高速能混凝土運(yùn)用技術(shù)

1、 第一章 水 泥 第一節(jié) 水泥的類別和性能 一、我國水泥的類別 水泥是混凝土中，也是高性能混凝土中最重要的一種膠凝材料，它的選擇直接影響混凝土的性能和成本。我國水泥種類很多，按照不同的劃分方法可分為不同的類型(見表11)。 隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如生料的均化和原料預(yù)均化技術(shù)的發(fā)展，烘干兼粉磨設(shè)備的不斷改進(jìn)，水泥新型干法窯(懸浮預(yù)熱器窯和窯外分解窯)不但大大第3頁降低了熟料的能耗，產(chǎn)量大幅提高，而且熟料質(zhì)量完全可與濕法生產(chǎn)的熟料相媲美，已成為當(dāng)前世界各國水泥工業(yè)主要發(fā)展的窯型。目前，我國大型水泥廠一般均為新型干法窯。 二、水泥品種 配制高性能混凝土主要選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，特殊情況下

2、，還可選用其他幾種類型的水泥。在高性能混凝土中，如果選用含有各種混合材的水泥，必須弄清楚水泥中礦物混合材的品種、細(xì)度和摻量，在進(jìn)行高性能混凝土配合比設(shè)計時必須扣除水泥中混合材摻量，并在大量試配基礎(chǔ)上確定各組分的用量。 1硅酸鹽水泥 凡是由硅酸鹽水泥熟料、o5石灰石或高爐礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥分為兩種類型，不摻混合材料的稱為I型硅酸鹽水泥，代號PI，在硅酸鹽水泥粉磨時摻加不超過水泥質(zhì)量5石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱為n型硅酸鹽水泥，代號P，廣泛用于各種混凝土或鋼筋混凝土工程。 2普通硅酸鹽水泥 凡由硅酸鹽水泥熟料、6一15混合材料、適量石膏磨細(xì)制成

3、的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥(簡稱普通水泥)，代號PO。按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GBl75)，普通水泥中摻活性混合材料時，最大摻量不得超過15，其中允許用不超過水泥質(zhì)量5的窯灰或不超過水泥質(zhì)量10的非活性混合材料來代替；摻非活性混合材料時，最大摻量不得超過水泥質(zhì)量10。普通水泥廣泛用于各種混凝土或鋼筋混凝土工程。 3礦渣硅酸鹽水泥 凡由硅酸鹽水泥熟料、粒化高爐礦渣和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為礦渣硅酸鹽水泥(簡稱礦渣水泥)，代號PS。水泥中?；郀t礦渣摻加量按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為20一70，允許用石灰石、窯灰、粉煤灰和火山灰質(zhì)混合材料中的一種材料代替礦渣，代替數(shù)量不得超過水泥質(zhì)量的8，替代后水泥

4、中?；郀t礦渣不得少于20。該水泥具有水化熱較低、耐蝕性和耐熱性較好等特點(diǎn)；但泌水性和干縮性較大，抗凍性較差，早期強(qiáng)度較低(但后期強(qiáng)度增進(jìn)率較快)。礦渣硅酸鹽水泥可用于地面、地下、水中各種混凝土工程中。 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥 凡由硅酸鹽水泥熟料、火山灰質(zhì)混合材和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥(簡稱火山灰水泥)，代號PP。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 第二章 礦物外加劑 在混凝土中加入礦物外加劑一般可達(dá)到下列目的：減少水泥用量，有的還可以改善混凝土的工作性；降低水化熱；增進(jìn)后期強(qiáng)度；改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性和抗腐蝕能力；抑制堿集料反應(yīng)等。 在高性能混凝土中所用的各種超磨細(xì)的礦物

5、原料與以前用于水泥混合材的礦物原料在作用和性能上有顯著不同。當(dāng)?shù)V渣與熟料混磨時，由于礦渣比熟料難磨，熟料磨到一定細(xì)度后，礦渣仍不夠細(xì)(當(dāng)前生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥中礦渣細(xì)度為250mzk8左右)，以致礦渣水泥的保水性差、早期強(qiáng)度低，其混凝土的耐久性不好。表21為用硅酸鹽水泥熟料加入4二水石膏磨至比表面積為305mzkg的硅酸鹽水泥(P1)，在其中分別摻入40比表面積為310mzkg的礦渣和比表面積為700m2k2的磨細(xì)礦渣等量取代硅酸鹽水泥，配成礦渣硅酸鹽水泥(SP和SC)的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。 從表中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻人普通細(xì)度礦渣的SP水泥各齡期強(qiáng)度(ad，7d，28d)都低于硅酸鹽水泥強(qiáng)度

6、，而摻人磨細(xì)礦渣的SC水泥各齡期強(qiáng)度都顯著高于硅酸鹽水泥PI的強(qiáng)度。這說明普通細(xì)度的礦渣由于顆粒較粗，水化慢；而磨細(xì)礦渣由于顆粒較細(xì)，水化快，并發(fā)揮了磨細(xì)礦渣的填充和改善集料界面作用，所以各齡期強(qiáng)度都較高。將兩者加以區(qū)分是必要的，美國也稱這類摻合料為礦物外加劑(mineral admixture)。 國標(biāo)GBT18736高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑明確規(guī)定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨細(xì)的各種礦物摻合料又被稱作礦物外加劑，其主要特征是磨細(xì)礦物材料，細(xì)度比水泥顆粒小，主要用于改善混凝土的耐久性能和工作性能。本書把高性能混凝土中加人的這類礦物材料統(tǒng)稱為礦物外加劑。 國標(biāo)GBT 18736高強(qiáng)

7、高性能混凝土用礦物外加劑規(guī)定了常用的礦物外第12頁加劑(磨細(xì)礦渣、硅灰、粉煤灰和磨細(xì)天然沸石四類產(chǎn)品)的技術(shù)性能要求。這四種礦物外加劑是當(dāng)前使用中量大面廣的、條件較成熟的，其他種類的礦物外加劑(如煅燒煤矸石、磨細(xì)石灰石等)也有研究和應(yīng)用，但實(shí)際用量相對較少。下面分別介紹這四個品種礦物外加劑的基本情況、性能及對高性能混凝土的影響。 第一節(jié) 磨細(xì)曠渣 一、磨細(xì)礦渣的來源及產(chǎn)量 礦渣是在煉鐵爐中浮于鐵水表面的熔渣，排出時用水急冷，得到水淬礦渣，生產(chǎn)礦渣水泥和磨細(xì)礦渣用的都是這種粒狀渣。磨細(xì)礦渣是將這種粒狀高爐水淬渣干燥，再采用專門的粉磨工藝磨至規(guī)定細(xì)度，在混凝土配制時摻人的一種礦物外加劑。 我國每年

8、高爐礦渣排量約為4000萬噸以上，大約有3400萬噸被水泥工業(yè)利用，作為水泥混合材與水泥熟料、石膏一起粉磨，生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，已有相當(dāng)長的歷史。在共同粉磨時，由于礦渣較水泥熟料難以磨細(xì)，在水泥中顆粒較粗，所以礦渣水泥中礦渣的水化活性難以得到充分發(fā)揮，給礦渣硅酸鹽水泥混凝土帶來一些缺點(diǎn)，如混凝土早期強(qiáng)度低、易泌水、耐久性差。 隨著粉磨技術(shù)的不斷發(fā)展水淬高爐礦渣開始被加工成商品磨細(xì)礦渣粉(比表面積400m2k日以上，有些甚至達(dá)到800mzk8)，并且逐漸在混凝土中得到應(yīng)用，這時的磨細(xì)礦渣與前邊提到的水泥混合材概念是完全不一樣的。它作為輔助性膠凝材料，等量替代水泥，在混凝土拌和時直接加入餛凝土中，

9、可以改善新拌混凝土及硬化混凝土性能，使礦渣的利用價值更上一層樓。將這一大宗工業(yè)廢渣轉(zhuǎn)化為高附加值的磨細(xì)礦渣產(chǎn)品，符合環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。在我國推廣和應(yīng)用磨細(xì)礦渣，正是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的具體舉措。目前，我國有關(guān)磨細(xì)礦渣的研究、生產(chǎn)和工程應(yīng)用已進(jìn)人新的發(fā)展階段；水淬高爐礦渣這一大宗工業(yè)廢渣已經(jīng)開始轉(zhuǎn)化為高附加值的磨細(xì)礦渣產(chǎn)品在工程中應(yīng)用。 磨細(xì)礦渣所采用礦渣的化學(xué)成分應(yīng)符合GBT 2031994用于水泥中的?；郀t礦渣的要求。礦渣粉磨時分兩種情況，一是單純的磨細(xì)礦渣；二是在粉磨時可以揍人適量的石膏，根據(jù)國內(nèi)外研究和使用經(jīng)驗(yàn)，摻入適量的石膏可以提高混凝土的早期強(qiáng)度及其他有關(guān)性能，因此允許

10、在粉磨時摻人適量的石膏，所用石膏的性能應(yīng)符合GB丁54831996石膏和硬石膏的規(guī)定，摻量以S03為控制指標(biāo)，應(yīng)小于4。由于礦渣較為難磨，為提高粉磨效率，在礦渣粉磨時還允許摻入不大于礦渣質(zhì)量1的助磨劑，所摻助磨劑應(yīng)符合JC丁667水泥粉磨第13頁工成網(wǎng) 第三章 集 料 集料，又稱骨料，是混凝土的主要組成材料之一，在混凝土中約占34。正確選擇集料的品種是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)。集料在傳統(tǒng)混凝土中主要起骨架作用和減少由于膠凝材料在凝結(jié)硬化過程中干縮濕脹所引起的體積變化，同時還作為膠凝材料的廉價填充料。在高性能混凝土中，集料用量、品種、性能等對流動性、強(qiáng)度和耐久性都有影響：在自流平混凝土中，良好的集

11、料粒形對增加流動度很有益：在高強(qiáng)混凝土中，由于水膠比小，水泥石強(qiáng)度提高，集料的差異對混凝土強(qiáng)度影響很大，必須選擇自身強(qiáng)度高的集料，才能得到高強(qiáng)、超高強(qiáng)的混凝土；集料中如果含有蛋白石、玉髓、微晶石英等礦物成分就有可能導(dǎo)致堿集料反應(yīng)的發(fā)生，會引起混凝土膨脹開裂，甚至破壞，極大地影響混凝土的耐久性等。本章介紹高性能混凝土用粗、細(xì)集料的性能及對高性能混凝土性能的影響(輕集料等其他集料在本叢書其他分冊中介紹，本章略去)，重點(diǎn)突出集料堿活性的檢測和判定。由于京津塘地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展地區(qū)之一，建設(shè)規(guī)模較大，工程用集料安全問題非常重要，在本章還介紹了對該地區(qū)集料進(jìn)行堿活性普查以及建立安全型礦山等方面的研究

12、成果。 第一節(jié) 集料分類和性能 高性能混凝土中常用的集料有卵石、碎石和砂。卵石，又稱為礫石，是自然條件作用(如水流沖刷)下形成的天然無棱角粒狀材料，特點(diǎn)是表面光滑，與水泥石的黏結(jié)力不如碎石，但松堆空隙率較小，可減少膠凝材料用量，增加拌和物的流動性。碎石是用天然巖石經(jīng)破碎篩分而得的顆粒狀材料，表面粗糙，材質(zhì)的均勻性較好，與水泥石的黏結(jié)性能比卵石好，在同樣條件下用碎石配制的混凝土，較用卵石配制的混凝土強(qiáng)度略高。 一般高性能混凝土工程細(xì)集料以采用河(江)砂居多，山砂與海砂較少。按其加工方法不同，可分為天然砂和人士破碎砂兩大類。河砂因長期受流水沖洗，顆粒成圓形，人工破碎砂是將天然石材破碎而成的，或加工

13、粗集料過程中產(chǎn)生的碎屑，在資源日漸緊張的今天，一些符合建筑用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的尾礦砂也在工程中使用。粗細(xì)集料的一些物理和化學(xué)性能對高性能棍凝土的影響很大。第51頁 一、粗集料 對粗集料的質(zhì)量要求主要包括：顆粒級配、針片狀顆粒含量、含泥量、泥塊含量、強(qiáng)度(巖石抗壓強(qiáng)度和壓碎指標(biāo)值)、堅固性、有害雜質(zhì)含量和堿活性。 石于級配對節(jié)約水泥和保證混凝土和易性有很大關(guān)系，關(guān)于集料粒徑及級配對高強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度的影響，已有許多試驗(yàn)研究結(jié)果。粗集料最大粒徑是其公稱粒徑的上限。該值愈大，則集料的總表面積愈小，混凝土的用水量也愈小，水泥用量也愈小。但該值過大，使混凝土的和易性變差，易產(chǎn)生離析。集料粒徑超過40mm后，

14、由于集料比表面積的減小和混凝土不均勻性的增大，致使混凝土集料粒徑越大，混凝土強(qiáng)度越低。故ACl363委員會報告指出，集料最大粒徑應(yīng)盡量小。我國許多工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是，配制C60一C80的混凝土，集料最大粒徑應(yīng)在20mm左右， 針、片狀顆粒含量是評定粗集料質(zhì)量的指標(biāo)。凡顆粒的長度大于該顆粒所屬粒級平均粒徑24倍者稱為針狀顆粒；厚度小于平均粒徑的o4倍者稱為片狀顆粒。一般地說，針、片狀顆粒主要存在于碎石中，尤其是變質(zhì)巖中的板巖經(jīng)破碎后的針、片狀顆粒較多，它們對混凝土拌和物和易性有明顯的影響，且對高強(qiáng)度等級混凝土的影響更大一些。如針、片狀顆粒含量增加25，高強(qiáng)度等級混凝土的坍落度約減少12mm，而對中

15、、低強(qiáng)度等級混凝土僅減少6mm。另外，針、片狀顆粒的存在對混凝土的抗折強(qiáng)度也有一定的影響。 集料物理力學(xué)性能及礦物成分對高強(qiáng)高性能混凝土的影響是一個比較復(fù)雜的問題。一些試驗(yàn)資料表明，當(dāng)采用質(zhì)地較軟、強(qiáng)度較低的石灰?guī)r作集料時，隨著混凝土水灰比的減小，混凝土強(qiáng)度的增幅會逐漸下降，集料強(qiáng)度成了制約混凝土強(qiáng)度增長的關(guān)鍵因素。在高強(qiáng)高性能低水灰比的混凝土中，采用致密的石灰石作集料的混凝土，其強(qiáng)度較卵碎石作集料的棍凝土明顯增大，即集料品種對高強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度影響很大。 粗集料的強(qiáng)度用巖石的立方體(或圓柱體)強(qiáng)度和壓碎指標(biāo)兩種方法表示。一般要求巖石的抗壓強(qiáng)度值與混凝土強(qiáng)度等級之比應(yīng)不小于15。 采用石灰石

16、碎石、花崗巖碎石和輝綠巖碎石三種碎石進(jìn)行了混凝土強(qiáng)度方面的試驗(yàn)，以確定其對混凝土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)用粗集料粒徑均為520mm。表31是三種碎石的篩分試驗(yàn)結(jié)果。 利用這三種碎石進(jìn)行摻硅灰和磨細(xì)礦渣以及不摻礦物外加劑的混凝土試驗(yàn)?；炷僚浔纫姳?2，其抗壓、劈張和抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表33。 表32試驗(yàn)結(jié)果表明，在水膠比為o25o26的情況，三種巖石混凝土拌和物的坍落度和坍落流動度值基本相似，說明這三種巖石對新拌混凝土工作性能 第四章 化學(xué)外加劑 原則上在普通混凝土中使用的化學(xué)外加劑都可以在高性能混凝土中使用，但是根據(jù)高性能混凝土性能要求和施工工藝，最重要的三類化學(xué)外加劑是高效減水劑、泵送劑和引氣劑

17、。 第一節(jié) 高效減水劑 高效減水劑是制備高性能混凝土必不可少的技術(shù)措施之一，由于它的正確使用，才能使得高性能混凝土的水灰比降得很低，具有良好的工作性，以及坍落度經(jīng)時損失小，以得到均勻的混凝土拌和物。 1962年， 日本花王石堿公司的服部健一博士研制成功了萘系高效減水劑；1963年，德國研制成功蜜胺高效減水劑，開始了最早的高效減水劑生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代中后期，這兩類高效減水劑也相繼在我國開發(fā)研制成功，并投入生產(chǎn)應(yīng)用。到20世紀(jì)70年代末80年代初，為了充分利用地方性原材料，降低生產(chǎn)成本，蒽系高效減水劑應(yīng)運(yùn)而生。而最近的5年，新品種高效減水劑快速發(fā)展，脂肪族高效減水劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑、改

18、性蜜胺類高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑相繼研制成功并投入生產(chǎn)，極大地豐富了我國高效減水劑的市場，滿足了各種混凝土工程的需要。2003年高效減水劑的總產(chǎn)量達(dá)到926萬噸，見表41。當(dāng)前可用于制備高性能混凝土的高效減水劑主要有：萘磺酸鹽甲醛縮合物(萘系高效減水劑)；三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物(蜜胺系高效減水劑)；氨基磺酸鹽(氨基磺酸鹽系高效減水劑)；(脂肪族高效減水劑)；聚羧酸鹽系高效減水劑。 一、萘系高效減水劑 萘系減水劑是芳香族磺酸鹽甲醛縮合物。此類減水劑主要成分為萘或萘的同第78頁系物磺酸鹽與甲醛的縮合物，屬于陰離子表面活性劑。 萘系高效減水劑是在高溫下將熔融的萘用濃硫酸磺化，選擇的磺化條件是

19、盡可能多地生成萘磺酸，避免生成o萘磺酸和多萘磺酸。然后廣萘磺酸用甲醛在酸性和高溫條件下縮合，甲醛和萘的比例決定縮合的程度，縮合后的產(chǎn)物用氫氧化鈉或氫氧化鈣中和，如用氫氧化鈣中和要通過過濾除去沉淀物，這樣就得到所需的液體產(chǎn)品。經(jīng)噴霧干燥或者離心干燥即可得到粉狀的固體產(chǎn)品。萘系高效減水劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是憎水性的主鏈為亞甲基連接的雙環(huán)或多環(huán)的芳烴，親水性的官能團(tuán)則是連在芳環(huán)上的一S03M等，其結(jié)構(gòu)如圖41所示。 萘系高效減水劑根據(jù)其產(chǎn)品中NazS04含量的高低，可分為高濃型產(chǎn)品(Na2S04含量5)和低濃型產(chǎn)品(Na2S04含量5)?，F(xiàn)場攪拌混凝土?xí)r，一般摻加粉狀外加劑，Na2S04含量高低影響不大。在

20、商品混凝土中，多采用液體外加劑，低濃萘系產(chǎn)品在氣溫較低時易產(chǎn)生NagS04結(jié)晶，影響計量精度和使用效果。為了降低產(chǎn)品中的結(jié)晶程度和徹底消滅結(jié)晶現(xiàn)象，生產(chǎn)廠一般采用KOH、Ca(OH)z代替NaOH進(jìn)行中和，或者增加低溫抽濾的工序?qū)azS04除去，生產(chǎn)高濃萘系高效減水劑。 萘系高效減水劑在推薦摻量下的減水率一般在15一25，基本上不影響混凝土的凝結(jié)時間，引氣量低(10-6、71X10-6、44XlO 6，ld的自收縮值分別占到28d自收縮的77、64、44和29。根據(jù)宮澤伸君等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水灰比為o4時，自收縮占總收縮的40；水灰比為o3時，自收縮占50；水灰比為o17時，自收縮占100。因此

21、，在高強(qiáng)高性能混凝土中，自收縮比在普通混凝土中大得多，特別是早期自收縮占到很高的比例。 混凝土的自收縮已日益引起材料界與工程界的重視與關(guān)注，在礦物外加劑對高性能混凝土自收縮影響因素方面取得了大量的成果。大量礦物外加劑摻人高性能混凝土中會使混凝土產(chǎn)生自收縮，即使混凝土的水灰比在o4o5時，摻用硅灰也會引起混凝土的較大自收縮，在低水灰比的高性能混凝土中，硅灰引起的自收縮更為顯著。礦渣細(xì)度小于400m2k8時，對減小混凝土自收縮有利，隨礦渣摻量的增大，自收縮減小；當(dāng)細(xì)度大于400m2k8時，礦渣活性明顯提高，引起自收縮增大，這時，混凝土自收縮隨其摻量的增大而增大；但當(dāng)摻量大于75時，因?yàn)槟z凝材料活性

22、減低過多而使得混凝土自收縮減小。另外，混凝土中水泥漿體含量越大、水泥細(xì)度越大、試件尺寸越大，自收縮越大。 高性能混凝土結(jié)構(gòu)致密，碳化收縮值很小，可在干縮測量時一并考慮；而其塑性收縮可采用早期保溫和調(diào)整配合比等方法加以控制。因此，自收縮就成為影響高性能混凝土產(chǎn)生裂縫的最主要因素：早期產(chǎn)生較大的自收縮，彈性模量增長迅速，受約束的高性能混凝土構(gòu)件容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。 關(guān)于高性能混凝土自收縮產(chǎn)生機(jī)理和自收縮模型目前都停留在推測和預(yù)測階段，尚沒有深入的理論分析與經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究來證實(shí)。 二、高性能混凝土的自收縮測定方法 高性能混凝土的自收縮測定不僅需要精確的量測方法，而且需要從混凝土初

23、凝即開始測定，另外還需要保證被測試體系(試件)與外界無水分交換，因此，要準(zhǔn)確地測試混凝土的自收縮難度較大。 目前，高性能混凝土自收縮研究的方法不同，得出的結(jié)論也不完全相第八章 高性能混凝土的耐久性能 第一節(jié) 混凝土抗凍性能評價方法 近20年來，水泥基材料的耐久性問題已成為水泥基材料科學(xué)與技術(shù)研究中的熱點(diǎn)，其對國民經(jīng)濟(jì)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益及對工程安全性的重要性愈來愈被人們所重視。普通混凝土耐久性試驗(yàn)方法在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8285中已有規(guī)定，但是高性能混凝土耐久性能比普通混凝土要求更高，在研究高性能混凝土過程中還開發(fā)了一些新的試驗(yàn)室方法和現(xiàn)場試驗(yàn)方法用于測評其耐久性能。 在寒冷地區(qū)，凍融環(huán)境作用

24、往往是導(dǎo)致混凝土破壞的主要因素之一?？箖鲂赃€可以間接地反映混凝土抵抗環(huán)境水侵人和抵抗冰晶的能力，因此，混凝土的抗凍融性能是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究高性能混凝土的耐久性最重要的一個方面就是提高混凝土的抗凍融循環(huán)破壞能力?！熬盼濉惫リP(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土的安全性研究”中設(shè)專題研究了混凝土的抗凍性，開發(fā)了新型引氣劑，對混凝土抗凍性進(jìn)行定量化設(shè)計，開發(fā)應(yīng)用了高抗凍和超抗凍混凝土。本章簡述國內(nèi)外混凝土抗凍性試驗(yàn)方法。 一、美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗凍性能試驗(yàn)方法 美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)列有三種抗凍試驗(yàn)方法：“混凝土快速凍融試驗(yàn)方法”、“受凍混凝土臨界膨脹量試驗(yàn)方法”、“商品混凝土砌塊和相關(guān)混凝土構(gòu)件凍融耐久性評

25、估試驗(yàn)方法”。 1混凝土快速凍融試驗(yàn)方法 美國ASTMC666“混凝土快速凍融試驗(yàn)方法”推薦了兩種在試驗(yàn)室內(nèi)快速測定混凝土抗凍性能的方法，規(guī)定凍融循環(huán)溫度為一17844(o40 T)，25h完成一次循環(huán)。冰凍可以將試樣浸沒于水中(方法A)或置于空氣中(方法B)，兩種方法的融化都在水中進(jìn)行。方法A和方法B融化所需的時間分別不得少于總循環(huán)時間的25和20。 此試驗(yàn)持續(xù)循環(huán)300次(或連續(xù)，或間歇)或進(jìn)行到動彈性模量降到初始值的60時為止。該方法規(guī)定用DF表示耐久性系數(shù)，且DF由下式計算：第186頁 耐久性系數(shù)值小于40，則混凝土被認(rèn)為是不合格的，而超過60則可以認(rèn)為性能良好。這兩種方法常被用來評估

26、集料和混凝土的整體耐久性。方法A特別嚴(yán)格，因?yàn)榇蟛糠衷嚰罱K徹底水飽和并破壞。混凝土遭受水中凍融循環(huán)表現(xiàn)較差。該方法主要缺點(diǎn)是不切實(shí)際的高速凍融，因?yàn)槌^3Ch的速率范圍在實(shí)際條件下是很少碰到的。 2受凍混凝土臨界膨脹量試驗(yàn)方法 ASTM C671“受凍混凝土臨界膨脹量試驗(yàn)方法”規(guī)定，用慢凍快融制度，每2周凍融循環(huán)一次，試件凍結(jié)溫度為一94C，融解溫度為17C。測試混凝土在試驗(yàn)期間的線膨脹，以此來評價其破壞。試驗(yàn)一直進(jìn)行到達(dá)到臨界膨脹(即膨脹開始明顯增加)或達(dá)到需要的循環(huán)次數(shù)。即測前后兩次循環(huán)線膨脹的增大值，如試驗(yàn)結(jié)果超過o02，試件被認(rèn)為是不抗凍的。雖然這一試驗(yàn)方法在凍融制度上更接近實(shí)際，但

27、該方法用得較少，因?yàn)槠洳僮鬟^程比其他試驗(yàn)方法勞動量更大，耗時更多。 3混凝土砌塊和相關(guān)混凝土構(gòu)件凍融耐久性評估試驗(yàn)方法 ASTMCl26295“混凝土砌塊和相關(guān)混凝土構(gòu)件凍融耐久性評估試驗(yàn)方法”是一種采用測定混凝土受凍融后質(zhì)量損失來確定混凝土耐久性的方法。該方法規(guī)定，試件凍結(jié)溫度為一15C 5_28C，時間為45h，融解溫度為183239C，時間為2572h。試驗(yàn)結(jié)果用每8至12次循環(huán)后剝蝕混凝土的干重占開始試驗(yàn)混凝土試件干重的分計和累計百分?jǐn)?shù)表示，分計和累計百分?jǐn)?shù)越大，混凝土的抗凍性越差。 二、前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗凍性試驗(yàn)方法 前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)FOCTl006076“混凝土抗凍性試驗(yàn)方法”中規(guī)定了四

28、種混凝土抗凍性能的測定方法。 1普通法 該方法以規(guī)定尺寸的立方體試件(1001TlnlXl00mmXl00mm、150mmX150mmXl50mm和200mmX 200mmX 200mm)在一15一20C到1520C下所能承受的最大反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)作為混凝土的抗凍標(biāo)號。100mmXloommX第九章 高強(qiáng)高性能混凝土的兩個力學(xué)問題 高強(qiáng)高性能混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)方法與普通混凝土的相似，但是其中有兩個問題需要特別予以重視，一是高強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸系數(shù)，二是高強(qiáng)混凝土的脆性問題。確定前一個問題的答案，可以方便對高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，但解決這個問題需要大量的數(shù)據(jù)積累，第一節(jié)介紹中國建筑

29、材料科學(xué)研究院在這方面開展的一些工作。第二個問題是高強(qiáng)混凝土應(yīng)用中常常被忽略的問題，它關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全問題，本章第二節(jié)研究在高強(qiáng)混凝土在高抗壓強(qiáng)度、高抗折強(qiáng)度條件下的斷裂脆性的變化。 第一節(jié) 高強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺q-系數(shù) 普通強(qiáng)度混凝土(50MPa)10cmXlocra10cm與15cmXl5cmXl5cm的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為o95，但這一系數(shù)是否適合于高強(qiáng)混凝土，這一系數(shù)是隨著強(qiáng)度的增加而變大還是隨著強(qiáng)度的增加而減小，這一直是一個爭論較大的問題。 對高強(qiáng)混凝土的尺寸系數(shù)進(jìn)行研究很有必要，原因如下。 高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度高，5cmXl5cmXl5cm立方體試塊破壞荷載高，

30、當(dāng)混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C60時，破壞荷載約在1350kN以上；當(dāng)混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C80時，破壞荷載約在1800kN以上；而當(dāng)混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C100時，破壞荷載約為2250kN以上。明顯可見，當(dāng)混凝土設(shè)計強(qiáng)度在C60以上時，如果采用15cmXl5cruxl5em立方體試塊，這時的破壞荷載均不在200噸壓機(jī)(目前研究單位和工程單位常用的壓力機(jī))的最佳范圍之內(nèi)，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。 高強(qiáng)混凝土粗集料粒徑一般較小，最大粒徑在20mm以內(nèi)，因此非常適合采用10cmXlocmXlocm的小尺寸試件來評價。 高強(qiáng)混凝土在工程中的應(yīng)用日益廣泛，在配合比設(shè)計和工程驗(yàn)收時常常遇到換算的問題。 關(guān)于高強(qiáng)混凝土立方體

31、抗壓強(qiáng)度尺寸系數(shù)的研究工作，20002002年國標(biāo)GBJ 50081普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)修訂小組組織了近lo個單位進(jìn)行了尺寸系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見表91。從試驗(yàn)情況來看，每個單位得出的高強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸系數(shù)爭論較大，沒有一個公認(rèn)的系數(shù)，無奈只好在修訂后第254頁的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：對不小于C60的混凝土，建議采用15cm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件；使用非標(biāo)準(zhǔn)試件時，尺寸換算系數(shù)應(yīng)由試驗(yàn)確定。 1995年，清華大學(xué)和中國建筑材料科學(xué)研究院承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目高強(qiáng)混凝土力學(xué)性態(tài)的研究中提出高強(qiáng)混凝土的尺寸系數(shù)為o86。重慶建筑工程大學(xué)的蒲心誠教授和中國建筑科學(xué)研究院的韓素芳教授都對高強(qiáng)混凝土立

32、方體抗壓強(qiáng)度尺寸系數(shù)進(jìn)行過研究，一般認(rèn)為是o98。 國外資料顯示，當(dāng)棍凝土強(qiáng)度為C60一ClIO時，混凝土強(qiáng)度的換算系數(shù)為O99左右。 本節(jié)介紹針對C70和C80高強(qiáng)混凝土進(jìn)行尺寸系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果以及對高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度測試的影響因素。 一、C70和C80混凝土的尺寸系數(shù) 按照表92的混凝土配合比配制了高強(qiáng)混凝土，并按照完全相同的配合比成型混凝土試塊，每三個試件為一組，每組lOcmX lOcmX lOcm試件與每組15cmXl5cmXl5cm試件為一對組，每一對組在完全相同養(yǎng)護(hù)、濕潤和加壓速度下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。第十章 高性能混凝土的水化及微觀結(jié)構(gòu) 配制高性能混凝土的兩個基本原則是采用復(fù)合膠凝材

33、料以及低水膠比，一是可以改善硬化混凝土結(jié)構(gòu)，提高耐久性及其他物理力學(xué)性能；二是可節(jié)約硅酸鹽水泥用量，降低對生態(tài)環(huán)境的污染。通常，高性能混凝土的復(fù)合膠凝材料中礦物外加劑的比例可達(dá)3050，水膠比不高于o40o42，對于高強(qiáng)混凝土可低于o30。為了調(diào)整混凝土的工作性，還大量使用多種化學(xué)外加劑，改變了新拌漿體的結(jié)構(gòu)和性能，影響復(fù)合膠凝材料的水化過程及其性能，使其水化過程更加復(fù)雜。 在高性能混凝土中，必須綜合考慮化學(xué)外加劑和礦物外加劑對混凝土性能的影響，以整體論的觀點(diǎn)系統(tǒng)地探討復(fù)合膠凝材料的水化硬化機(jī)理及其影響因素，從而確定適用于高性能混凝土的復(fù)合膠凝材料體系。為此，在“九2E和“十五”國家重點(diǎn)科技攻

34、關(guān)項(xiàng)目的研究工作中，我們用多種微觀分析的方法(TG-DTA、XRD、SEM、ESEM和壓汞測孔等)對配制高性能混凝土所用的復(fù)合膠凝材料在低水膠比條件下的水化硬化過程進(jìn)行了深入研究，以了解礦物外加劑在高性能混凝土中的作用機(jī)理，為優(yōu)化復(fù)合膠凝材料的組成和粉體結(jié)構(gòu)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 磨細(xì)礦渣和粉煤灰是高性能混凝土中常用的兩種礦物外加劑，與水泥組成復(fù)合膠凝材料體系，在高性能棍凝土的水化硬化過程中發(fā)揮著重要作用。 “九五”期間，中國建筑材料科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)在此方面都開展了系統(tǒng)研究1,2。 第一節(jié) 磨細(xì)礦渣水泥二元體系的水化及微觀結(jié)構(gòu) 一、磨細(xì)礦渣對水泥物理力學(xué)性能的影響 采用山東湖田石灰

35、石礦硅酸鹽水泥熟料(旋窯)，加入4二水石膏磨制成硅酸鹽水泥PI；兩種礦渣分別為Sl(普通細(xì)度)和S2(磨細(xì)礦渣)，三種材料的化學(xué)組成和性能列于表101。 在P1中分別加入40的Sl、S2，經(jīng)混合均勻后制得礦渣水泥SP，SC。三種水泥(磨細(xì)礦渣水泥二元體系)的凝結(jié)時間、安定性、膠砂流動度及膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果見表102。第266頁從抗壓強(qiáng)度來看，摻人磨細(xì)礦渣的SC水泥在3d、?d和28d三個齡期都比硅酸鹽水泥P1高，而含普通細(xì)度礦渣的水泥SP則低于相應(yīng)齡期內(nèi)硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度的增長趨勢也與抗壓強(qiáng)度一致，說明磨細(xì)礦渣S2有增強(qiáng)作用，7d強(qiáng)度增長最為明顯；從28d強(qiáng)度看，加入磨細(xì)礦渣s2使水泥強(qiáng)

36、度提高了1個等級，而SP水泥28d強(qiáng)度也達(dá)到554MPa，說明Sl礦渣的活性也很好，但是因其顆粒較Sz要粗得多，故而其水硬性還未充分發(fā)揮；而Sz由于顆粒細(xì)，水化時反應(yīng)較快，早期就生成大量的水化產(chǎn)物，從而提高了水泥的強(qiáng)度。圖lol表示了水泥抗壓強(qiáng)度與水化齡期的關(guān)系。 二、化學(xué)結(jié)合水法測反應(yīng)程度 在已硬化的水泥中，水的存在形式可分為非化學(xué)結(jié)合水(存在于孔隙中)及化學(xué)結(jié)合水(作為水化物組成)，其化學(xué)結(jié)合水量隨水化物增多面增多，即隨著水化程度的提高而提高。 已硬化水泥石中的化學(xué)結(jié)合水可采用燒失量法測定。將水泥反復(fù)調(diào)水、養(yǎng)護(hù)、粉碎，再調(diào)水、養(yǎng)護(hù)至最后兩次測得的化學(xué)結(jié)合水量不變時，即為完全水化，此時所測的

37、含水量即為完全結(jié)合水量，在本實(shí)驗(yàn)中5次調(diào)水就可達(dá)到完全水化。第十一章 高強(qiáng)高性能混凝土的配制 第一節(jié) 高強(qiáng)高性能混凝-k配合比設(shè)計方法 高強(qiáng)高性能混凝土是指C50以上強(qiáng)度等級的高性能混凝土，它具有高耐久性、高強(qiáng)度和高工作性的特點(diǎn)。其配合比設(shè)計與普通混凝土不同，首先要保證耐久性要求，由于其組成材料比普通棍凝土多，因此配合比設(shè)計也更加復(fù)雜。國內(nèi)外在高性能混凝土設(shè)計方法上有一些研究成果，甚至達(dá)到高性能混凝土配合比設(shè)計的計算機(jī)化，在大量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，把影響高性能混凝土性能的各種參數(shù)及現(xiàn)有材料性能輸入后即可給出試配的配合比。但目前大多數(shù)高性能混凝土設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)方法，一般都是根據(jù)工程要求、現(xiàn)有的高強(qiáng)混凝土配

38、合比設(shè)計方法及高性能混凝土的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計初步配比，然后通過試配，經(jīng)調(diào)整后確定最終配合比。 目前在高性能混凝土配合比設(shè)計方法方面，國外不同學(xué)者提出的方法中比較經(jīng)典的有以下幾種1。 一、法國路橋?qū)嶒?yàn)中心(LCPC)建議的方法 該方法是關(guān)于60一100MPa高強(qiáng)高性能混凝土的配合比設(shè)計，其主要思想是在模型材料上進(jìn)行大量的試驗(yàn)，用膠結(jié)料漿體進(jìn)行流變試驗(yàn)，用砂漿進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，這樣可以避免用直接的方法優(yōu)化高性能混凝土參數(shù)時所需進(jìn)行的大量試驗(yàn)。該方法以經(jīng)過校驗(yàn)的Feret公式為主預(yù)測抗壓強(qiáng)度。 二、日本阿部道彥采用的配合比計算方法 日本阿部道彥等在參加日本“新RC計劃”研究中，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對設(shè)計強(qiáng)度

39、為36MPa以上的混凝土，提出在適當(dāng)?shù)脑牧线x定和給定配制條件下的混凝土配合比計算流程，在該流程圖中，混凝土配制強(qiáng)度、空氣含量和坍落度是給定的。其特點(diǎn)是采用Abrams公式計算水膠比，并考慮含氣量的影響，其余步驟都是經(jīng)驗(yàn)表格。 三、Mehta和Aitcin推薦的高強(qiáng)高性能混凝土配合比確定方法 該方法是在現(xiàn)有高強(qiáng)高性能混凝土實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對主要配合比設(shè)計參第287頁數(shù)做出假設(shè)，從而得到試拌用第一盤配料的配合比。其基本步驟如下。 (1)確定混凝土的配制強(qiáng)度 (2)估計拌和水量 拌和水量由表1l1查出1)。 (3)計算漿體體積組成 Mehta等認(rèn)為，采用適當(dāng)集料時，固定漿體與集料的體積比為35，

40、65，可以很好地解決強(qiáng)度、工作性和體積穩(wěn)定性之間的矛盾，配制出理想的高性能混凝土。 用漿體o35m3，減去上一步估計用水量和o02m3的含氣量，按礦物外加劑的摻量計算漿體中各組分的體積含量，見表112，表中礦物外加劑的摻量分為三種情況： 情況1是不摻礦物外加劑，只用水泥； 情況2是用占總膠結(jié)料體積約25的優(yōu)質(zhì)粉煤灰(或者磨細(xì)礦渣)等量取代水泥； 情況3是用占總膠結(jié)材料體積約10的硅灰和15的優(yōu)質(zhì)粉煤灰(或者磨細(xì)礦渣)混合等量取代水泥。 (4)估計集料用量 集料的總體積為o65ma，粗細(xì)集料的體積比可由表113查出。 (5)估算混凝土中各種材料用量 常用原材料的密度為：硅酸鹽水泥314gCm3，

41、粉煤灰和磨細(xì)礦渣258cm3，天然砂265gcm3，普通礫石或碎石270gcm3。根據(jù)其所占體積，計算各種材料的用量，計算結(jié)果見表114。 第十二章 中等強(qiáng)度等級混凝土的高性能化 “九五”期間，在國家科技部、國家自然科學(xué)基金委等部門的支持下，我國一些科研單位和高等院校對高強(qiáng)高性能混凝土(C60C100)進(jìn)行了大量的研究，取得了具有國際先進(jìn)水平的進(jìn)展和研究成果。但由于設(shè)計、施工、經(jīng)濟(jì)等原因，目前高強(qiáng)高性能混凝土在工程中的用量尚較少，表121是北京市混凝土協(xié)會統(tǒng)計的2003年第二季度北京市90個預(yù)拌混凝土企業(yè)不同強(qiáng)度等級混凝土的生產(chǎn)情況。 從表121和圖121的統(tǒng)計數(shù)字可以看出，強(qiáng)度大于C50的混凝土不足混凝土總量的5，使用較多的還是C50以下的中低強(qiáng)度混凝土。這與目前全國混凝土的生產(chǎn)情況是類似的。 如果能實(shí)現(xiàn)C30一C50的中等強(qiáng)度普通混凝土的高性能化，在我國將具有更為重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義和社會效益。已故吳中偉院士曾指出，對中等強(qiáng)度混凝土和一般混凝土高性能化的研究具有更為重要的意義。這進(jìn)一步明確了高性能混凝土不一定要求高強(qiáng)，更重要的是滿足工程耐久性和使用壽命的要求。第306頁 中等強(qiáng)度等級混凝土高性能化的目標(biāo)是提高工作性能、提高耐久性能、降低成本，其含義如下。 工作性：大流動性、低坍落度損失、減少泌水