在桥梁工程中高性能混凝土抗压强度影响因素探讨

2010-03-05尚宏伟

河南建材 2010年2期

尚宏伟，张立

1中材建设有限公司（063030） 2河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

高性能混凝土被认为是在高强混凝土基础上的发展和提高，也可以说是对高强混凝土的进一步完善。但是将高性能混凝土（HPC）与高强混凝土（HSC）混为一谈是不确切的。高性能混凝土不仅可以用天然材料构成制品[2]，而且可以采用大量的工业废料制成复合性能的高强混凝土,如具有高强度、耐磨损、抗高温且在寒冷、低温冻融循环下性能不变、徐变小、硬度高，低透水性或不透水等性能。本文结合京沪高速常州至无锡段高性能混凝土的使用情况,评价时速350 km/h客运专线中高性能混凝土的强度状况。

1 高性能混凝土配合比设计

试验重点为粉煤灰、矿粉作掺合料对HPC性能改善的影响。将胶凝材料用量、水胶比和矿物掺合料掺量作为考察的影响因素，粉煤灰与矿粉的比例固定为3:1。

时速350 km/h客运专线梁体采用C50混凝土。由江苏省恒来建材股份有限公司生产的P.042.5水泥性能满足GB175—2007和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》要求。

矿物掺合料粉煤灰（FA）为常州国发电厂I级粉煤灰，矿粉（SL）为张家港恒昌新型建筑材料有限公司S95江苏沙钢矿渣粉。

砂采用江西省赣江江砂，颗粒级配满足n区要求，细度模数为2.9，中砂。

粗骨料采用南京金石磊碎石,颗粒级配符合5～26.5mm的连续级配，最大粒径为20mm，其中粒径为5～16mm的碎石占40%，粒径为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 抗压强度试验结果分析

表2 抗压强度试验结果

由表1和表2可以看出,在试验因素水平变化范围内,矿物掺合料掺量、胶凝材料总量、水胶比都对混凝土抗压强度有不同程度的影响。

2.1 3 d强度分析

为了直观比较,通过趋势图分析强度指标与影响因素的关系。

由图1可得出以下结论:

1）各因素影响对3d抗压强度影响的顺序为:矿物掺合料掺量、胶凝材料总量、水胶比，且三个因素对3d抗压强度的影响都很显著。

2）矿物掺合料掺量体现了矿粉和粉煤灰都影响早期强度，但对3 d抗压强度来说30%是最佳掺量[4]。

3）随着胶凝材料用量的增加，混凝土空隙率变小、密度增强、强度增大，而达到一定程度后，胶材用量的增加对强度影响不大甚至下降，420 kg的胶凝材料总量对3 d抗压强度来说是个最不利值。

4）水胶比越大，抗压强度越小，它们之间有良好的线性关系。

2.2 7 d强度分析

从图2可得出以下结论：

1）各因素影响对7d抗压强度影响的顺序为:水胶比、矿物掺合料掺量、胶凝材料总量。

2）矿物掺合料掺量对7 d抗压强度来说30%是其最佳掺量。

3）随着胶凝材料用量的增加，混凝土空隙率变小，密实度增强，强度增大。

4）水胶比越大，抗压强度越小[5]。

2.3 28 d强度分析

从图3来看，可得出以下结论:

1）各因素影响对28d抗压强度影响的顺序为:水胶比、矿物掺合料掺量、胶凝材料总量。

2）矿物掺合料掺量影响早期强度，但随掺量的增加，28d的抗压强度越高。

3）随着胶凝材料用量的增加，混凝土空隙率变小、密实度增强、强度增大，而达到一定程度后，胶材用量的增加对强度影响不大甚至下降，420 kg的胶凝材料总量对28 d抗压强度来说是个最不利值。

4）水胶比越大，抗压强度越小，它们之间有个良好的线性关系。

2.4 56 d强度分析

在试验因素水平变化范围内,水胶比的极差最大说明水胶比对试验指标即56 d混凝土强度的影响最大,是主要因素;矿物掺合料掺量次要因素;胶凝材料总量影响不大[6]。

1）各因素对56 d抗压强度影响的顺序为:水胶比、矿物掺合料掺量、胶凝材料总量。

2）矿物掺合料掺量影响后期抗压强度，并随掺量的增加，56 d的抗压强度越高。

3）随着胶凝材料用量的增加，混凝土空隙率变小，密实度不断增强、强度逐渐增大，而达到一定程度后，胶材用量的增加对强度影响不大甚至下降，420 kg的胶凝材料总量对56 d抗压强度来说是个最不利值。

4）水胶比越大，抗压强度越小。

3 各因素对抗压强度增长的作用分析

3.1 水胶比

水胶比是影响抗压强度的第一因素,混凝土抗压强度随着水胶比的增大而减小。这是由于水泥水化的结合水一般只占水泥质量的23%左右，为了获得必要的流动性，常需加入多余的水。混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残留在混凝土中，形成毛细孔、气孔或水泡，使水泥石有效断面减弱，而且在空隙周围还可能产生集中应力。因此，水灰比越小混凝土的强度越高[7]。严格控制水胶比是保证高性能混凝土强度的关键。

3.2 矿物掺合料

硅酸盐水泥中的基本熟料矿物是 C3S、C2S、C3A、C4AF，其中主要的强度贡献是C3S、C2S,它们在水泥石中的含量最多(约75%)，水化产物主要是钙硅比为6～1.9的高碱度水化硅酸钙(C/S＞1.5)和游离石灰，和低碱度的水化硅酸钙(C/S＜1.5)相比强度要低得多。水泥水化过程中生成的大量游离石灰强度很低、稳定性很差，在水泥石和集料界面富集并结晶成粗大晶粒，成为混凝土中的薄弱环节[8]。

掺入活性混合材后,活性SiO2可以和游离石灰和高碱度水化硅酸钙发生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱度水化硅酸钙,这样水泥石中的游离石灰可以被消除或减少[9]，水化硅酸钙胶凝物质的质量得到提高，组成得到优化，胶凝物质的数量大幅度增加,水泥石与集料的界面得到改善。因此混凝土的强度、耐久性得到大幅度提高。

水胶比为0.36时,抗压强度值随矿掺比增加先减小后增大，在40%是个低点,40%掺量的混凝土3 d、7 d、14 d、28 d和56 d强度为掺量 30%混凝土强度的 62%、60%、77%、88%和 90%，而 50%掺量的混凝土的 3 d、7 d、14 d、28 d和56 d强度为矿物掺合料掺量30%混凝土强度的73%、76%、88%、93%和99%，矿物掺合料掺量对早期强度影响较大，对后期影响很小。

随着龄期的增长，矿掺料活性效应逐渐发挥，到后期时抗压强度基本上与纯水泥混凝土相当,矿掺料的掺入会降低混凝土的早期抗压强度，但对后期抗压强度影响不大。

3.3 胶凝材料总量的影响

各龄期混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量的增大大致都在降低，粉煤灰掺量的增多使早期强度降得很多[10]，但后期强度相差却不是太大。粉煤灰取代水泥掺入混凝土中，造成水泥熟料的减少，必然生成C-S-H的量减少，所以造成混凝土早期强度的下降。随着水泥水化产物与粉煤灰二次水化反应的进行，水泥水化生成的C-S-H的量增加，混凝土的强度增大，时间越长，水化生成的C-S-H的量就越多，混凝土的强度就越高。当掺粉煤灰的混凝土与未掺粉煤灰的混凝土产生C-S-H的量相接近时，二者强度就相差不大。这就是为什么掺粉煤灰对混凝土早期强度影响较大而对后期强度影响较小原因[11]。

同时可以看出单掺粉煤灰时的强度比复掺时降低很多，说明复掺的效果要优于单掺。复掺时各种不同颗粒粒径的胶凝材料之间相互填充,使拌水前的胶凝材料粉体实现紧密堆积。从而获得良好级配，减小孔隙率，增加强度，同时也可降低混凝土的渗透性[12]。