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1、耐久性混凝土1 高性能混凝土基本概念高性能混凝土是当今土木工程推广使用界最为广泛的混凝土材料。虽然“高性能混凝土”一词出现只有二十多年的历史，但是至今仍对它没有统一的解释或定义。这里所提到的性能可以包括：易于浇注捣实而不发生离析的性能（工作性能）、长期力学性能、高早期强度、高韧性与良好的体积稳定性、严酷环境下的耐久性。2 客运专线箱梁用高性能混凝土的设计方案2.1 客运专线箱梁混凝土的性能指标为了满足客运专线箱形梁的耐久性设计指标与施工要求，根据客运专线高性能混凝土暂行技术条件，总结混凝土的性能要求有以下几点：1施工性能：坍落度大于等于180mm，30min坍落度保留值180mm，60min坍
2、落度保留值150mm，入模后混凝土拌和物含气量大于等于4.5%；2耐久性：碱-骨料反应（无）、抗冻融循环200次（保护层为300次）、抗渗性P20、抗氯离子渗透1000 C、护筋性良好（不锈蚀）、抗裂性良好（不开裂）。2.2 提高客运专线箱梁高性能混凝土耐久性的技术措施为了满足上述要求，特别是耐久性能，从原材料选择、配合比设计、水化热的控制等方面着手，采取多重防护措施，使其平行启动，保证施工的正常进行与结构物的耐久性。主要采取的措施包括：混凝土密实度的提高措施；针对环境侵蚀性介质所采取的抗侵蚀措施；针对环境物理破坏作用所采取的措施；针对组成材料之间化学作用破坏作用所采取的措施等。2.2.1 改
3、善混凝土密实度的措施混凝土的密实度是混凝土材料耐久性的核心问题。混凝土材料的侵蚀性破坏与物理破坏作用绝大部分是水作为载体侵入到混凝土材料内部所引起。因此改善混凝土的密实度，提高抗渗性能，可显著改善材料和结构的耐久性能。改善混凝土密实度所采取措施有：提高混凝土的强度设计等级；掺加高效减水剂，降低水胶比，抗冻融循环200次（保护层为300次）、抗渗性P20、抗氯离子渗透1000 C混凝土选0.35以下；保证胶凝材料总量达到一定值，应在350kg/m3以上；掺入大量粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺合料；选择颗粒级配和粒形良好、洁净的骨料；掺入引气型减水剂，内部引入一定气体等。目前，国内外大量使用的以耐久性
4、作为设计指标的高性能混凝土，就是提高密实度所获得的高耐久混凝土，客运专线箱形梁的耐久性混凝土也应采用提高密实度的技术措施。2.2.2 提高抗冻融循环破坏能力的措施冰冻期水位发生变化的部位，钢筋混凝土结构容易发生冻融破坏。混凝土中大毛细孔的水结冰时，体积膨胀9%左右，如果体内没有足够的空间容纳，就会产生可能引起开裂的拉力，反复的冻融循环，使混凝土内部的损伤扩大和积累，产生开裂与剥落。冻融破坏取决于混凝土的抗渗性、孔隙率与孔隙结构。提高抗冻融循环破坏能力所采取的技术措施有：提高混凝土的的密实度、掺入引气剂改善混凝土内部孔隙结构与孔隙间距。2.2.3 对环境侵蚀性介质采取的抗侵蚀措施1 提高抗氯离子
5、侵蚀措施氯离子引起的混凝土结构的破坏主要通过钢筋锈蚀来完成。因此为防护氯离子腐蚀所采取的措施包括：降低氯离子扩散速度的措施；提高钢筋阻锈能力的措施；混凝土表面采取防护措施；阴极保护措施等。客运专线箱形梁的耐久性应考虑采用降低氯离子扩散速度的措施。主要包括：提高混凝土的密实度；改善混凝土材料的体积稳定性，防止混凝土开裂。提高混凝土的密实度的主要技术措施除上述以外，需要补充的是适量掺入超细矿物掺合料可以有效降低氯离子在混凝土中的扩散速度。防止混凝土开裂的主要技术措施有：选用低热或中热水泥；掺入大量矿物掺合料降低混凝土的绝热温升；夏季炎热气候条件下掺入缓凝剂降低水化放热速率；夏季施工时采用骨料降温等
6、措施降低混凝土入模温度；提高混凝土的密实度，降低干燥收缩等。2 提高抗硫酸盐与镁盐侵蚀的措施考虑到环境中的硫化物、骨料与混凝土外加剂中含有的硫酸盐物质，通过渗入到混凝土内部后，同水泥石中的氢氧化钙、水化铝酸钙发生化学反应，产生钙矾石体积膨胀，使混凝土开裂并剥落，最终成为无强度的疏松状态。混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力主要取决于混凝土的抗渗性、水泥中的铝酸钙含量及水泥石中的氢氧化钙含量。因此主要采取的措施有：提高混凝土的密实度、选择低铝酸钙水泥及掺加大量矿物掺和料（磨细矿渣粉为佳）等。另外，硫酸盐还通过结晶物理作用破坏内部结构，消弱耐久性。盐溶液渗入到混凝土内部孔隙里，通过毛细管现象上升，并在暴露在空
7、气中的混凝土表面不断蒸发，于是盐类在混凝土中不断结晶和凝聚，结晶压力增大，致使混凝土开裂。反复的干湿作用加速结晶破坏。采取的主要措施同于提高抗冻性能的措施。2.2.4 提高抗碳化能力的措施混凝土的碳化通过降低钢筋保护层的碱度，加剧钢筋的锈蚀。另外，碳化收缩作用引起混凝土表面的开裂。混凝土抗碳化能力主要取决于混凝土的密实度、空气相对湿度、二氧化碳浓度等因素。改善抗碳化能力所采取的主要措施是提高混凝土的密实度。2.2.5 预防碱-骨料反应的措施碱-骨料反应的病害可称混凝土的“癌症”。全世界范围内，很多处于潮湿环境中的桥梁、大坝、堤岸等结构物，发生了碱-骨料反应引起的破坏，我国也不例外，兖石铁路沿线
8、桥梁、维坊机场跑道、北京的三元桥立交桥、内蒙古宾馆等工程均发现了碱-骨料反应病害，因此碱-骨料反应是混凝土结构应高度重视的问题。碱-骨料反应是混凝土骨料中的硅质（或碳酸盐）组分与孔溶液中含碱（钾、钠、钙的氢氧化物）的溶液反应，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝胶（或碱-碳酸凝胶），当结构暴露在潮湿环境中，混凝土体内的相对湿度超过85%时，就会出现膨胀，直至引起混凝土开裂与膨胀。预防碱-骨料反应的主要措施有：控制单方混凝土中总碱含量，水泥适宜采用低碱水泥；骨料进行碱活性检测，掺入矿物掺合料；提高混凝土的密实度。2.3 配合比设计高耐久、高强度、高工作性能混凝土比设计是一项艰巨复杂的工作。客运专线高性能混
9、凝土暂行技术条件中规定了混凝土的六项耐久性指标，配合比设计在考虑混凝土耐久性的同时又要兼顾混凝土的工作性，在保证混凝土后期强度增长的同时又使混凝土具有一定的早强性，使得设计复杂程度和难度大大增加。配合比设计的方法不同，在强度基本相近的情况下，水泥用量是不同的，最大相差达36%。水泥用量对生产成本的影响是明显的。我公司目前在高性能混凝土的配合比设计方法上仍然采用传统配合比设计方法（即假定容重法和绝对体积法），主要存在的问题是：设计周期长，对原材料质量波动的适应性差，很难找出最经济的配合比。因此，有必要研究掌握先进的高性能混凝土配合比设计方法，提高企业经济效益。2.3.1基于大体积混凝土绝热温升控
10、制的绿色高性能混凝土优化设计的四功能准则法四功能准则：以耐久性、绝热温升、工作性、28d抗压强度四项功能作为考核指标，运用价值工程原理，归一化处理后，以总功效系数为考核指标。配合比设计原理：运用正交试验设计原理，采用方差分析方法，找出各因素之间的各种合理匹配关系，并用四功能准则进行优化，从而得到最优配合比。实际工程应用结果表明：用该准则得到的最佳配合比，能有效地控制大体积混凝土的绝热温升，保证其高耐久性、优良的工作性与满足设计要求的强度。2.3.2逆填配比设计法20世纪90年代，台湾科技大学的黄兆龙博士根据多年的经验总结，将混凝土的“耐久性、安全性、工作性、经济性和生态性”溶于配合比设计中，采
11、用颗粒堆积等材料科学原理，推出“逆填配比设计法”，尤其适用于高性能混凝土。逆填配比设计法比普通混凝土配合比设计节约水泥36%，比粉煤灰混凝土超量取代法节约水泥25%；与超量取代法相比多用工业废渣粉煤灰37%，具有十分显著的经济效益和社会效益。逆填配比设计法，即水泥浆（Vp）以一定的富裕系数（n）填充混凝土中固态材料粉煤灰、砂、石在最佳级配时的最小空隙（Vv）。2.3.3基于MATLAB的高性能混凝土配合比优化设计法普通混凝土的强度可以用以水灰比为单因素的线性函数（即鲍罗米公式）预测，但对于HPC来说，影响混凝土配合比的因素与各组成材料之间存在着非常复杂的关系，甚至存在诸多因素的相互作用，线性函
12、数已不再适用，往往表现为特定的非线性规律。基于MATLAB的HPC配合比优化设计法，是在收集和整理大量HPC实际配合比资料基础上，利用MATLAB强大的数据处理功能对这些数据进行非线性回归，建立混凝土各项性能指标与各种材料用量之间的函数关系，然后利用MATLAB优化工具箱，根据所要求的HPC性能指标求出各种材料的最优用量。2.3.4现代混凝土配合比“全计算法”陈建奎、王栋民等提出的现代混凝土配合比“全计算法”设计，揭示了混凝土材料内在组分基础上计算得到了混凝土单方用水量公式和砂率公式，由此而实现了混凝土配合比的定量、全计算配合比设计。全计算法不仅适用于所有现代混凝土的配合比设计和计算，而且能检
13、验和验证其它配合比的正确性。该方法的核心在于在揭示了混凝土材料内在组分基础上计算得到了混凝土单方用水量公式和砂率公式，由此而实现了混凝土配合比的定量、全计算配合比设计。3 混凝土浇筑施工技术采用混凝土搅拌站集中拌制，混凝土搅拌运输车运输，泵送浇筑，振捣工艺采用插入式振捣棒振捣。3.1 混凝土配置拌和前的准备1 在拌和之前，对所有机械设备、工具、使用材料进行认真检查，确保混凝土的拌制和浇筑正常连续进行。2 开盘前按试验室提供的施工配合比调整配料系统，拌制中严格按照施工配合比进行配料和称量，并在微机上作好记录。混凝土拌和物配料的自动计量装置，配料允许误差：水、水泥、减水剂为1%；砂、石为2%。3.
14、2 混凝土拌制1投料顺序：细骨料水泥、矿物掺合料（矿粉、粉煤灰）水、外加剂粗骨料。每一阶段的搅拌时间不宜少于30s，总搅拌时间不宜小于120s，也不宜超过180s。2 混凝土的坍落度控制在1620cm，含气量控制在2%4%。3 混凝土在拌和过程中，及时地进行混凝土有关性能（如坍落度、和易性、保水率）的试验与观察，前5盘每盘测定坍落度和含气量，稳定后每20盘测一次。4 混凝土入模温度控制在530，冬季搅拌时采用加热水的预热方法调整拌和物温度，水的加热温度不高于60。5 炎热季节搅拌混凝土时，宜采取措施控制投入搅拌机时的水泥温度不高于40。对粗、细骨料堆场应搭设遮阳棚，并采取低温水搅拌混凝土等措施
15、降低混凝土拌和物温度，或尽可能在傍晚和晚上搅拌混凝土，以保证混凝土入模温度满足规定。3.3 混凝土的运输及泵送1 泵送混凝土是通过混凝土输送泵将混凝土沿管道直接推送到浇筑地点，是一种高效的混凝土运输方法。普通混凝土的泵送工艺较为成熟，通常粗骨料粒径40mm以下，坍落度在1820cm，砂率在40%45%，水泥含量为300kg/m3时混凝土可泵性好。高性能混凝土因强度等级高、粘度大，影响混凝土的流动性，造成吸入效率低，泵送阻力大，致使泵送困难，易出现堵管爆管现象，如果长时间高压泵送，则会影响混凝土泵的稳定性和可靠性。泵送距离相对于普通混凝土泵送大大缩短，故在施工过程中采用混凝土搅拌运输车运输，将混
16、凝土输送泵放置于梁段附近泵送施工。这样既保证了混凝土泵送的稳定性，大大降低了堵管、爆管的几率，又提高了泵送效率。2 开始泵送混凝土前用水泥砂浆对混凝土泵和输送管内壁润滑。混凝土始终连续输送，夏季气温较高时，输送管路用湿海绵包裹。3 混凝土拌和物宜在搅拌完成后60min内运抵混凝土浇筑地点，且应在1/2初凝时间前入泵，全部混凝土应在初凝前浇筑完毕。4 在交通拥堵和炎热气候等情况下，应采取特殊措施防止混凝土坍落度损失过大。3.4 混凝土浇筑为控制梁段混凝土浇筑时间，保证梁体混凝土的“内实外美”，对混凝土的浇筑顺序和浇筑及振捣方法都有严格的要求。3.4.1 浇筑顺序浇筑人员指挥布料机使混凝土倒入合理准确的位置，保证布料准确均匀，布料机输送管路出口不与模板和钢筋直
