机制砂高性能混凝土配合比设计及质量控制

1 机制砂高性能混凝土配合比设 计［4］［5］
1． 1 设计技术路线 基于混凝土耐久性和抗裂性要求，掺入优质矿
物掺合料和高效减水剂是配制高性能混凝土的主 要技术路线。以耐久性为主要设计指标，对于水胶 比、矿物掺合料掺量、含气量、浆集比、砂率等参数 采用全体积法进行配合比设计，严格控制碱含量和
氯离子含量，通过大量试验不断进行调整，及时总 结施工中产生问题的影响因素。对大跨度混凝土 箱梁桥，混凝土抗裂性是首要考虑因素，基于对水 化热和体积稳定性的综合考虑，选择粉煤灰、磨细 矿粉、硅粉（ 单掺或复掺） 作为辅助胶凝材料，选择 具有低收缩、缓凝性能的高效减水剂配制混凝土成 为关键技术措施，也符合混凝土耐久性技术实现途 径。 1． 2 设计方法
薄弱的、而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结 晶，由于水化缓慢，只在后期才生成少量 C-S-H 凝 胶，填 充 于 水 泥 水 化 生 成 物 的 间 隙，使 其 更 加 密 实） 以外，对于高性能混凝土用的优质磨细粉煤 灰，还存在着形态效应、填充效应和微集料效应等。 掺用粉煤灰对新拌混凝土明显好处是增大了浆体 体积，大量浆体填充集料间的空隙，包裹并润滑集 料颗粒，从而使混凝土拌合物具有更好黏聚性和可 塑性。粉煤灰越细，对胶砂流动性越有利，流动性 比越大，但是在没有外加剂条件下，如果粉煤灰过 细，粉煤灰本身的比表面积增加过多，分散效果不 佳，不能充分发挥粉煤灰球形颗粒的粒形效应，从 而流动性指标就不会显示出更大变化。掺粉煤灰一 般会使混凝土凝结时间延长，粉煤灰导致的缓凝受 其掺量、细度、化学成分等因素影响。在工程中，对 于低水胶比混凝土，由于水化后形成水泥石结构非 常致密，水不容易渗入内部，为保证水泥初凝后水化 能够正常进行，应在初凝后立即进行洒水保湿养护。
与普通混凝土相比，高性能混凝土在配制方法 上趋向低水胶比、低碱含量、低氯离子含量和多组 分。根据 TBT3275 － 2011《铁路混凝土》，可按最 小浆骨体积比原则进行设计，采用体积法计算砂、 石用量，确定初步配合比，并参照有关资料或经验， 通过大量试验来确定基准配合比和实验室配合比， 再结合现场原材料含水量等情况确定施工配合比。 1． 3 各参数的选择 1． 3． 1 水泥
贵州机制砂颗粒形状多棱角，常为多面三角形 或立方体状，在硬化混凝土中有较好咬合力，其质 量要符合 JGJ 52 － 2006《普通混凝土用砂、石质量 及检I 类砂技术要求。细集料粗细不能只依 据细度模数，还要考虑级配。配制 C55 高性能混 凝土应选用级配良好、质地均匀竖固、吸水率低、空 隙小、细度模数 2. 6 － 3. 2 的中粗砂，合理控制砂中 粉层含量、含泥量等。相关研究者认为［6］：在机制 砂混凝土中，石粉可以填充其中的孔隙，改善混凝 土孔结构和浆 － 集料界面结构；同时，石粉在水泥 水化过程中起到一定晶核作用，诱导水泥水化产物 析晶，加速水泥水化，并参加水泥水化反应，生成水 化碳铝酸钙，阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转 化，提高水泥水化产物结晶化程度，进而提高混凝 土密实性，使混凝土综合性能得以改善。贵州机制 砂应选用强度高且较为完整岩石通过二次加工生 产，并根据实际情况考虑配备洗砂设备进行清洗， 控制达到最佳石粉含量要求。 1． 3． 3 粗集料
混凝土掺入粉煤灰因早期强度偏低，其掺量应 根据水泥实际强度和施工季节的温湿度条件进行 调整，以适应预应力张拉要求，改善混凝土工作性 和水化热。磨细矿粉或硅粉掺量则根据耐久性、强 度及施工要求选择，若混凝土粘度过大、拌和物流 动性损失过快而影响混凝土可泵性时则应适当减 少用量。优质粉煤灰掺量宜选择 10 － 20% ，磨细 矿粉掺量宜选择 10 － 30% ，硅粉最佳掺量为 3 － 10% ，具体根据所用外掺料、水泥种类、减水剂种 类、骨料性质及材料价格，通过试验及经济比较后 综合选定。 1． 3． 6 含气量
马显红*
（ 贵州高速公路开发总公司，贵州 贵阳 550000）
摘 要： 在贵州修建高速公路，多处于山区地带，使用细集料主要以机制砂为主。机制砂高性能 混凝土在耐久性、工作性和体积稳定性等方面的良好性能，已在不少重要工程中被采用。本文以 贵州省思南至剑河高速公路桥梁工程为依托，重点阐述 C55 机制砂高性能混凝土配合比设计及 在实际施工中的相关经验，为西部山区类似工程提供技术参考。 关键词： 高性能混凝土；配合比设计；质量控制 中图分类号： TU528． 56 文献标识码： A
第 29 卷 第 2 期 2012 年 4 月
贵州大学学报（ 自然科学版） Journal of Guizhou University （ Natural Sciences）
Vol． 29 No． 2 Apr． 2012
文章编号 1000 － 5269（2012）02 － 0136 － 05
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机制砂高性能混凝土配合比设计及质量控制
确定砂率应考虑粗骨料密实堆积下的空隙率， 若粗骨料粒形不好、级配差，空隙率大会造成填充 空隙的胶凝材料浆体和细骨料用量过大，粗骨料用 量过少，从而降低混凝土弹性模量。砂的细度模数 通常不能完全反映颗粒组成差异，砂率还应根据砂 自身的颗粒组成进行调整。细颗粒含量过多时则 适当降低砂率，以防止过多细颗粒含量引起骨料裹 浆量不足，引起管道润滑层摩擦阻力增大。细颗粒 含量过少 时 则 应 适 度 增 加 砂 率，增 强 浆 体 保 水 性 能，降低离析几率。
配制机制砂 C55 高性能混凝土，在选用水泥 时，要综合考虑水泥的各项性能和成本，应选择流 变性好、碱含量低、氯离子含量低、早期反应性能低 的水泥，热料中 C3A 含量不超过 8% ，且与多数高 效减水剂 有 较 好 的 适 应 性，较 容 易 控 制 坍 落 度 损 失。实际应用时，经过搅拌，仅需结合少量水，形成 钙矾石少，这时水泥浆体具有良好的流变性，与减
选择适宜 的 含 气 量，可 以 提 高 混 凝 土 抗 冻 性 能，改善混凝土拌和物性能和施工性能，提高混凝 土匀质性和稳定性。从施工性能和冻融耐久性两 方面考虑，通常应保证混凝土含气量 2% － 4% ，若 进行混凝土配合比设计时确因胶凝材料原因导致 混凝土单位用水量较低时，为保证适宜的泵送施工 性能，应按含气量上限进行设计。 1． 3． 7 砂率
掺用粉煤灰的混凝土，其后期性能可得到大幅 度改善，对延长结构物使用寿命有重要意义。掺粉 煤灰混凝土强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰 效应，即粉煤灰中玻璃态活性氧化硅、氧化铝与水 泥水化产生的 Ca（ OH）2 作用生成碱度较小的二次 水化硅酸钙、水化铝酸钙。粉煤灰的作用机理，除 火山灰材料特性的作用（ 消耗了水泥水化时生成
随着我国高速公路建设迅速发展，大跨度高墩 混凝土连续刚构桥已得到广泛应用。高性能混凝 土在耐久性、工作性和体积稳定性方面具有良好性 能，在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出独 特的优越性，在工程技术经济性、环境适应性等方 面产生明显效果。因此，高性能混凝土已被各国建 设者们所接受和推广，也是今后混凝土技术研究和 发展方向。在贵州大部分地区，多峡谷、河流，地势 险峻，交通运输不便，混凝土连续刚构桥正体现出 较好的技术经济性。连续刚构跨越峡谷，两岸地势 陡峭，地形变化急剧，起伏较大，桥址区灾害性气候 （雷雨、大雾和温湿度） 变化显著，较多地域为酸雨 区，对桥梁整体结构影响较大。贵州省思南至剑河 高速公路大跨度桥梁多为三跨预应力混凝土连续 刚构桥，主跨 130 － 220 m，墩高 29 － 121 m，对于 C55 等级混凝土均严格按高性能混凝土要求配制， 经现场实际施工总结，均取得较好效果。
1． 3． 4 减水剂 减水剂 掺 量 宜 控 制 在 胶 凝 材 料 的 0. 5% －
1. 6% ，具体用量应根据与水泥的相容性试验选定， 不能盲目认为减水剂掺量越高减水效果越好。掺 入适量减水剂可满足混凝土工作性能，降低水泥用 量，减少工程成本。选用减水剂应着重从以下几个 方面考虑：降低水胶比，提高早期强度，增加后期强 度，减 少 混 凝 土 坍 落 度 损 失，满 足 工 作 性 能 要 求。 在试验中发现：同一种减水剂对不同品牌水泥的减 水效果有很大差异，在施工中需要考虑减水剂与水 泥的相容性，不能随意更换减水剂类别。此外，还 需要考虑减水剂对温度的敏感性，减少因温度造成 坍落度偏小的影响。 1． 3． 5 矿物掺合料
粗集料强度、颗粒形状、表面特征、级配、杂质 含量、吸水率等对高性能混凝土性能影响较大，因 此，配制高性能混凝土对粗集料选取十分重要。粗 集料应采用 5 － 25 mm 的连续级配，要求具有颗粒 级配合理、针片状少、空隙率小等特性。控制好粗 集料比例将会有效获得混凝土的最小空隙率，从而 获得较好的工作性、较高的强度及良好的耐久性。 同时，对相同水胶比而言，粗集料在最佳堆积下总 浆体用量也会减少，相对拌和水用量也会减少，因 而可减少混凝土中弱界面形成几率及浆体本身产 生收缩裂缝的可能，从而提高混凝土的耐久性。
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贵州大学学报（ 自然科学版）
第 29 卷
2 单掺外掺料对混凝土性能的影 响［2］［3］
2． 1 硅粉对混凝土性能的影响 用硅粉替代等量水泥，胶凝材料系统早期水化
速度相对较快，3 d 和 7 d 水化放热大大增加，使用 时要加强混凝土养护，防止混凝土早期水化放热过 大引起开裂。对于需要控制早期水化放热的混凝 土工程在材料选择时，更应该注意此方面问题，如 大体积混凝土等。当硅粉与高效减水剂复合使用 时，可使混凝土水胶比降至 0. 13 － 0. 18，水泥颗粒 之间被硅 粉 填 充 密 实，混 凝 土 抗 压 强 度 大 幅 度 增 加，但有相关研究表明，硅粉掺量过高，混凝土后期 强度有下降趋势，故综合考虑一般硅粉掺量控制在 胶凝材料总量 10% 以内。硅粉的掺入提高了混凝 土的密实性，减少水泥石空隙，提高混凝土抗渗性 能、抗化学腐蚀性和钢筋耐腐蚀性。同时，硅粉和 水泥中碱反应，能够有效防止碱 － 集料反应，防止 混凝土过度膨胀。相关研究表明，掺入 5% 的硅 粉，能有效地防止混凝土发生碱 － 集料反应。 2． 2 磨细矿渣对混凝土性能的影响
磨细矿渣在碱激发、硫酸盐激发或复合激发下 具有反应活性，与水泥水化所产生的 Ca（ OH）2 发 生二次水化反应，生成低钙型的水化硅酸钙凝胶， 改善混凝 土 界 面 结 构，提 高 混 凝 土 强 度 和 耐 久 性 能。加入磨细矿渣，可延缓胶凝材料的水化速度， 使用混凝土的凝结时间延长，对高温季节混凝土的 输送和施工有利，但冬季施工时要采取相应防冻措 施。在相同用水量的条件下，单掺硅灰，胶砂流动 性下降，单 掺 不 同 比 表 面 积 及 不 同 比 例 的 磨 细 矿 渣，均可不同程度的改善胶砂流动性；用磨细矿渣 替代部分 硅 酸 盐 水 泥，可 改 善 混 凝 土 的 抗 硫 酸 盐 性，抑制碱 － 集料反应。其作用机理为：一方面是 矿物外加料掺入降低单位混凝土中碱含量；另一方 面由于其填充作用，更进一步提高混凝土致密性及 不渗水性，再由于渗透性降低，碱离子的活动能力 大大下降，从而有效阻止碱 － 集料反应。 2． 3 粉煤灰对混凝土性能的影响