试论高性能混凝土及其在工程中的应用(三)

  (4）对高性能混凝土有抗冻或其他要求时，应掺加引气剂，以及其他有关的外加剂，如 阻锈剂等。

三、高性能混凝土质量与施工控制

 （一）高性能混凝土原材料及其选用

   1.细骨料细集料应选用质地坚硬、干净、级配良好的天然中粗河砂，其质量要求应满足普通混凝土用砂石标准的要求。砂的厚度对混凝土的强度有显著影响。一般来说，砂越厚，混凝土的强度越高。细砂模量大于2.3的中砂应用于制备C50-C80混凝土砂。C80-C100混凝土砂应选用细度大于2.6的中砂或粗砂。

   2.粗骨料高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配好的粗集料。应选用表面粗糙、角形、针片含量低的硬砂岩、石灰石、花岗岩和玄武岩碎石，级配符合规范要求。由于高性能混凝土的高强度要求，必须使粗集料具有足够的高强度。粗集料的强度一般应为混凝土强度的115～210倍，控制破碎指数应大于10%。最大粒径不应大于25mm，优选10mm至20mm，因为粗集料粒径越小，内部缺陷的概率越小，与砂浆的结合面积越大，界面力越均匀。另外，粗集料还应注意集料的粒度、级配和岩石类型，一般采用连续级配，尤其是级配好，粗面石灰岩碎石最好。粗集料的线膨胀系数应尽可能小，这样可以大大减小温度应力，提高混凝土的体积稳定性。

   3.细掺合料。在配制高性能混凝土时，掺加活性细掺合料可以大大改善水泥浆的流动性，填充空隙，提高硬化水泥浆体的强度。更重要的是，掺加活性细掺合料改善了水泥石与骨料的界面结构，提高了混凝土的强度、抗渗性和耐久性。活性细掺合料是高性能混凝土的必备材料。高性能混凝土中常用的活性细掺料有硅灰（SF）、磨细矿渣粉（BFS）、粉煤灰（FA）、天然沸石粉（NZ）等。它能有效地改善混凝土的抗渗性，显著提高混凝土拌和物的可加工性。大掺量粉煤灰混凝土对环境保护和资源节约具有重要意义。制备高性能混凝土的粉煤灰应为低碳、低细度、低需水量的优质粉煤灰。高炉铁水高温熔渣水淬产生渣。高性能混凝土中磨细矿渣的细度比水泥大，可以提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是电炉生产硅铁合金所排放的烟灰。SiO2含量大于90%，平均粒径约为011微米，比表面积大于20×000／kg。硅灰由于具有大掺量高效减水剂和强搅拌作用，能够填充水泥与其它外加剂之间的间隙，在各种外加剂中具有较高的混凝土活性。最显著的增强作用是超细活性掺合料作为超高强混凝土的常用掺合料。

   4.减水剂和缓凝剂。由于高性能混凝土的强度高，且混凝土混合物的坍落度一般较大（约15-20），在低水胶比（一般<0.35）的情况下，为了使混凝土具有较大的坍落度，必须采用高效减水剂。且其减水率应大于20%。有时，为了减少混凝土坍落度的损失，在减水剂中加入缓凝剂也是可取的。另外，由于高性能混凝土的水胶比低，水泥颗粒间距小，进入人溶液中的离子数也小，因此减水剂对水泥的适应性更敏感。由于高性能混凝土大多是在施工过程中泵送的，掺有减水剂的混凝土混合物的坍落度损失不能过快或过大，否则会影响泵送。

   5.矿物掺合料。(1)粉煤灰和粉煤灰是从燃烧煤粉的锅炉的烟气中收集的细粉，也称为“飞灰”(FlyAsh),大部分颗粒呈球形，表面光滑。大量实践证明，掺粉煤灰的混凝土长期性能可以大大提高，对延长结构的使用寿命具有重要意义。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下几个方面：（1）填充骨料颗粒的空隙，并将其包裹形成润滑层，从而产生“球润滑”效应；（2）水泥颗粒的物理分散，使其分布更加均匀；（3）poz当粉煤灰和氢氧化钙堆积在团聚体颗粒周围时，会发生ZrANIC灰分。粉煤灰抑制了混凝土的水化速率，降低了水化热引起的温升，对防止混凝土温度裂缝十分有利。它可以降低混凝土温度裂缝的风险，同时它也可以减少混凝土温度裂缝的风险。它加速火山灰反应，提高28d强度。值得注意的是，粉煤灰的水泥替代率对强度有显著影响，早期强度和后期强度较好的水泥替代率应小于10%。当粉煤灰含量较低时，仅影响水泥的早期水化热，而对7天龄期水泥的水化热影响不大。

(2)硅粉(SilicaFume,简写SF)又称硅灰，是从生产硅铁或硅钢合金时排出的烟气中收集的非常细的粉尘。硅粉主要由非常小、表面光滑的玻璃球形颗粒组成，颗粒大小为0.1-1.0微米，水泥颗粒大小为1/50-1/100，一般比表面积为18500/kg-20000/kg，二氧化硅的主要化学成分，其含量在90%以上。掺加少量硅灰或用硅灰代替部分水泥，结合减水剂，可以显著改善混凝土的物理力学性能。硅灰的适宜掺量为水泥用量的5%～10%。硅灰对混凝土性能的主要影响是：（1）提高新拌混凝土的粘结力和保水性，增加需水量；（2）提高混凝土的强度，提高混凝土的弹性模量和干缩率；混凝土。另外，在制备硅灰混凝土时必须注意：1。由于硅灰的需水量大于水泥，因此在制备硅灰混凝土时，一般应添加减水剂。在选择减水剂时，应与所用的水泥相容，否则容易影响混凝土的工作性能。同时，根据减水剂的性能和需水量需要选择适量的减水剂。（2）比表面积和活性SiO2含量是硅灰的重要指标。硅灰的比表面积越大，活性二氧化硅含量越高，硅灰的性能越好。(3)硅灰混凝土的干缩一般大于普通混凝土，在制备高性能混凝土时应采取补偿干缩的措施，如掺加粉煤灰。

 （二）高性能混凝土的配合比设计

   1．高性能混凝土配制目标和影响因素

    (1).设计思路有很大区别

    在以往的配合比设计方法中，水灰比是根据混凝土的强度等级来计算的，但现在是根据耐久性要求来计算的。首先，根据环境作用等级确定电通量指数，以选择水灰比，控制胶凝材料的最小用量和掺合料的比例。由于客运专线隧道衬砌和倒拱的设计强度等级为C30或C35，一般来说，为了满足电通量和水胶比限值的要求，混凝土的强度一般超强。

    (2).胶凝材料用量及粉煤灰所占比例

    为了保证混凝土的耐久性，混凝土中的胶凝材料总量应在适当的范围内，不仅是最低要求，而且胶凝材料总量不应高于400kg/m3，C35-C40不应高于450kg/M3为C30以下混凝土。大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料与普通硅酸盐水泥一起作为客运专线胶凝材料。矿物掺合料，如粉煤灰的使用，并不是简单地考虑，以降低混凝土成本。首先，混凝土的耐久性是必要的。特别是能有效提高混凝土的抗化学侵蚀能力（包括氯离子腐蚀、硫酸盐腐蚀、碱骨料反应等）。国内外大量研究表明，当粉煤灰掺量大于20%时，提高混凝土耐久性的效果较好，研究数据表明最大粉煤灰掺量可达50%左右。《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》明确规定，在正常情况下，矿物掺合料不得少于胶凝材料总量的20％，混凝土的水灰比不得大于20％。当含量大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。

    (3).含气量的要求

   气体含量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往，由于对混凝土耐久性规律认识不足，仅考虑混凝土的含气量。事实上，在混凝土中适量的引气不仅能提高混凝土的抗冻性，而且能显著减少混凝土的泌水，使混合料中水的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。因此，客运专线规定，即使配制防冻混凝土，其含气量也不得低于2％，是施工质量控制的必要检查项目之一。新型聚羧酸盐高效减水剂可适当提高混凝土的含气量，获得更好的减水保塑效果。

    (4).电通量指标

该指标是客运专线耐久性最重要、最具体的指标。目前，中国还没有国家的电通量测试标准。基于ASTM C120 2快速电测量方法的铁路电通量测试方法。实测指标可最大程度地判别和评价混凝土的密实度，密实度是影响混凝土耐久性的最关键因素。过去常用抗渗性来评价混凝土的密实度，但实践证明，抗渗性试验仅适用于判断低强度混凝土的密实度。当强度等级超过C30时，抗渗等级几乎可以达到P20以上。这是采用电通量指数代替不透水标号控制混凝土耐久性的主要原因。混凝土的电通量主要取决于水胶比。该定律是通过大量实验获得的。当水胶比小于0.5时，基本能满足小于2000的电通量要求，当水胶比小于0.45时，基本能满足小于1500的电通量要求。