大佛寺长江大桥C60高性能混凝土的研究与应用

混凝土 2008-07-08

　　摘要：随着科学技术不断地进步和工程发展的需要，高性能混凝土的观念被越来越广泛地接受．硅粉掺和料作为混凝土改性材料引起广泛重视．在混凝土中掺加一定量的硅粉或以硅粉取代部分水泥，结合应用高效减水剂．使混凝土各方面性能都能得到显著改善．因此，在当今许多混凝土工程场合和领域．硅粉已成为配制高性能混凝土不可缺少的部分．

　　关键词：高性能混凝土；硅粉；掺和料；研究与应用

　　1 概述

　　重庆大佛寺大桥是一座双塔双索面漂浮体系预应力斜拉桥．大桥主跨450m，主塔高206.8 m．全桥工艺复杂，施工难度大．从14#悬浇节段开始，混凝土强度等级为C60高强度混凝土．从混凝土生产地点到浇筑地点，最大水平泵送距离约为350m，垂直泵送距离约为8Om．施工要求混凝土流动度大，工作性能好．混凝土配制强度：R3≥58 MPa，R28≥75 MPa。
坍落度为200～220 mm，坍落度扩展值≥550mm．混凝土拌和物初凝时间为16～18h．这给混凝土生产、施工带来新的课题。

　　2 原材料选择

　　2.1 水泥

　　选用江津地维水泥厂“地维”牌 P.0625#R水泥、P.0525#R水泥．通过发现：采用P.0625#R水泥和P.0525#R水泥，配合比R28强度皆能满足设计要求；但采用P.0525#R水泥，R3强度略差．在掺用了硅粉的情况下．高标号水泥更能发挥硅粉的火山灰活性，故拟采用P.0625#R水泥。

　　2.2 集料

　　粗集料：小南海石场的5～25mm碎石．单轴抗压强度：117MPa。

　　细集料：五风溪中砂．细度模数Mx=2.4。

　　2.3 掺和料

　　掺和料为埃肯增密微硅粉，是硅铁或金属硅生产过程中的副产品，比重为2.2kg／cm3，平均径粒为0.1μm,约为水泥颗粒直径的1／100，松散容重为500～700kg／m3.

　　2.4 外加剂
　　
　　外加剂选用重庆江韵牌 FDN—T40—50A型高效泵送剂．缓凝时间为16～18h(可随施工季节变化来调节缓凝时间)．

　　2.5 拌和水

　　拌和水为饮用水，符合《混凝土拌和用水》JGJ63—89标准要求

　　3 混凝土配制

　　为了使试验更具科学性和高效率．保证确定配合比，并能得出全面的结论．决定利用正交设计安排试验．假定混凝土湿容重γ =2 450kg／m3，砂率Sp=40%，外加剂掺量(胶凝材料总量的百分比)为1.2％．通过分析，因素和水平安排如表 1。

　　混凝土采用机械搅拌，振动成型．标准养护，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm混凝土搅拌投料顺序：骨料→硅粉+水泥→干拌40s→拌和水→搅拌60s→外加剂→搅拌6Os→出料。

　　1)影响坍落度的主次顺序为：B水胶比→C硅粉掺量→A水泥用量；影响坍落度扩展值的主次顺序为：B水胶比→A水泥用量→C硅粉掺量；影响R28强度的主次顺序为：B水胶比→C硅粉掺量→A水泥用量；影响R288强度主次因素为：A水泥用量→C硅粉掺量→B水胶比。

　　2)在考核坍落度、坍落度扩展值、R3强度这 3个指标中，水胶比是至关重要的因素；而对于R28强度，虽然水泥用量是主要因素．但这里面应含有硅粉的因素，亦即单位体积内，水泥用量大的，硅粉的绝对重量也大．由于试验结果皆大于配制强度，原则上可在试验范围内任选一个水平．综合平衡各方面的因素，优选配合比结果为A2B2C2。

　　各项考核指标试验误差及变差系数见表 3．优选的A2B2C2配合比见表 4

　　4 混凝土性能

　　4.1 硅粉在混凝土中的作用机理

　　在普通混凝土中．水泥净浆与骨料之间的界面过渡区的强度一般低于净浆浆体强度．混凝土内部泌水易受到骨料颗粒的阻挡而聚集在骨料下面．形成多孔界面．在骨料界面过渡区形成的氢氧化钙要多于其他区域．有关资料表明，硅粉提高混凝土强度的关键在于提高水泥浆体与骨料之间的粘结强度，将对强度不利的氢氧化钙转化为水化硅酸钙凝胶，并填充在水泥水化物之间，促进混凝土强度的增长和密实度的提高．硅粉与氢氧化钙反应，氢氧化钙不断被消耗，会加快水泥水化，从而提高混凝土的早期强度．

　　4.2 新拌混凝土工作性能

　　4.2.1 混凝土容重

　　据88组混凝土资料统计，新拌混凝土容重在2431～2525kg／m3之间．平均容重为2463kg／m3．

　　4.2.2 颜色

　　掺加硅粉的混凝土颜色比不掺的要深.呈暗灰特别是在混凝土塑性阶段表面呈潮湿状态时如此.

　　4.2.3 混凝土流动度

　　在试验过程中发现，采用传统的坍落度测试方法难以准确全面地评价塑性粘度明显较大高性能混凝土的流动度．根据有关资料推荐，我们采用测量坍落度扩展值、坍落度、L型流动速度来综合评价混凝土拌和物的流动度．A2B2C2配合比流动性能见表5。

　　掺入一定量的硅粉，可使大流动度混凝土拌和物保持适当的粘度，不离析、不泌水．通过试验发现，当硅粉掺量大于9%时，在坍落度相同的情况下．硅粉掺量大的混凝土显得粘滞，而坍落度扩展值和L型流动速度相对要小很多．这样，即使是在混凝土坍落度很大的情况下，也不容易泵送。

　　由于硅粉有很大的比表面积，其颗粒表面湿润所需水量相对也较大，因此，掺加硅粉混凝土与普通混凝土相比，在微调水胶比的同时，加大高效减水剂的掺量，以确实提高混凝土强度，保持混凝土良好的流动性。

　　砂率、砂的细度模数对高强度高性能混凝土的流动性也有显著影响．较高的砂率或较小的细度模数，都会使细集料总比表面积增大，造成混凝土拌和物需水量增加，对混凝土强度或流动性产生不利的影响．对于高强度高性能混凝土，一般要求中粗砂，细度模数大于2.7。受条件的限制，试验只有采用细度模数为2.1～2.3的砂．最佳砂率的确定显得尤为重要。

　　从表 6可以看出，1#～6#配合比在相同水胶比、水泥用量、外加剂掺量的条件下。砂率在38%～48%变化时,在粗骨料级配稍差时，坍落度变化不明显，而坍落度扩展值则随砂率增大而有减小的趋势．1#配合比虽然在坍落度、坍落度扩展值等方面达到最大值，但粗骨料稍有外露，有轻度离析的感觉．2#配合比综合考虑各方面的因素，认为4O%的砂率是合适的。

　　4.2.4 凝结时间和坍落度经时损失

　　缓凝时间和坍落度经时损失的大小对输送距离较长的泵送混凝土施工关系重大.

　　为了满足施工的需要，配合比采用具有缓凝成分的复合高效减水剂，在30℃，相对湿度90％的条件下，缓凝时间为16h，而混凝土终凝硬化后。强度迅速增长．

　　4.3 硬化后混凝土的性能

　　4.3.1 抗压强度

　　通过对水胶比为0.33，高效减水剂掺量为1.2％的两组配合比，做对比试验．

　　4.3.2 轴心抗压强度与弹性模量

　　硅粉混凝土和普通混凝土一样，轴心抗压强度和弹性模量随强度增长而增长．

　　4.3.3 抗渗性

　　由于混凝土中掺加了硅粉，高细度的硅粉颗粒在使毛细孔尺寸降低的同时，切断了许多连通孔，因而大幅度地降低了混凝土的渗透性．

　　4.3.4 干缩

　　干燥前的潮湿养护时间和硅粉掺量是影响硅粉混凝土干缩率的主要因素．湿养护时间超过28d，硅粉混凝土的干缩率与普通混凝土基本相同．早期干燥，则硅粉混凝土的干缩率随硅粉掺量增大而提高．

　　就高强度混凝土而言，硅粉混凝土的干缩率比同强度的混凝土干缩率要低．

　　5 结论

　　1)本次试验通过正交设计，确定了大流动度硅粉混凝土的理论配合比，对掺加硅粉的混凝土性能进行比较全面、系统的分析．认为：混凝土掺加硅粉，辅咀高效复合减水剂，不仅能减少单位水泥用量，而且赋予了混凝土一系列高性能；高标号水泥和硅粉合理地组成，匹配使用优质高效复合减水剂，是配制高性能混凝土的重要基础条件和有效途径之一。

　　2)在一定条件下，水胶比是影响高性能混凝土强度的最主要的因素。

　　3)混凝土中掺加硅粉、高效复合减水剂，使混凝土力学性能、长期耐久性得以全面的提升。

　　4)对强度等级 C60混凝土，硅粉掺量在 5%～7%(水泥重量百分比)之间是适宜的．过高的掺量会引起混凝土粘度增加，坍落度扩展值明显减小，对混凝土泵送施工不利，也是不经济的。

　　5)掺加硅粉的混凝土宜采用高效减水剂．在相同的流动度下，硅粉混凝土中的高效减水剂掺量应大于普通混凝土中高效减水剂的掺量。

　　6)超缓凝、高早强本身就是混凝土硬化过程中的一对矛盾体．运用硅粉和高效复合减水剂很好地解决了这个问题．优选出的配合比初凝时间为16h；终凝时间为20h；3d强度为62.2MPa．坍落度、坍落度扩展值90min经时损失分别为原初始值的79，81%。

　　7)掺加硅粉的混凝土搅拌、振捣时间要相对延长。

　　8)传统的坍落度法对大流动度混凝土工作性能(可泵性)不能作出准确、客观的评价，应辅以其他检测方法(如 L型流动搜、测量坍落度扩展值等)综合评价大流动度混凝土工作性能。

　　通垃本次试验，我们对掺加硅粉掺和料的高性能混凝土有了初略的认识，准备在此基础上．对高性能混凝土在工程上的应用、监控作进一步的试验、分析和研究．以期对高性能混凝土能有新的、更完备的认识。

参考文献：

[1] 林宝玉，吴绍章．混凝土工程新材料设计和旖工[Z]．1998

[2] 挪威埃肯集团公司应用徼硅粉配置高强／高性静混凝土和低回弹喷射混凝土[Z]，1999