尚宏偉， 張 立

1中材建設(shè)有限公司（063030） 2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

高性能混凝土被認(rèn)為是在高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可以說(shuō)是對(duì)高強(qiáng)混凝土的進(jìn)一步完善。但是將高性能混凝土（HPC）與高強(qiáng)混凝土（HSC）混為一談是不確切的。高性能混凝土不僅可以用天然材料構(gòu)成制品[2]，而且可以采用大量的工業(yè)廢料制成復(fù)合性能的高強(qiáng)混凝土,如具有高強(qiáng)度、耐磨損、抗高溫且在寒冷、低溫凍融循環(huán)下性能不變、徐變小、硬度高，低透水性或不透水等性能。本文結(jié)合京滬高速常州至無(wú)錫段高性能混凝土的使用情況,評(píng)價(jià)時(shí)速350 km/h客運(yùn)專(zhuān)線中高性能混凝土的強(qiáng)度狀況。

1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)重點(diǎn)為粉煤灰、礦粉作摻合料對(duì)HPC性能改善的影響。將膠凝材料用量、水膠比和礦物摻合料摻量作為考察的影響因素，粉煤灰與礦粉的比例固定為3:1。

時(shí)速350 km/h客運(yùn)專(zhuān)線梁體采用C50混凝土。由江蘇省恒來(lái)建材股份有限公司生產(chǎn)的P.042.5水泥性能滿(mǎn)足GB175—2007和《客運(yùn)專(zhuān)線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》要求。

礦物摻合料粉煤灰（FA）為常州國(guó)發(fā)電廠I級(jí)粉煤灰，礦粉（SL）為張家港恒昌新型建筑材料有限公司S95江蘇沙鋼礦渣粉。

砂采用江西省贛江江砂，顆粒級(jí)配滿(mǎn)足n區(qū)要求，細(xì)度模數(shù)為2.9，中砂。

粗骨料采用南京金石磊碎石,顆粒級(jí)配符合5～26.5mm的連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為20mm，其中粒徑為5～16mm的碎石占40%，粒徑為10～20mm的碎石占60%。

表1 混凝土配合比（每立方米混凝土材料）

2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表1和表2可以看出,在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi),礦物摻合料摻量、膠凝材料總量、水膠比都對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有不同程度的影響。

2.1 3 d強(qiáng)度分析

為了直觀比較,通過(guò)趨勢(shì)圖分析強(qiáng)度指標(biāo)與影響因素的關(guān)系。

由圖1可得出以下結(jié)論:

1）各因素影響對(duì)3d抗壓強(qiáng)度影響的順序?yàn)?礦物摻合料摻量、膠凝材料總量、水膠比，且三個(gè)因素對(duì)3d抗壓強(qiáng)度的影響都很顯著。

2）礦物摻合料摻量體現(xiàn)了礦粉和粉煤灰都影響早期強(qiáng)度，但對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)30%是最佳摻量[4]。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小、密度增強(qiáng)、強(qiáng)度增大，而達(dá)到一定程度后，膠材用量的增加對(duì)強(qiáng)度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是個(gè)最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越小，它們之間有良好的線性關(guān)系。

2.2 7 d強(qiáng)度分析

從圖2可得出以下結(jié)論：

1）各因素影響對(duì)7d抗壓強(qiáng)度影響的順序?yàn)?水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量對(duì)7 d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)30%是其最佳摻量。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小，密實(shí)度增強(qiáng)，強(qiáng)度增大。

4）水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越小[5]。

2.3 28 d強(qiáng)度分析

從圖3來(lái)看，可得出以下結(jié)論:

1）各因素影響對(duì)28d抗壓強(qiáng)度影響的順序?yàn)?水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量影響早期強(qiáng)度，但隨摻量的增加，28d的抗壓強(qiáng)度越高。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小、密實(shí)度增強(qiáng)、強(qiáng)度增大，而達(dá)到一定程度后，膠材用量的增加對(duì)強(qiáng)度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是個(gè)最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越小，它們之間有個(gè)良好的線性關(guān)系。

2.4 56 d強(qiáng)度分析

在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi),水膠比的極差最大說(shuō)明水膠比對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)即56 d混凝土強(qiáng)度的影響最大,是主要因素;礦物摻合料摻量次要因素;膠凝材料總量影響不大[6]。

1）各因素對(duì)56 d抗壓強(qiáng)度影響的順序?yàn)?水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量影響后期抗壓強(qiáng)度，并隨摻量的增加，56 d的抗壓強(qiáng)度越高。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小，密實(shí)度不斷增強(qiáng)、強(qiáng)度逐漸增大，而達(dá)到一定程度后，膠材用量的增加對(duì)強(qiáng)度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對(duì)56 d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是個(gè)最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越小。

3 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的作用分析

3.1 水膠比

水膠比是影響抗壓強(qiáng)度的第一因素,混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小。這是由于水泥水化的結(jié)合水一般只占水泥質(zhì)量的23%左右，為了獲得必要的流動(dòng)性，常需加入多余的水?；炷劣不?，多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中，形成毛細(xì)孔、氣孔或水泡，使水泥石有效斷面減弱，而且在空隙周?chē)€可能產(chǎn)生集中應(yīng)力。因此，水灰比越小混凝土的強(qiáng)度越高[7]。嚴(yán)格控制水膠比是保證高性能混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。

3.2 礦物摻合料

硅酸鹽水泥中的基本熟料礦物是 C3S、C2S、C3A、C4AF，其中主要的強(qiáng)度貢獻(xiàn)是C3S、C2S,它們?cè)谒嗍械暮孔疃?約75%)，水化產(chǎn)物主要是鈣硅比為6～1.9的高堿度水化硅酸鈣(C/S＞1.5)和游離石灰，和低堿度的水化硅酸鈣(C/S＜1.5)相比強(qiáng)度要低得多。水泥水化過(guò)程中生成的大量游離石灰強(qiáng)度很低、穩(wěn)定性很差，在水泥石和集料界面富集并結(jié)晶成粗大晶粒，成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)[8]。

摻入活性混合材后,活性SiO2可以和游離石灰和高堿度水化硅酸鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿度水化硅酸鈣,這樣水泥石中的游離石灰可以被消除或減少[9]，水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)的質(zhì)量得到提高，組成得到優(yōu)化，膠凝物質(zhì)的數(shù)量大幅度增加,水泥石與集料的界面得到改善。因此混凝土的強(qiáng)度、耐久性得到大幅度提高。

水膠比為0.36時(shí),抗壓強(qiáng)度值隨礦摻比增加先減小后增大，在40%是個(gè)低點(diǎn),40%摻量的混凝土3 d、7 d、14 d、28 d和56 d強(qiáng)度為摻量 30%混凝土強(qiáng)度的 62%、60%、77%、88%和 90%，而 50%摻量的混凝土的 3 d、7 d、14 d、28 d和56 d強(qiáng)度為礦物摻合料摻量30%混凝土強(qiáng)度的73%、76%、88%、93%和99%，礦物摻合料摻量對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，對(duì)后期影響很小。

隨著齡期的增長(zhǎng)，礦摻料活性效應(yīng)逐漸發(fā)揮，到后期時(shí)抗壓強(qiáng)度基本上與純水泥混凝土相當(dāng),礦摻料的摻入會(huì)降低混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但對(duì)后期抗壓強(qiáng)度影響不大。

3.3 膠凝材料總量的影響

各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增大大致都在降低，粉煤灰摻量的增多使早期強(qiáng)度降得很多[10]，但后期強(qiáng)度相差卻不是太大。粉煤灰取代水泥摻入混凝土中，造成水泥熟料的減少，必然生成C-S-H的量減少，所以造成混凝土早期強(qiáng)度的下降。隨著水泥水化產(chǎn)物與粉煤灰二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥水化生成的C-S-H的量增加，混凝土的強(qiáng)度增大，時(shí)間越長(zhǎng)，水化生成的C-S-H的量就越多，混凝土的強(qiáng)度就越高。當(dāng)摻粉煤灰的混凝土與未摻粉煤灰的混凝土產(chǎn)生C-S-H的量相接近時(shí)，二者強(qiáng)度就相差不大。這就是為什么摻粉煤灰對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響較大而對(duì)后期強(qiáng)度影響較小原因[11]。

同時(shí)可以看出單摻粉煤灰時(shí)的強(qiáng)度比復(fù)摻時(shí)降低很多，說(shuō)明復(fù)摻的效果要優(yōu)于單摻。復(fù)摻時(shí)各種不同顆粒粒徑的膠凝材料之間相互填充,使拌水前的膠凝材料粉體實(shí)現(xiàn)緊密堆積。從而獲得良好級(jí)配，減小孔隙率，增加強(qiáng)度，同時(shí)也可降低混凝土的滲透性[12]。

4 小結(jié)

1）高性能混凝土相關(guān)因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不是單一的，是會(huì)相互影響的，分析的結(jié)果只能說(shuō)明大致的走向。

2）水膠比的影響和普通混凝土一樣隨水膠比的增大抗壓強(qiáng)度減小，且兩者有良好的線性關(guān)系。

3）隨著礦摻比的增大抗壓強(qiáng)度呈先減小后增大的趨勢(shì)，有一個(gè)最佳摻量，但最佳摻量受水膠比和齡期的影響。

4）隨著膠凝材料總量的增加，抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，也有個(gè)最佳膠材量，最佳摻量受水膠比的影響。

5）粉煤灰比例的變化在前期影響比較大，到后期變化不大，這時(shí)候粉煤灰在充當(dāng)水泥的性能。

[1]初少鳳,施養(yǎng)杭.高性能混凝土的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].低溫建筑技術(shù),2007,120(6):4-6

[2]唐建華,蔡基偉,周明凱.高性能混凝土的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].國(guó)外建材科技,2006,27(3):11-15

[3]兆海,劉子全,王波.高性能混凝土的應(yīng)用發(fā)展[l].福建建材,102期:7-10

[4]王國(guó)繁,李高峰,彭建.高性能混凝土的研究應(yīng)用與展望[J].甘肅科技,2006(1):5-11

[5]吳中偉.綠色高性能混凝土與科技創(chuàng)新[J].筑材料學(xué)報(bào),1998(l):7-13

[6]李崇智,馮乃謙,李永德.聚v酸類(lèi)高性能減水劑的研究進(jìn)展[J].化學(xué)建材,2001(6)

[7]Sersale R.火山灰和粉煤灰的特性.第七屆國(guó)際水泥化學(xué)會(huì)議論文選集[M].中國(guó)建筑工業(yè)版社,1985:321

[8]袁潤(rùn)章,高瓊英,歐陽(yáng)世翁.礦渣結(jié)構(gòu)與水硬活性及其橄發(fā)機(jī)理[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1987(3):13-16

[9]海超,何世欽,仲偉秋.高性能混凝土的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用與設(shè)計(jì)方法概述[J].混凝土,2002(2):36-40:6-12

[10]客運(yùn)專(zhuān)線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件.2005(5):6-12

[11]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999(9):102-114

[12]程凱書(shū),張敏.淺談客運(yùn)專(zhuān)線高性能混凝土施工[J].山西建筑,2006(5)