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1、西部高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性设计及施工技术【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载西部高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性要求一、西藏地区混凝土桥梁所处的环境特征:1、负温环境。西藏桥梁处于多年冻土区深居大陆内部,远离海洋，具有独特的冰缘干寒气候特征,寒冷干燥。年平均气温-4,极端最低气温45。2,年负温天数为180d左右。图1是青藏公路沿线每月温度的变化情况。其中从左至右依次标示为最低温、平均温度、最高温.1月份与12月份的平均温度为-23,7、8月份的最高温度也在0左右。可见，西藏地区修建桥梁的困难很大.图1 青藏公路沿线温度调查2、冻土地质。主要为高温极不稳定多年冻土区，另有部分
2、地区为岛状冻土及深季节冻土.多年冻土，厚度30-100cm，如图2所示。多年冻土区典型地温曲线如图3所示。桥梁墩台混凝土受冻破坏如图4所示.混凝土浇筑时，如何保证冻土不受混凝土升温的影响，不受破坏，这是混凝土结构耐久性的新课题。图2多年冻土层厚度30100cm图3多年冻土典型地温曲线图4桥墩受冻剥蚀破坏3、气候干燥、干湿交替频繁与风沙侵蚀因长期干燥，混凝土浇筑后，水分迅速蒸发，使混凝土产生早期收缩开裂，长龄期时会产生收缩开裂。如图5、6所示。风沙大，刮风造成风砂对混凝土的磨损.如图7所示。图5干燥、干湿造成混凝土结构开裂图6混凝土表面失水干缩、早期开裂图7桥梁的风砂磨蚀、钢筋混凝土保护层磨损4
3、、河流中有害离子的侵蚀。青藏公路要经过大约20条河流，其中部分河流的腐蚀性离子很高，对河水中SO42、Cl等侵蚀离子测定表明,水中存在中等程度的侵蚀离子。由上述可见，西藏地区恶劣的自然环境条件，对混凝土结构的性能提出了更高的要求，以确保混凝土的长期性能和耐久性能。二、西藏地区桥梁面临的主要耐久性问题西藏地区修建的桥梁，面临的主要耐久性问题归纳如下：混凝土在低、负温下强度的发展.混凝土的抗冻融性能。因为冻融交替频繁，最低温度低于45，又有各种劣化因子的综合作用,故不能用一般混凝土的抗冻方法,还必须用特殊的标准方法,确定混凝土的抗冻性。盐的腐蚀。包括氯盐、硫酸盐与镁盐等。盐的侵蚀与碳化、干燥、温差
4、与热应力引起的裂缝及冻融开裂等是综合的劣化作用，是耐久性病害的综合症。干燥、温差与热应力引起的开裂。风蚀.对混凝土表面硬度要求甚高。对多年冻土的热扰动，会引起结构的不均匀下沉,开裂破坏。三、高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性设计（1）抗冻性能 混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏,混凝土的抗冻耐久性（简称抗冻性）即指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件。因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使
5、混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降,危害结构物的安全性。一般混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落。而当使用除冰盐时，混凝土表面出现鳞片状剥落。因此西部高寒地区桥梁高性能混凝土抗冻性要求很高,一般不低于F300.混凝土中的含气量与孔结构是影响混凝土抗冻性能的关键.通过掺加引气剂与矿物掺合料提高混凝土的抗冻性。含气量在一定范围内混凝土抗冻性能有很大提高，试验结果表明不同复掺方式对混凝土抗冻性能影响不同。对于C30混凝土：双掺硅灰与矿渣使混凝土含气量在3.5%5%时冻融循环次数能够达到300次,双掺矿渣与粉煤灰、双掺硅灰与粉煤灰在混凝土含气量3.5%5时冻融循环次数能够达
6、到250次。对于C40混凝土：双掺硅灰与矿渣、双掺硅灰与粉煤灰同时使混凝土含气量在57时冻融循环次数能够达到300次,双掺矿渣与粉煤灰在混凝土含气量57时冻融循环次数能够达到250次。对于C50混凝土在双掺与适当引气后能够满足冻融循环次数在300次以上。其中双掺硅灰与矿渣最好，而双掺硅灰与粉煤灰又优于双掺矿渣与粉煤灰.建议混凝土在双掺以及引气状态下C30混凝土含气量控制在3。5%5%为宜，C40混凝土含气量控制在57为宜、C50混凝土含气量控制在57为宜.且在含气量相近时双掺优于单掺.（2）混凝土碳化混凝土在空气中的碳化就是大气环境中的CO2与混凝土中的碱性物质中性化的一个很复杂、缓慢且很漫长
7、的物理化学过程。碳化使混凝土脆性变大，但总体上讲,碳化对混凝土力学性能及构件受力性能的负面影响不大，混凝土碳化的最大危害是会引起钢筋锈蚀。碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋脱钝锈蚀的前提条件，碳化降低了混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响.同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩,这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。因此在西部高寒地区桥梁高性能混凝土进行设计时,抗碳化性必须予以考虑。(3）抗氯离子渗透性氯离子侵入混凝土之后，会破坏混凝土中的碱性环境，引起混凝土中钢筋表面钝化膜的破坏，发生钢筋锈蚀，从而导致结构破坏。在影响钢筋混凝土桥梁
8、耐久性因数中，氯离子引起的钢筋锈蚀被排在首位。处于有氯盐环境下,应对高性能混凝土抗氯离子渗透性提出要求。对于C30、C40混凝土双掺及引气后随着含气量的不断增加各氯离子渗透性能先增加后降低。当含气量在3。5%5%时随着含气量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能有所增强,当超过5%时抗氯离子渗透性能有所降低,但都明显低于基准混凝土在相同含气量时的电通量；对于C50混凝土当含气量在3。55%时随着含气量的增加,混凝土电通量变化不大，当超过5时有略微增加。双掺混凝土能够显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能，同时双掺硅灰与矿渣最好,双掺矿渣与粉煤灰以及双掺硅灰与粉煤灰次之。（4）抗硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀破坏是混凝
9、土耐久性劣化的主要原因之一.硫酸盐对混凝土侵蚀造成混凝土结构的劣化破坏，与盐害、中性化等劣化因子对混凝土结构的劣化不同。硫酸盐作为混凝土结构的劣化外力，通过与水泥中的水化物作用,生成膨胀性的水化产物，使硬化的混凝土开裂、崩裂；外部侵蚀性介质以及空气、水分等扩散渗透进入混凝土内部,使钢筋锈蚀，进一步使结构劣化，失去承载能力。桥梁高性能混凝土若处在含硫酸盐条件下，应对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力提出要求.多元矿物掺合料复掺措施有利于改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀及抗干湿循环性能.该措施中矿物掺合料的成分比例对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有一定影响，在多元矿物掺合料取代水泥总量不变的条件下，随着其中硅灰和矿渣掺量的
10、增加、粉煤灰掺量的降低，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能增强.(5）抗裂性能气候干燥与大的温差都容易引起混凝土的开裂，特别是早期开裂，进而影响结构的耐久性.高寒地区桥梁高性能混凝土必须具备很好的抗裂性能。四、原材料质量控制与管理施工是保证混凝土质量的关键,是结构耐久性设计的组成部分，由于西藏地区特殊的环境，对混凝土的耐久性提出了更高的要求,在混凝土施工过程中应从施工的源头抓起,严把材料质量关。砂、石、水泥、钢筋必须符合质量要求。高寒地区混凝土材料须满足以下要求：钢筋预应力混凝土结构所采用的钢丝、钢绞线和热处理钢筋等的质量，应符合现行国家标准的规定。预应力混凝土用钢丝应符合预应力混凝土用钢丝（GB/T5
11、223）的要求；预应力混凝土用钢绞线应符合预应力混凝土用钢绞线(GB/T5224）的要求;预应力混凝土热处理钢筋应符合预应力混凝土用热处理钢筋（GB4663)的要求；预应力筋进场应分批次验收，验收时，除应对其质量书，包装、标志和规格等进行检查外，尚须按公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）中的相关规范进行检查。水泥选用水泥时，应特别注意其特性对混凝土结构强度、耐久性和使用条件是否有不利影响，应以能使配制的混凝土强度达到要求、收缩小、和易性好和节约水泥为原则，应符合现行国家标准。集料西藏地区桥涵混凝土的细集料、选用坚固性优良、有害物含量小、级配良好的中粗砂。C50以下混凝土用砂含泥量3.
12、0,氯离子含量0。06%，C50以上等级混凝土用砂含泥量2。0%，泥块含量0.1，坚固性5,氯离子0。06.其他技术指标符合相关规范的的规定。细集料的相关试验可按现行公路工程集料试验规程（JTJ E42-2005）执行。桥涵混凝土的粗集料，选用坚固性优良、含泥量小、连续级配、坚硬耐久的碎石、卵石或两者的混合物，最大骨料粒径不得大于40mm。C50以下等级混凝土用粗骨料的含泥量1.0，C50以上等级混凝土用粗骨料的含泥量0.5%，泥块含量0.10%，针片状颗粒含量8%，坚固性5.0%，岩石抗压强度与混凝土强度等级之比1。5.其他技术指标应符合相关规范的规定.当因条件有限不得不使用碱活性骨料时,骨
13、料的砂浆棒膨胀率不应大于0。20%，且混凝土的碱含量应满足铁路混凝土工程预防碱-骨料反应技术条件(TB/T30542002）的规定。否则,应采用具有明显抑制碱-骨料反应功能的外加剂或掺合料并经试验确定。拌和用水拌制混凝土用的水，应符合下列要求：水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质或油脂、糖类及游离酸类等。PH值小于5的酸性水及硫酸盐含量按SO计超过0。27 mg /cm3的水不得使用。外加剂：选用DZ系列低温、早强、耐腐蚀高性能混凝土外加剂，其技术性能指标符合混凝土外加剂（GB80761997)、混凝土防冻剂（JC47592）。高性能混凝土的配制要求高性能混凝土的主要性能特点之一就是高
14、耐久性。要保证西藏高寒地区混凝土的长期耐久性能满足设计和使用要求，就必须按高性能混凝土的配制原则配制西藏高寒地区桥梁结构的混凝土.1） 恒负温高性能现浇混凝土钻孔灌注桩用混凝土的配制原则a采用32。5、42.5级普通硅酸盐水泥、中热水泥或高抗硫水泥；b尽量降低水泥用量；c拌和物的坍落度满足泵送/水下灌注施工要求；e拌合物的温度不超过5；f掺和多功能复合型外加剂，简化现场施工操作程序，保证施工质量;g采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料2）正负温高性能现浇混凝土承台、墩台用的混凝土的配制原则a按施工养护环境养护温度分别为0、-10、20条件考虑;b采用32.5级、42.5级普通硅
15、酸盐水泥、高抗硫水泥；c尽量降低水泥用量；d拌和物的坍落度满足泵送/水下灌注施工要求；e掺和多功能复合型外加剂，简化现场施工操作程序，保证施工质量；f采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料.3)蒸养高性能混凝土预制构件用混凝土的配制原则a桥梁混凝土蒸汽养护温度不超过50；b采用42.5级普通硅酸盐水泥；c掺和高效减水剂和能改善混凝土孔结构的多功能外掺料；d采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料。4）严格控制水胶比和水泥用量根据室内试验及相关的现场试验，为提高高寒地区混凝土的耐久性,不同环境条件下使用的混凝土水灰比和水泥用量应符合表4。3的要求。西藏地区桥梁不同混凝土
16、的最大水胶比与最小胶凝材料用量五、高寒地区桥梁高性能混凝土施工技术高寒地区根据不同的结构形式和环境温度选择不同的施工方法.（1）暖棚法适用于混凝土工程比较集中的区域，尤其适用混凝土量较多的地下基础工程，因为混凝土是正温养护，可以避免混凝土冻害的发生且混凝土强度增长也较快。（2）电热毯法施工较为简单但成本较高,适用于容易包裹的小型构件。采用电热毯加热法成本较高，也可采用棉被包裹混凝土保温措施。负温环境下混凝土施工中的施工技术措施1 现场准备:现场拌合混凝土之前，采用热水冲洗搅拌机，并将积水排除。拌合料所用的水应为饮用水,骨料应级配良好、坚硬，砂子含泥量应在3以内，泥块含量应在1以内；石子含泥量应
17、在1以内,泥块含量应在0。5以内。水泥要采用普通硅酸盐或硅酸盐水泥，强度等级不低于32。5MPa,使用前宜运入暖棚内存放,并提前进行安全性和强度试验,合格后方可使用.防冻剂宜选用硝酸钙（含加气、减水组分更好），掺量按使用说明书，用量为3%,由定量容器加入，不得多加或少加。搅拌前，浇筑工具和人员必须提前到位；模板内不得有杂物，不浇水.2 混凝土搅拌施工中拌制混凝土所用的材料如砂、石、水等均应保持正常温度，为了保证混凝土拌和物入模温度不低于10，出罐温度一般要控制在1318.为保证出罐温度，首先考虑对拌和用水加热，如仍不能满足需要时，再考虑对骨料加热.对负温条件下混凝土搅拌，还应注意以下事项：（1
18、）应在混凝土中加入防冻剂，否则不允许混凝土浇筑施工;（2）水泥只能保温，不得加热；（3）注意搅拌用水加热时水温不得高于60,骨料加热时骨料温度不得高于40；混凝土拌和前，用热水或温水冲洗搅拌机;（3）对骨料的积雪、冻团进行清理，不得装入搅拌机内搅拌；（4)根据混凝土浇筑当天的实际温度,换算出各项材料需要加热的温度,但不得超过上述的最高温度规定;(5）为了保证混凝土的和易性、流动性，可延长拌和时间，一般比常温时延长50。（6）为保证混凝土不出现假凝现象，混凝土搅拌时按照砂石、水、水泥的顺序进行，不得颠倒。3 混凝土浇筑混凝土在浇筑前应清除模板、钢筋上的冰雪和污垢。施工接缝混凝土时，在新混凝土浇筑
19、前应对混凝土接触面用碘钨灯或用热水浇淋接茬部位,确保接头处混凝土温度不低于5，加热深度不小于30cm，预热长度控制在1m左右。浇筑完成后，应采取措施使混凝土接合面继续保持正温，直至新浇筑混凝土获得规定的抗冻强度。4 混凝土养护技术要求对已浇好的混凝土及时覆盖保温养护，筑完成后及时收面。浇筑完后，在混凝土顶部覆盖塑料薄膜及棉被，防止混凝土表面受冻。塑料薄膜覆盖要严密，防止水分散失过快造成混凝土表面开裂。养护时的温度要求：用蓄热法养护时不得低于10；用蒸汽法养护时不得低于5，细薄结构不得低于8。混凝土的养护方法，应根据技术经济比较和规范中“冬季施工热工计算公式”计算确定。养护方法应根据现场的气温、
20、结构物表面系数等多种因素，可选用蓄热法、蒸汽加热法、暖棚加热法或电加热法等方法，以确保混凝土结构物不受冻害。冬季施工期间,在抗压强度达到设计强度的40前，必须防止受冻。高性能混凝土产业化发展的若干思考中国混凝土网 2005-9-7摘要 本文通过对高强高性能混凝土的研究应用回顾，提出了普通混凝土高性能化是今后我国高性能混凝土产业化发展的主导方向，也是解决当前泵送混凝土普遍存在的早期开裂趋势明显的主要技术途径。对制约高性能混凝土产业化发展的水泥品质、现行规范和施工养护工艺等因素作了深入阐述。关键词 高性能混凝土； 产业化发展； 普通混凝土高性能化； 高性能水泥； 混凝土体积稳定性； 配合比设计So
21、me ponderation on the industrial development of high performance concreteXIA Wei(Shanhai Building Material Concrete Product Co ，Ltd. ，Shanghai 202103 ，China)Abstract : It is put forward ，by reviewing on the researches and applicatons of HSC/ HPC ，that the high performing of ordinary concrete is a ma
22、in aim of the industrial development of HPC in the future ，and also is a technical way which will solve cracking problem of ordinary pumping concrete at early age. The influencing factors upon the industrial development of HPC including cement quality， present specification， curing conditions are di
23、scussed.Key words : high performance concrete ； industrial development ；high performing of ordinary concrete ； high performance cement ；volume stability of concrete ； designing of mixing proportion高强高性能混凝土研究应用回顾 20 世纪80 年代中后期掀起的高强混凝土研究热，提升了我国混凝土技术的总体水平，带动了制品成套机械、施工技术和水泥制造等相关产业链的发展。C80C100 的高强混凝土陆续应用
24、于大跨度桥梁、海军工程、先张法PHC 管桩和铁路PC 及轨枕制品等1 。毋庸置疑，高强混凝土工程应用作为一种技术储备，为此后的高性能混凝土研发提供了坚实的理论和实践基础。随着大规模城市改造的建设热潮，预拌混凝土技术的开发普及，泵送混凝土技术日臻成熟。自1981 年上海宾馆首次采用泵送混凝土施工工艺以来，垂直泵送高程以80m 为起点，屡创新高。继1989年158m高的上海南浦大桥主塔采用C40 泵送混凝土后，广东国际大厦创造了一级泵送200m 的纪录，并在顶层飞机坪成功应用了C60 泵送混凝土1；1995 年上海杨浦大桥主塔C50 高强混凝土泵送高度再次被刷新，达到了208m；1997年88 层
25、金茂大厦则创下C40 混凝土一次泵送382.5m 的世界纪录2 。值得一提的是，当时的高泵程混凝土大多属于满足早强要求的高强混凝土范畴。在混凝土质量上， 要求“早强不早凝”，如南浦大桥C40 混凝土要求三天强度达70 % ，凝结时间大于12h。当时的混凝土配比设计大多采用以普通水泥为主，少量掺有10 %的普通粉煤灰并复合缓凝效果的高效减水剂1 。与此同时，以耐久性为标志的高性能混凝土概念引入我国，赋予了现代混凝土技术除满足高强、流态化之外新的技术内涵。由于高性能混凝土符合与时俱进可持续发展的时代理念，它的研发引起了现代混凝土技术的深刻变革。优质矿物外掺料已成为现代混凝土技术中不可或缺的第六组分
26、。上海市率先于1998 年、1999 年颁布实施“高钙粉煤灰混凝土应用技术规程”和“粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程”，为发展高性能混凝土提供了必要的理论依据。同时，粉煤灰的综合利用水平连续多年突破100 % ，粉煤灰已从单一的道路填筑，应用到墙体材料、陶粒制造、水泥和混凝土外掺料及预拌商品砂浆等建材生产各个领域。此外，减水率30 %以上，保塑性、水泥适应性俱佳的氨基磺酸盐系列高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂的研制，功能型复合高性能外掺料的研发，均为高性能混凝土的应用发展提供了强有力的技术支持。其中矿渣微粉作为一种新型可大量替代水泥的活性掺合料，上海市于1997 年起，在矿渣微粉的制成
27、工艺、混凝土材性研究和工程应用方面取得了一系列成果。矿渣微粉混凝土应用的代表作有:1998 年1 月上海教育电视台综合楼基础一次性浇捣C40P6泵送混凝土3000m3，采用矿渣微粉和粉煤灰双掺技术，胶结材用量430kg/m3，水泥用量占46%；明天广场在部分混凝土结构中应用了C80 泵送混凝土3000m3， 在混凝土配比设计中， 采用比表面积为600m2/ kg 的S115 级矿渣微粉替代传统的硅灰，混凝土配制成本较国产硅灰下降9%3 。纵观我国高性能混凝土的应用实践可以发现，高性能混凝土应用局限于少量标志性建筑中的高强等级混凝土，且未见水泥取代率50%以上用于上部混凝土结构的文献报道。如上述
28、明天广场C80 高强混凝土，S115 级矿渣微粉掺量仅20 % ，水泥用量仍高达480kg/m3 ；国家大剧院部分钢管柱采用C100 高强高性能混凝土，复合外掺料占胶结料总量的25% ，水泥用量仍达450kg/m3 。其配比设计的技术路径与“绿色环保”的高性能混凝土设计理念仍有明显差距。另一方面，量大面广的普通C20C40 流动性泵送混凝土却面临着体积稳定性差、早期塑性开裂等耐久性劣化问题，已成为困惑预拌混凝土发展的严峻现实课题。普通泵送混凝土的耐久性提高应该是高性能混凝土产业化发展最具现实意义的主导方向。以普通泵送混凝土C20C30 的胶结材总量(300350)kg/m3 ，就能配制出抗化学
29、侵蚀、干缩小、抗渗性能成倍提高的C40C50 高性能混凝土4 。无论是现实的技术储备，还是预拌混凝土生产水平和泵送施工技术，完全能实现C20C40 流动性泵送混凝土的高性能化。然而，基于对高性能混凝土的认知程度，以及现行规范的约束，高性能混凝土产业化发展依然是任重道远。本文以预拌混凝土行业发展为视角，剖析高性能混凝土产业化发展的若干制约因素，并籍此抛砖引玉，提请有关专家学者共同关注，为我国高性能混凝土发展创造必要的外部环境。2 高性能混凝土的强度、耐久性和工作性2.1 高性能混凝土的强度 高性能混凝土从上世纪九十年代初由美国NIST与ACI 首次提出以来，因不同学者的专业背景视角及认知程度上的
30、差异，至今未有完整明确的概念化定义。但在高强混凝土和高性能混凝土关系上，渐成共识，即“高强混凝土未必高耐久性，高耐久性未必高强”。吴中伟院士曾于1996 年提出，高性能混凝土应包括中等强度混凝土，如C30 混凝土。之后又提出，大量处于严酷环境中的海工、水工结构对混凝土强度要求并不高(C30 左右) ，但耐久性要求却很高。以吴院士的表述推论，对于抗冻混凝土，由于掺加了引气剂，混凝土强度等级不过C30 左右，但其抗冻能力却远胜于C50C60 的高强混凝土。因此不能简单地用强度等级来界定高性能混凝土。普通混凝土高性能化是今后若干年高性能混凝土产业化发展的方向。 国家科委于2001 年关于“十五国家科
31、技攻关计划新型高性能混凝土及其耐久性研究”的批复中指出，应“研制中等强度高性能混凝土和用不同强度等级水泥配制的高性能混凝土，新拌混凝土抗离析好，泌水率低，出机混凝土坍落度18cm 以上，经1.5h 坍落度损失不大于4cm ，保证混凝土有良好的泵送性能和施工性能；硬化混凝土强度等级，冻融循环、氯离子渗透值等达到高性能混凝土的相应性能指标”。2.2 高性能混凝土的耐久性 对于高性能混凝土的耐久性指标，不应强调统一的固化模式，面面俱到一劳永逸的高性能混凝土并不符合我国国情。所谓高性能混凝土，具有特定使用环境下的耐久性，适宜的强度和工作性，满足预期使用寿命的耐久性要求，最大限度地减少预期使用年限内的维
32、护修补费用，同时应符合保护环境，减轻环境负荷可持续发展的设计目标。对一些公共标志性建筑，一次性投入巨大，服务年限内使用维护费用高，可以采用耐久性设计100 年以上的高性能混凝土。表1为国家大剧院工程C100 高性能混凝土的耐久性设计参数。而一般民用建筑设计使用寿命50 年，在耐久性设计方面，应以体积稳定性和抗碳化能力为控制指标。如放射性核素限量、外加剂氨释放量等环境评价合格，即完全满足现代人居环境的要求。普通C30 混凝土经高性能配伍后，足以满足耐久性需求。表1 C100 高性能混凝土的耐久性设计参数配制强度fcu，28115MPa扩展度500mm；3h损失率1%体积稳定性60d收缩310-4
33、抗渗等级P35抗冻融等级F200以上氯离子渗透系数1.510-8cm2/s碳化深度28d0.5mm2.3 高性能混凝土的工作性 高性能混凝土在工作性方面，必须具备较强的保塑性和一定的流动度保持能力。但在流动性指标上，不必拘泥于坍落度大于180mm 以上，扩展度600mm以上或以锥体排空时间表征的流动性限值。只要具有一定的流动性，满足施工所需的和易性、密实性即可。如日本发展自密实免振捣混凝土，是基于减少城市噪音污染和劳动力成本高昂考量。对城市建筑、人口高密度区，配筋稠密的工程，可采用自密实免振捣混凝土。而对一些在一定流动度下，即能满足泵送要求，盲目套用坍落度180mm 以上的量化指示，实属矫枉过
34、正且不符技术经济的合理原则。3 高性能混凝土产业化发展对水泥质量的要求 长期以来，水泥和混凝土分属建材、建工两大系统，历史形成的条块分割格局，不利于高性能混凝土产业发展方向。混凝土技术人员不了解水泥制造工艺，水泥企业不知晓混凝土发展动态。在水泥产品结构上，以高细度、高标号、高早强为标志的“三高水泥”成了近年来水泥质量的发展主流。随着对碱骨料反应的重视，水泥的碱含量才被真正关注。从目前水泥产品的结构和质量现状而言，远远不能适应高性能混凝土对耐久性的要求。因此，高性能混凝土产业化发展的前提条件，是实现水泥的高性能化。3.1 高性能混凝土对水泥矿物组成的要求 在水泥矿物组成中C3A 需水量最大，水化
35、快放热集中，对外加剂吸附量最大，适应性差，抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其是在低温条件下烧成的熟料，析晶出来的C3A 和C4AF 含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。有研究表明，水泥熟料中C3A 含量每增加1% ，标准稠度用水量也同步提高1%；而水泥标准稠度用水量每增加1% ，混凝土用水量相应提高(68)kg/ m3 。另外，水泥净浆流动度随C3A + C4AF总量的减少而提高5 。水泥碱含量越大，对萘系减水剂相容性就越差，凝结时间缩短。 因此，减少水泥熟料中间相C3A 和C4AF 总量是高性能水泥必须具备的主要特征。以C2S 矿物含量达50%以上的高贝利特低热型硅酸盐水泥，被认为是最适
36、宜配制高性能混凝土的品种。该项目已被列入“十五”国家科技攻关计划， 建立强度等级大于52.5MPa ，年产10万吨以上规模的若干示范线。3.2 水泥中的掺合科对配制高性能混凝土的影响 国标GB175-1999“硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥”允许型硅酸盐水泥中掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣，普通水泥中活性混合材掺量不得超过15% ，非活性混合材掺量不得超过水泥质量的10%。允许在水泥生产中掺加混合材是基于各地方充分利用当地自然资源，减少水泥生产对环境负荷的影响，整合地方资源优势。然而，目前水泥质量的严重异化却背离了标准制定者的良好初衷。部分水泥生产厂和粉磨站(配制厂) 提供的普通水泥
37、，其中的混合材种类数量远远突破国际的限定要求，尤其在市场供求关系失衡，价格上扬建设过热的景气条件下，这一现象更加突出。而现行水泥标准对普通水泥烧失量的限值为5 % ，明显过于宽松，使上述企业在混合材使用上更加游刃有余。预拌混凝土企业在水泥验收检验中又往往将烧失量指标忽略，事实上普通水泥的烧失量超过4%已相当普遍，导致当前水泥的需水量明显上升，目前普通水泥的标准稠度用水量均值已突破27 %。同一厂家一年内强度极差超过10MPa不在少数，对外加剂适应性问题日益加剧；部分水泥企业掺入大量轻烧态的火山灰混合材，引起混凝土严重泌水，并使混凝土体积明显减缩，并发生塑性开裂；一些水泥粉磨站(配制厂) 将从不
38、同水泥厂采购的熟料和不同电厂排放的粉煤灰分别混于一仓，用于配制普通水泥；另一些发生水泥购并的集团企业，不同产地的熟料冠以同一牌号销售，致使同一厂家同一牌号的水泥矿物组成差异悬殊，需水量和凝结时间令预拌混凝土企业无法掌控。 尽管水泥行业标准对水泥出厂强度有最低限制要求，但该限值为企业内控指标。对水泥用户验收而言，仍适用于国标，即使水泥实测强度为42.5MPa ，仍为合格品。某预拌混凝土企业使用一水泥中转站(含配制) 提供的P 52.5 水泥，并用大掺量矿粉和粉煤灰配制泵送混凝土，因发生混凝土强度不合格，追溯后发现该批水泥28d 强度仅53.7MPa ，后经多方证实，该水泥中转站在中转环节中，仍大
39、量掺加矿粉和粉煤灰，且达到了普通水泥的掺加水平，但提供的水泥质保单上，28d 强度均大于58MPa 。对利润追求的最大化及市场供求关系的改变，可以使少数水泥企业利令智昏地改变既定的质量管理体系，这着实是一个令混凝土技术人员困惑不已的现实难题。 综上所述，水泥品质的现状已成为制约高性能混凝土产业化发展的严重瓶颈，从高性能混凝土产业化发展着言，水泥生产工艺中应取消掺加混合材，普通水泥应尽快退出历史舞台。允许在水泥生产中掺加混合材，即增加了水泥质量中的不确定因素，给混凝土质量控制带来不可逾越的质量盲点，对混凝土耐久性提高构成潜在威胁。混合材的使用应改由水泥厂的“暗箱”操作为预拌混凝土企业的“阳光”配
40、制，即依据不同的使用功能，选择适宜的功能型掺合料。33 高性能混凝土对水泥细度要求 水泥标准中的细度指标对高性能混凝土配制用水泥并不具有重要意义。过高的细度对外加剂吸附量大，且在低水胶比条件下，易产生自收缩。以同种水泥不同的细度在一定的水灰比和外加剂用量下，净浆流动度随水泥细度的增大而下降6 。一些熟料烧成质量较差的水泥厂，为满足早期强度往往以提高粉磨细度来达到，导致对外加剂适应性变差。此外，水泥颗粒中(430)m 的颗粒对强度贡献最大，大于60m的颗粒仅起填充作用，小于3m 的颗粒对减少泌水，早强有利；水泥颗粒分布窄，颗粒堆积的空隙率大，水泥的标准稠度用水量大，凝结时间长，早期强度低，与外加
41、剂相容性差7 。配制高性能混凝土的水泥，应具有连续的颗粒分布级配，使水泥粉体达到最佳堆积密度，用水量最低，与外加剂匹配性强。因此，高性能混凝土用水泥的细度，应以颗粒分布级配表征，取代目前的细度评价法。4 高性能混凝土的体积稳定性41 提高混凝土体积稳定性的技术途径 预拌混凝土是国家产业发展的基本国策，但由此也引发了混凝土早期开裂的负面影响，普通泵送混凝土28d 干缩值为(36)10-4 ，而高强高性能混凝土因胶结材用量高，采用超细外掺料低水胶比，早期的自收缩可达(24) 10-4 。经试验证实8 ，掺加粉煤灰和矿粉的泵送混凝土从加水至混凝土初凝时段的塑性收缩率更达(1.52.2) %，在一定的
42、约束条件下，早期开裂趋势增强。现代混凝土的体积稳定性问题日益突出，这些体积稳定性涉及到混凝土早期裂缝的形成和扩展。因此，在高性能混凝土产业化发展中，必须引入具有减缩、补偿收缩为功效的设计理念，合理选材，从源头上采取措施提高混凝土的体积稳定性。如三峡大坝混凝土采用中热水泥，并控制水泥中MgO 含量达(3.55.0) %，利用方镁石水化产生体积膨胀，补偿混凝土降温阶段的温度收缩。近年来，流行了以硫铝酸钙膨胀剂为膨胀源补偿混凝土收缩的配合比设计思路，并被大量用于混凝土墙、顶板等上部结构。因钙矾石对养护条件相对苛刻，必须以充分的水份供给为前提，然而目前的施工条件既无法保证垂直墙板的保湿养护，又不能满足
43、顶板的大面积覆盖保湿，顶板浇捣后处于太阳曝晒的情景司空见惯，结果出现了更为严重的干缩裂缝。许多膨胀剂厂商夸大产品功能，利用业主发展商对混凝土抗裂防水的迫切要求，在名称上故弄玄虚，将硫铝酸钙膨胀剂冠以抗裂防水剂，使缺乏材料研究背景的设计院轻易采信，导致因膨胀剂设计使用不当而引发的混凝土开裂事故不断。值得一提的是，具有减缩、补偿收缩双功效的混凝土体积稳定剂的开发，满足了高性能混凝土对体积稳定性的要求9 。以该体积稳定剂(26)%掺入普通粉煤灰、矿粉中，在气干状态下的28d 干缩控制在2.5 10-4以下，在水中的膨胀值为(0.51.5) 10-4，同时也提高了混凝土的抗介质渗透等耐久性能。4.2
44、混凝土体积稳定性研究中的三阶段划分 近年来，在方兴未艾的矿渣微粉研究热中，大量的研究偏重于“大掺量取代”、“活性指数”等强度效应和耐久性提高的复演性试验中，对矿渣微粉的应用技术缺乏深入研究，尤其是对掺矿渣微粉混凝土塑性阶段的泌水性能仍处于研究盲点。对混凝土的体积稳定性研究应包括不可分割的三个阶段：一阶段，从加水到混凝土初凝，混凝土从流动状态到塑性丧失期，此阶段混凝土固相颗粒沉降，伴随泌水发生，体积减缩，为塑性收缩期；二阶段，混凝土初凝之后到24h 龄期，混凝土由塑性转型为弹粘性体，该时段以混凝土自收缩最为显著集中，为自收缩阶段；三阶段，24h 龄期后为干缩期。三个阶段的基准零点界限清晰，测试方
45、法相对独立，其中第三阶段实测的干缩值包含了一部分后期的自收缩。当前学术界较关注于后两个阶段，对第一阶段混凝土塑性收缩率的评价极其影响因素的研究表明8 ，掺矿渣微粉混凝土的塑性收缩率随矿粉掺量的提高而增大，掺量从25%提高至50% ，混凝土的塑性收缩率从2.2 %增至3.6 % ，在钢筋约束条件下，于楼板表层及楼板梁连接处极易发生塑性开裂，这些于混凝土塑性阶段产生的微裂缝，在此后施工外荷载作用下扩展延伸。学术研究中的浮澡性，“大掺量等量取代”在一定程度上误导了一部分预拌混凝土企业，迎合了一部分预拌混凝土企业“降本节支”的需求，忽视了矿渣微粉的颗粒形貌特征对混凝土体积稳定性带来的负面影响。由此可见
46、，在高性能混凝土的体积稳定性研究中，除考虑自收缩和干缩对混凝土的体积稳定性影响外，更不可低估混凝土的塑性收缩对早期开裂的决定作用。建议高性能混凝土的塑性收缩率应控制在1 %以内。5 高性能混凝土的配合比设计5.1 现行规范的适应性 高性能混凝土虽有十多年的研发历史，但迄今为止，国内尚无纲领性的配合比设计指南。除少数对耐久性要求较高的重点项目外，作为预拌混凝土企业具有自主开发愿望的，现行规范对此难以提供有力的技术支持。具体体现在“普通混凝土配合比设计规程”10中关于“最大水灰比”和“最低水泥用量”的表述和理解上：对处于“干燥环境”下“正常居住或办公用房屋内部件”的钢筋混凝土，其“最大水灰比”不得
47、超过0.65 ，最小水泥用量不得小于260kg/m3 。此处的“水灰比”应理解为“水胶比”，“水泥用量”泛指“胶结材总量”。然后该规程在泵送混凝土配合比设计中，又提出了“泵送混凝土的用水量与水泥和矿物掺合料的总量之比不宜大于0.60”“， 泵送混凝土的水泥和矿物掺合料的总量不宜小于300kg/ m3”。此处又十分明确地运用了“水胶比”和“胶结材总量”概念。前后两者的概念表述就本质而言是连贯的，并不矛盾。然而，以表3中的“HPC(A) ”高性能化配合比为例，水胶比为0.50 ，胶结材总量为350kg/m3，完全符合规程要求。但对不谙材料研究的建设监理、施工技术代表而言，可以理直气壮地理解为：水灰比1.0 ，水泥用量175kg/m3，不符规程要求，拒绝混凝土施工浇捣。5.2 高性能混凝土的最大外掺料限量 高性能混凝土配合比设计应以最大限度地减少水泥用量为终极目标，努力减轻水泥混凝土生产对环境负荷的影响程度为己任。据统计，1997 年我国水泥产量达5 亿吨，耗煤5940万吨，标准煤比国外平均水平高41%；电力消耗550亿千瓦时，占全国工业用电量的6.54% ，综合电耗为(115-120) kwh/t ，比国际先进水平高20%30%；石灰石耗用418亿吨，吨水泥耗用0.95 吨0.98 吨；C