，Dmax≯12mm，因为粒径小时，界面周长小，厚度也小，难以形成大缺陷，不仅有利于界面强度，也有利于抗渗性。

含泥量≯1%，（配制C80级以上时，≯0.5%），吸水率<1%，石子的粒型、表面性质，石粉含量也很重要，应严格控制。

（四）外加剂常用的有高效减水剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂等。

1. 高效减水剂宜选用减水率高（>20%），与水泥相容性好，含碱低，坍落度经时损失小的品种，如接枝共聚物、聚羟基羧酸系、胺基磺酸盐类等，两种复合的效果比单一的好，掺量一般为胶结材总量的1.5~2.0%，掺量太多，超过饱和点后，不再提高减水率，并延缓凝结时间；2. 缓凝剂主要用于控制混凝土的凝结时间和硬化速度，以减少坍落度损失，降低放热量，防止早期开裂，对于C3A与含碱量低的水泥，缓凝效果较好，但掺量不宜过多，要严加控制；3. 引气剂掺入引气剂可提高混凝土的流动性、减少离析、泌水，对保证混凝土拌合物的均匀性和硬化后的耐久性很有利，但引气剂要降低强度，故不宜多加，一般以含气量=3~4%来控制其掺量；4. 膨胀剂主要是为了补偿水泥的干缩和自收缩，增加抗裂性并在约束条件下增长强度，我国膨胀剂产品主要是钙矾石类的如UEA、EA、明矾石膨胀剂等，有些复配的产品，其中掺有高效减水剂、缓凝剂甚至矿物细掺料等组合，选用时要注意，这类复配的膨胀剂对水泥也有相容性问题，使用前必须严格检验。

另外还要检验掺膨胀剂混凝土，膨胀结束后的收缩量，如果和不掺膨胀剂时的相同，开裂仍然会产生，起不到减缩、防裂作用，因此应选用膨胀结束后收缩量比不掺的小的膨胀剂，掺膨胀剂的混凝土搅拌要均匀，养护要充分，约束条件要保证，否则，也起不到减缩防裂作用，有时反而开裂更甚。

高性能混凝土因水胶比低，早强高，一般不宜掺早强剂，由于防冻剂掺入后，会降低强度，故通常也不宜用。

京沪高速铁路高性能混凝土技术条件（送审稿）（以下简称送审稿）对原材料的品质更有详细的规定，此处从略。

（五）矿物细掺料（掺合料）常用的有粉煤灰，磨细矿渣、沸石粉、硅灰等活性矿物细掺料，现分别简单介绍如下：1. 粉煤灰（F.A）主要活性成分是Sio2,Al2O3，含量越多，活性越高。

按CaO含量的多少分为两类，Cao>10%的为高钙灰（C级），具有轻微的自硬性，但因游离Cao高，易造成体积不安定使用时要慎重，故应用不广，Cao<10%的为低钙灰（F级）依其品质又分I、II、III三个级别，见表5。

表5 GB1596-91说明：据初步调查，国内普遍存在的问题是细度不合格，烧失量太大，质量不稳定，正在采取措施加以解决。

用于高性能混凝土的粉煤灰通常是I级灰，质量较好的II级灰也可用，《高强指南》《送审稿》规定粉煤灰品质指标（表6）其中有两项指标要引起注意，一是需水量比应<100%，因它影响流动性和早期收缩，二是烧失量最好<3%，因烧失量大意味着含碳量高，含碳量高吸水率就大，强度低且易风化。

对高性能混凝土更加敏感，因此要严加控制，只要含碳量低，细度不必苛求，达不到要求时，可通过粉磨提高。

研究表明：掺入粉煤灰后，它对混凝土有以下四种功效。

（1）火山灰反应，强度效应（活性效应），粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的Ca（OH）2及含有的硫酸盐产生碱性激发与硫酸盐激发两种反应，即：碱性：xSiO2+yCa(OH)2+zHzO→yCao·xSiO2·zH2O (CSH)mAl2O3+nCa(OH)2+iH2O→nCao·mAl2O3·iH2O (CAH)硫酸盐性：Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O(AFt) 并能改变CSH相的形貌，降低Ca/Si比，有利于后强的发挥与耐久性的改善。

（2）形态效应，减水作用，粉煤灰多是园珠型颗粒，表面光滑，微珠润滑，且有吸附分散作用对水泥浆起解絮增塑作用，若保持流动性不变即可起到减水作用。

（3）微集料效应，增密作用，研究表明粉煤灰粒度分布合理，总体粒度为0.5~300μm，其中玻璃微珠为0.5~100μm,大部分<45μm，其含量约占50~70%，是粉煤灰中的主体，还有一部分漂珠>45μm，及少量粗粒的海绵颗粒10~300μm，大部分>45μm，可见自身颗粒级配良好，其中比水泥颗粒细的粒子则可填充水泥空隙，增加密实度，细化孔径，改善均匀性。

（4）稳定效应，益化作用，通过上述的火山灰反应，大量消耗掉自由态的Ca(OH)2，使变成结合态，大大降低液相的碱度，从而提高混凝土的耐蚀性。

另外还可减少放热、收缩和徐变，提高体积稳定性和抗裂性，有利于耐久性。

但却降低了抗碳化的能力。

通过上述分析，充分说明，粉煤灰在混凝土中能发挥四大功效，起着不亚于水泥的胶凝作用，是混凝土必不可少的第六组分。

问题是要选好、用好、控制好粉煤灰，充分发挥它在混凝土中的有利作用。

其掺量通常采用超量取代水泥法（超量系数=1.2）进行配制。

2. 粒化高炉矿渣（P.S ）粒化高炉矿渣是炼铁高炉排渣时通过水淬（急冷）成粒后，再经磨细而得，主要化学成分有SiO 2,Al 2O 3,CaO 与MgO 等，通过水淬可以形成大量的玻璃体，另外还含有少量的硅酸—钙或硅酸二钙结晶组分，因此碱性矿渣具有轻微的自硬性，矿渣的活性与碱度，玻璃体含量及细度等因素有关，碱度232SiO O Al Mgo Cao b ++=碱度b 越大，活性越高，我国的大多数矿渣b >1.8以上。