大体积混凝土低温升梯度设计与综合抗裂技术

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2复杂胶凝体系水化放热过程研究7 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 原材料与试验方法9 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 原材料9邮方案10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 减水剂掺量对水化放热过程的影响13 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 减水剂分子结构对水化放热过程的影响15 H

2、YPERLINK l bookmark20 o Current Document 粉煤灰掺量对水化放热过程的影响16 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 矿渣掺量对水化放热过程的影响17 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 不同入模温度对水化放热过程的影响18水化温度对C-S-H聚合程度的影响21 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3不同强度等级大体积混凝土配合比优化设计及耐久性能研究26 HYPERLINK l bookmark28 o Curre

3、nt Document 大体积混凝土的原材料26 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 配合比优化调整27 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 混凝土长期性能和耐久性能29腮性能研究29 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 抗渗性能31 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 抗冻性能33抗硫酸盐侵蚀34 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4抗冲磨大体积混凝土配

4、合比设计极其性能研究36 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 抗冲磨混凝土的相关作用原理36 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 抗冲磨混凝土配合比优化设计37 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 原材料37 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 混凝土抗冲磨试验方法37 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 抗冲磨混凝土配合比设计39 HYPERLINK l

5、bookmark54 o Current Document 5水下不分散混凝土的配合比设计及其性能研究42 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 水下不分散剂的特点42 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 肋分散剂的研制43絮凝剂的选择43抗水分散剂的确定45 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 原材料46 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 水下不分散混凝土配合比设计46 HYPERLINK l book

6、mark66 o Current Document 水下不分散混凝土性能研究48 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 6承台低温升抗裂大体积混凝土梯度结构设计50 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 低温升抗裂大体积混凝土梯度结构设计方案50 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 低温升抗裂大体积混凝土梯度结构施工方案及配合比设计52 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 7嘉绍大桥大体积混凝土低温升高抗裂技

7、术相关应用成果54 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 嘉绍大桥承台C30大体积混凝土应用效果54承台;融应力分析54承台雌效果总结56 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 嘉绍大桥塔座C40大体积混凝土应用效果57塔座期应力分析57塔座朝效果总结58 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 嘉绍大桥塔柱C50大体积混凝土应用效果59塔柱出应力分析59塔柱朝效果总结61 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 8

8、大体积混凝土温度应力现场试验65i懈内容65 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 除方案65廨配合比65模型制作65监控点设置69 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 解仪器71 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 四工况及邮步骤72 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 试验工况72I瞌步骤73 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 9大体积混凝土低温

9、升梯度设计与综合抗裂技术创新点75 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 10总结751项目研究内容大体积混凝土温控和抗裂技术是桥梁工程建设的关键技术之一，混凝土结构耐久性直接影响到桥梁的服役寿命与安全性。大体积混凝土与普通钢筋混凝土结构相比，具有结构厚、体形大、混凝土用量多，工程条件复杂和施工技术要求高等特点。除了必须满足普通混凝土的强度、刚度、整体性和耐久性等要求之外，其主要问题就是如何控制温度裂睫的产生和发展。研究开发大体积混凝土(承台、塔座、塔柱、封底)低温升抗裂技术已成为大型跨江海桥梁工程建设迫切需要解决的关键技术问题。承台、塔座、承台

10、封底、塔柱等部位属于大体积混凝土，对于运用于上述部位的混凝土材料需根据各部位的设计要求、施工环境及后期服役条件，设计出满足不同要求的混凝土配合比。(-)低温升抗裂高性能大体积混凝土配合比优化设计及其温控技术研究(1)研究不同的浇筑温度对混凝土胶凝体系的水化程度和放热规律以及处于不同边界条件下的混凝土内部温度场和应力场的影响规律，针对不同工程部位、服役环境的混凝土，进行水泥、矿物掺合料、外加剂等原材料的选择和掺配比例的设计。(2)根据材料复合设计原理，在大体积混凝土的边部采用通过增韧增稳技术制备出的掺有纤维、有机聚合物、减缩剂等材料的高韧性抗裂混凝土，中部采用低温升高抗裂混凝土，形成连续(无冷缝

11、)的高抗裂大体积混凝土梯度结构，提高混凝土的结构耐久性，降低工程造价。(二)耐冲磨性能的低温升抗裂大体积混凝土针对承台C30低温升抗裂大体积混凝土，根据大量工程实际表明，大部分承台要经受水流和泥砂的长年冲磨，减少承台的使用寿命，影响工程质量。因此研究内容如下：(1)研究胶凝材料的组成、骨料的种类和级配、纤维的种类和掺量、水流速度和泥沙含量对低温升抗裂耐冲磨大体积混凝土的力学性能和抗冲磨能力的影响，提出承台耐冲磨低温升大体积混凝土的设计与制备方法；(2)进行耐冲磨承台低温升大体积混凝土的温度场、应力场的模拟，提出温控细则，研究其施工质量控制技术；(3)设计出边部采用耐冲磨高抗裂混凝土，中部采用低

12、温升混凝土进行结构梯度设计，研究界面过渡区特性，研究耐冲磨高抗裂承台梯度结构大体积混凝土的施工质量控制方法。(=)具有抗水分散和自密实性能低温升抗裂混凝土的制备及其施工技术针对C30承台封底封底混凝土，体积较大且需在水下施工，属于水下大体积混凝土，为了提高工程质量，需要研究开发具有抗水分散和自密实的低温升抗裂大体积混凝土：(1)研究不同种类和掺量的高分子聚合物、矿物掺合料等对混凝土的抗水分散性能和自密实性能的影响，选择合适的高分子聚合物、矿物掺合料等，制备出具有抗水分散和自密实的低温升抗裂大体积混凝土；(2)研究具有抗水分散和自密实的低温升抗裂承台封底封底和填充大体积混凝土的施工与质量控制方法

13、；(3)研究具有抗水分散和自密实的低温升抗裂承台封底封底和填充大体积混凝土的温度场和应力场的模拟分析，进行大体积混凝土的结构耐久性的评估；(四)塔柱抗裂高性能混凝土的设计及其泵送施工技术针对塔柱混凝土标号比较高，体积比较大、泵送距离远且高的特点，需要进行塔柱抗裂高性能混凝土的研究内容如下：(1)研究各种润滑材料(粉煤灰微珠等)对高强度等级混凝土粘度的影响效果，考察掺有润滑材料混凝土的工作性能,确定适用于高强度等级塔柱混凝土的泵送施工工艺，掺有润滑材料混凝土的超高距离泵送模拟试验，确定润滑材料的品种和掺量；(2)研究纤维、减缩剂的种类和掺量对塔柱高性能混凝土的体积稳定性能的影响，提出塔柱高性能混

14、凝土的配合比优化设计方法，制备出适合于超高、超远距离泵送施工的塔柱高性能混凝土。2复杂胶凝体系水化放热过程研究水泥混凝土是一种导热能力很低的材料,在大坝和桥墩等大体积混凝土中水泥水化过程放出的热量不易散失，在混凝土结构内部聚集，导致混凝土内部温度升高，同时，由于外部散热而使坝体内外形成温度梯度，产生较大的温度应力，从而产生温度裂缝，为保证大体积混凝土工程的质量，施工时除了采取降低混凝土入模温度的措施外，通常以预埋冷却水管的方法降低大体积混凝土内部的水化温度，然而上述方法却存在影响施工进度和增加施工建设成本的弊端，本课题通过对大体积配合比进行深入研究，利用高掺量的矿物掺合料和高效减水剂来调节水泥

15、的水化放热量和放热速率，使温度上升速度减慢，延长散热时间，防止混凝土开裂。目前国内外对作为结构混凝土掺合料的粉煤灰在质量和掺量上有一定的限制，我国GB50496-2009中规定：矿物掺合料的掺加总量不宜大于混凝土中胶凝材料用量的50%。但在实际大体积混凝土施工过程中，矿物掺合料掺量高达胶凝材料用量的50%80%,其强度、耐久性均满足设计要求。如何解释实际工程应用情况和规范之间的分歧，已经成为亟待解决的问题。混凝土的强度主要取决定于水泥石强度及与骨料表面的粘结强度。作为水泥石中最重要的组分,C-S-H凝胶基本结构单元是硅氧四面体，它的聚合状态与胶凝材料组成、养护制度、龄期等多种因素有关。大体积混

16、凝土是热的不良导体，胶凝材料水化产生热量,混凝土内部温度有可能达到50以上。随着水化进程的深入，放热速率逐渐减小，混凝土内部温度回落至环境温度状态。同时，混凝土由表及里各层次的温度变化是不同的。因此，有必要系统研究温度对水化产物C-S-H凝胶聚合度的影响规律。本课题借助TAMAir微量热仪研究了不同聚竣酸减水剂掺量和分子结构对复合胶凝材料体系水化放热过程的影响。同时，运用NMR核磁共振测试手段,辅以FTIR、XRD测试手段，研究了养护温度、温度变化对大掺量粉煤灰水泥基材料水化C-S-H凝胶硅氧四面体聚合程度的影响规律。旨在进一步从微观机理上揭示双掺减水剂和矿物掺合料的复合胶凝材料体系水化硬化机

17、理及高掺量矿物掺合料对胶凝材料体系水化产物的影响。原材料与试验方法原材料水泥采用安徽海螺P.042.5R水泥；粉煤灰采用浙江长兴电厂I级灰，水泥和粉煤灰的化学成分由X射线荧光分析得到，见表2-1;拌合水采用自来水;减水剂采用浙江五龙ZWL-A-IX缓凝高效减水剂，减水率为28.6%,分别命名为PCI、PC2、PC3,分子结构具体信息见表2-2。PCI、PC2、PC3为甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯系聚竣酸减水剂，由A和B两种单体共聚而成(A为甲基丙烯酸，简称MAA;B为甲氧基聚乙二醇，简称MPEG),其化学式为：ch3fC%CH-(-CH2CH TOC o 1-5 h z COOHC=OO4-CH

18、2CH2Och3oH2C=CH-COOHH2C=CH2-CO4CH2cH2。七飙AB表2-1原材料化学成分原材料SiO2(%)AI2O3(%)Fe2O3(%)Ca0(%)MgO(%)烧失量(%)共计()水泥21.354.673.3162.603.080.9596.05粉煤灰50.9534.784.132.800.591.9493.25表2-2减水剂分子结构参数编号主链长(nm)支链长(nm)分子量(g/mol)PCI13.08.335546PC216.68.354472PC311.38.3297592.1.2试验方案水化热测试采用美国TA公司生产的TAMAir型水化微量热仪，核磁共振测试采用瑞

19、士Bruker公司生产的BrukerAVANCEDI400WB核磁共振仪。核磁共振图谱拟合过程在专业数据处理分析软件PeakFitv4.12上完成，C-S-H凝胶平均分子链长(MCL1AI原子取代Si原子的比例(Al/Si水泥自身的反应程度(C)和粉煤灰的反应程度(F)的计算公式见1-11-4;式中，Q值代表不同化学位移的NMR峰面积在图谱中所占比例，字母a和b分别对应未水化的胶凝材料和养护至规定龄期的硬化浆体。MCL=2*Qi+Q2(00)+L5Q2(10)/QiQ)AI/Si=0.5*Q2(1AI)/Q+Q2(0AI)+Q2QAI)(2)C=l-Qb/Qa(3)F=l-(Q3b+Q4b)/

20、(Q3a+Q4a)采用美国NICOLET公司生产的60SXB型傅里叶变换红外光谱仪(FourierTransformInfraredSpectrometer,简称FTIR)研究了胶凝材料及其硬化浆体所含特征集团的振动情况。仪器测试波长范围是1004000cm-l,最高分辨率为0.019cm-l,信噪比是33000/1，快速扫描是1次/秒。采用美国PICKERXRAY公司生产的PICKERCUGWIB型的X-射线衍射仪(X-rayDdiffractometer,简称XRD)对实验原材料和水泥水化样进行物相分析。仪器采用CuKa靶；X射线管加速电压为40kv,电流为40mA;扫描速度为4/min,

21、扫描范围(2。)为570o水化热测试温度为20、30C、4CTC水胶比是0.35，胶凝材料体系是50%粉煤灰-50%水泥，减水剂PC0的掺量是0.3%、0.5%,0.7%,减水剂PCI、PC2、PC3的掺量均为0.3%。按照实验规定的比例，事先将水与减水剂混合均匀；同时为减少实验误差，在水化热测定之前，配好的溶液和胶凝材料均要保存在相应水化温度的环境中至少24h0在胶凝材料硬化浆体成型过程中，胶凝材料、水、减水剂(PC0)的比值是1:0.35:0.3%;聚竣酸减水剂的加入是为了促进胶凝材料与水的拌合效果；胶凝材料中粉煤灰掺量为30%、50%、70%,见表2-2,浆体混合均匀后成型在70.7*7

22、0,7*70.7cm的立方体模具中，养护Id后脱模，养护湿度均为100%,养护温度为20,50,80,养护龄期为7d、28d、90do在对外来离子对水泥水影响机理方面的研究时，硬化浆体成型于4*4*4cm的立方体模具中。养护至规定龄期时，用锤子取出硬化浆体表面部分，剩余部分敲成长度小于2cm的小石块；小石块存放在无水乙醇中浸泡以终止水化，浸泡24h后更换一次无水乙醇。进行XRD、NMR、FTIR测试的样品，需要在玛瑙研磨中将石块磨细成粉，其中XRD测试样品要过350目；测试样品制备过程中，尽量防止碳化。矿物掺合料水化热换算按下式进行：M=G-C(l-X)n=G-C(l-Y)XY其中：1g水泥放

23、热量CFA掺量XBFS掺量Y1g胶材放热量GIgFA放热量MIgBFS放热量N用于AFM测试的硬化浆体养护龄期均为28d，用锤子将水泥石敲成2cm3cm厚、平面尺寸约lOmmxlOmm大小的试块只保存硬化浆体的核心部分；用低速精密微型切割机(MINCUT40)将小石块切割成具有两个平行面、厚度是0.5mm的薄片，然后用砂纸对试样进行打磨处理。磨抛过程具体为：首先选用6.5pm硅硬质合金纸，之后再使用12个等级的金相砂纸由粗到细逐一打磨；砂纸的等级为分别为240目、360目、600目、800目、1000目、1200目、1500目、2000目、2500目、3000目、4000目和5000目。打磨的

24、;羯呈是：首先朝一个方向打磨10次，旋转90。换到下一个方向面上再打磨10次，直到旋转回到初始方向；每次换下一等级的砂纸时，样品都要在过超声波中清洗3分钟，清洗液是无水乙醇,清洗液不能重复使用，并通过光学显微镜来查看试样打磨的效果；如果通过光学显微镜观察打厝效果不好，从1000目等级的砂纸开始从新打磨；直到获得十分光滑、损害度较小的表面，才能进行AFM的测试；打磨好的样品保存在无水乙醇中。硬化浆体含有粉煤灰和观测对象是C-S-H凝胶，所以在进行AFM测试时，首先通过光学显微镜通过AFM观察，避开在打磨过程中由于粉煤灰脱落而产生的孔洞，并选定平整度相对较好和灰度适中的区域，之后再进行样品表面形貌

25、的观测。C-S-H凝胶在AFM测试中呈现50100nm的球形、椭圆形、扁平状颗粒，在进行AFM观测时首先选择3|jm*3|jm微米的较大区域进行观察。选择C-S-H凝胶颗粒堆积密集、表面平整的区域，将扫描区域缩小为确定为最终观测区域。同时，为获得C-S-H凝胶颗粒边界的具体信息，通过AFM图像处理的专业软件，将区域部分进一步扩大至500nm*500nmo2.2试验结果与分析减水剂掺量对水化放热过程的影响30Time/hour40图2-2水化放热曲线表2-3减水剂掺量对水化放热历程的影响参比样0.3%PCl0.5%PCl0.7%PCl放热峰值（mw/g）30,3.5;30,2.7;30,1.9;

26、30,1.0;40,4.440,2.740,2.540,2.1放热峰出现时间30,6;30,18.5;30,34.5;30,52.5;(hour)40,6.540,12.540,2540,40表2-4水化热峰值变化情况303030404040减水剂掺量/%0.30.50.70.30.50.7峰值降低百分率22.945.771.438.643.252.3峰值延迟时间12.51618612.515减水剂掺量对水化放热历程的影响见表2-3水化热峰值变换情况列于表2-4。由表2-4及图2-2可知，当养护温度为3CTC时，减水剂掺量由0.3%提高到0.7%,水化热降低百分率由22.9%增力姓!）71.4

27、%,每增加0.2%的减水剂，水化放热峰的延迟时间约为12.518个小时;当养护温度为4CTC时，减水剂掺量由0.3%提高至IJ0.7%，水化热降低百分率由38.6%增力倒52.3%，而每增加相同剂量的外加剂，水化放热峰的延长时间约为为615个小时。说明聚竣酸减水剂的加入降低了水泥放热峰峰值，延迟了水化放热峰出现的时间；同时，水化热峰值降低幅度、放热峰出现的延迟程度，均随着减水剂掺量的增加而增加。分析其机理，本研究所用聚竣酸减水剂分子结构中含有羟基(-0H)、竣基(-C00-),聚乙氧基(-OCH2cH2-)等官能团，一方面主链吸附在水泥颗粒表面阻止颗粒与水接触，同时高接枝密度的蝮基(。-)与钙

28、结合，形成较为稳定的富钙保护层，有效降低溶液中Ca2+浓度，抑制Ca(OH)2的形成结晶，减少C-S-H凝胶的形成，延缓了水泥水化；另一方面聚乙氧基(-OCH2cH2-)长侧链、少量的羟基(-0H)与水形成氢键，产生水膜立体保护和空间位阻效应,大大增加了水化层的厚度，从而延缓了水泥水化。在减水剂掺量相同的条件下，胶凝材料在40的水化放热峰出现时间，均要早于30的水化放热峰出现时间。在四个胶凝材料体系中，水泥水化放热峰峰值均随着温度的升高而增大。减水剂分子结构对水化放热过程的影响o/M)Bo:uonejaI3工3040图2-3水化放热曲线表2-5聚竣酸分子结构对水化放热历程的影响参比样PCIPC

29、2PC3放热峰值（mw/g）30,3.5;30,2.7;30,2.6;30,2.8;放热峰出现时间30,6.5;30,31.0;30,23.5;30,37.5;(hour)40,540,30.540,25.040,34图2-3为掺入3种不同分子结构聚竣酸减水剂的FA50体系的水化放热曲线，表2-5为聚竣酸分子结构对水化放热历程的影响，各聚竣酸减水剂的掺量为0.3%,由图可知，相比不掺减水剂的FA50水化放热，掺入PCI、PC2、PC3的水化放热出现明显的延迟，且延迟的程度各不相同，三种样品的水化放热峰出现时间列于表2-4,其差异表现为有机高分子分子的支链相同、主链不同，三种减水剂的主链长度分别

30、为13nm、16.6nm、11.3nm,因此分析聚竣酸减水剂的主链长度与各试样的水化放热曲线可以认为：聚竣酸分子的主链长度越短，其对FA50体系的水化延迟作用越大。由以上分析可知，本实验研究所使用的聚竣酸减水剂对FA50水化放热规律的影响主要源于其分子结构中主链及支链长度的不同。聚竣酸减水剂对胶凝浆体的水化延缓作用主要来自于其空间位阻效应及静电斥力，主链较短的有机分子，其分子量相对较小，从而更容易吸附在水泥颗粒表面，其减水分散效果更加明显。同时，减水剂分子结构对FA50体系的水化放热峰值影响较小，三个胶凝材料体系水化放热峰值大致相同；在起始温度分别为30(:和40。(：时三种不同结构的减水剂对

31、水泥水化放热峰出现时间的延迟效果，差别不大。粉煤灰掺量对水化放热过程的影响表2-6粉煤灰掺量对水化放热过程的影响353d最大放热量矿物掺合料放热峰值放热峰出现时间(J/g)放热(J/g)(mw/g)1#(C)230.545.76llhl8min2#(C+33%FA)162.6824.913.7414h36min3#(C+50%FA136.3642.182.6518h4min)4#(C+67%FA106.9546.071.6221h53min1 *愕族父图2-435C不同掺量FA的水化放热速率矿渣掺量对水化放热过程的影响表2-7矿渣掺量对水化放热过程的影响353d最大放热量矿物掺合料放热峰值放热

32、峰出现时间1#(C)230.545.76llhl8min1#(C+33%BF205.21153.793.348h33minS)3.7712h46min2#(C+50%BF191.01151.482.538h50minS)3.2714h51min放热(J/g)(J/g)(mw/g)3#(C+67%BF171.56142.511.848h42minS)3.7715h45min-C+33%BFSC+50%BFSC*%67BFS20406080100时间/h图2-535不同掺量BFS的水化放热速率不同入模温度对水化放热过程的影响表2-825。(：水化放热情况253d最大放热量(J/g)矿物掺合料放热(

33、J/g)最大放热速率(mw/g)放热峰出现时间1#(C)206.942.8116h27min2#(C+33%FA159.7864.032.1517h41min)2.2321hl2min3#(C+50%FA131.2455.541.5720h38min)1.6424h50min4#(C+67%FA85.9626.370.9225h51min)1.0532h57min5#(C+33%BF178.94122.092.1212h40minS)1.9821hl6min6#(C+50%BF158.25109.561.6012h33minS)1.7424hl2min7#(C+67%BF130.5292.88

34、1.0812h23minS)1.8126h07min表2-935水化放热情况353d最大放热量矿物掺合料放热峰值放热峰出现时间(J/g)放热(J/g)(mw/g)1#(C)230.545.76llhl8min2#(C+33%FA162.6824.913.7414h36min)3#(C+50%FA136.3642.182.6518h4min)4#(C+67%FA106.9546.071.6221h53min)5#(C+33%BF205.21153.793.348h33minS)3.7712h46min6#(C+50%BF191.01151.482.538h50minS)3.2714h51min7

35、#(C+67%BF171.56142.511.848h42minS)3.7715h45min表2-1045水化放热情况图2-6 25水化放热速率图2-7 35水化放热速率453d最大放热量(J/g)矿物掺合料放热(J/g)放热峰值(mw/g)放热峰出现时间1#(C)284.528.787h34min2#(C+33%FA262.3224.915.179h57min)3#(C+50%FA207.7742.183.2812hl0min)4#(C+67%FA180.4746.071.7416h06min)5#(C+33%BF295.11153.794.026h21minS)5.358h44min6#(

36、C+50%BF263.58151.482.186hl3minS)3.959hl6min7#(C+67%BF224.07142.510.876h30minS)4.4910h08min图2-845水化放热速率水化温度对C-S-H聚合程度的影响图2-9养护7d的NMR谱图图2-9为50%粉煤灰-50%水泥复合胶凝材料（FA50）分别在20,50、8CTC条件下恒温养护7d的NMR谱图。位于下半部分的曲线为原始曲线，上半部分的曲线是经过去卷积计算之后的拟合曲线。对比低温养护和高温养护谱图可以发现：低温养护（20）时，与C-S-H凝胶有关的QLQ2（1AIQ2（0AI）谱峰存在较多Q1和Q2(OAI),

37、Q2(1AI般藏在Q1中而在高温养护(50、80)时，存在较多Q2(1AI)和Q2(OAI),Q1隐藏在Q2(1AI)中；由此可以定性地说明高温养护有助于提高C-S-H凝胶平均分子链长。高温养护的Q3和Q4峰低于常温养护的，表明高温养护至7d时，有较多的粉煤灰与CH反应，二次生成更多的水化硅酸钙；同时，高温养护促使更多的AI原子从粉煤灰玻璃体中解离，取代C-S-H凝胶中的Si原子，形成四配位的铝氧四面体。表2-11为NMR去卷积结果，可以看出高温养护的C-S-H凝胶硅氧四面体聚合程度和AI原子取代Si原子程度均明显高于常温养护的。表2-11NMR去卷积结果养护温度MCLAl/Si207d,2.

38、9;28d,4.17d,0.04;28d,0.06507d,9.8;28d,13.87d,0.19；28d,0.18807d,8.4;28d,15.67d,0.10;28d,0.12图2-10养护7d的IR谱图图2-11养护7d的XRD谱图图2-10为FA50水化7d的IR谱图，与未水化胶凝材料的，波数972cm-1处的Si-0键伸缩振动向高波数移动，表明岛状的硅氧四面体Q0转换为Q1与Q2,硅氧四面体的聚合程度增大。波数1097cm-l处的Si-0键伸缩振动向低波数移动，说明粉煤灰中的层状和网络状的Q3、Q4部分解离成Q2、Q1、QOH,即消耗水化产物CH、生成二次的水化硅酸钙和水化单体硅。

39、5CTC的IR谱波数9001100cm-l处的Si-0键伸缩振动峰表明粉煤灰和水泥的峰合二为-,这是由于高温养护条件下，提高了C-S-H凝胶的聚合程度,促进了粉煤灰中玻璃体的解离。水化后的IR谱出现了波数3644cm-l处的谱峰，它属于水化产物CH的OH键伸缩振动。50的波数3644cm-l处的OH键伸缩峰不如20明显，表明50养护的硬化浆体CH含量小于2CTC养护的硬化浆体，这一结论在XRD谱图中得到验证，见图2-118图2-11养护28d的NMR谱图图2-12为50%粉煤灰-50%水泥复合胶凝材料(FA50分别在20。(：、50、80条件下恒温养护28d的NMR谱图，结合NMR去卷积的分析

40、结果见表2-2表明：随着养护龄期从7d延长至28d,各个养护温度条件下的MCL值均有大幅度地提高，Al/Si值变化较小。高温养护(50,80)的MCL值是常温养护的3倍，差别较大；养护温度从50C升高至8CTC时，C-S-H凝胶聚合状态没有得到明显改善。养护龄期的延长对AI原子取代Si原子程度影响非常小。过高的温度会影响C-S-H凝胶硅氧四面体的聚合状态和AI原子在C-S-H凝胶层状结构所占比例。养护至7d和28d的硬化浆体，随着养护温度的升高，C-S-H凝胶的铝氧四面体含量先增大后减小，50的C-S-H凝胶Al/Si值最高。C-S-H凝胶聚合状态随温度升高的变化规律不明显：养护7d时，50的

41、C-S-H凝胶MCL值最大；养护至28d时，C-S-H凝胶MCL值的大小与养护温度的高低成正比关系。养护温度升高至50时,进一步提升养护温度不仅未能大幅度提高C-S-H凝胶的聚合状态，还在一定程度上增大了铝氧四面体进入C-S-H凝胶层状结构中的难度。图2-13养护28d的IR谱图图2-14养护28d的XRD谱图80t M Au图2-13是不同养护温度28d的IR谱，可以看出高温养护削弱了CH的0H键缩振动峰，表明CH含量减少。波数9001100cm-l处，高温养护的IR谱图也只出现一个Si-0键伸缩振动峰；说明养护龄期从7d延长至28d时，高温继续促进粉煤灰的火山灰反应，消耗较多的CH从而生成

42、大量的C-S-H凝胶。高温养护对粉煤灰火山灰效应的促进作用造成水泥石CH含量降低，其特征峰在XRD图谱上明显减弱。根据实验结果，高温养护28d时，粉煤灰的火山灰效应已经得到一定程度的发挥；表现在XRD、IR图谱中CH相的特征峰和振动谱峰不如常温养护的明显。可见，高温养护（50,80）使得粉煤灰的火山灰反应提前进行。3不同强度等级大体积混凝土配合比优化设计及耐久性能研究由于混凝土的水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个过程中混凝土的体积在温度变化影响下亦随之伸缩，若各块混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力将导致混凝土开裂；因此为了避

43、免混凝土出现裂缝，提高混凝土耐久性，保证工程质量，必须对混凝土的配合比进行优化设计和采取温控养护措施。根据设计要求嘉绍大桥不同工程部位均采用了不同强度等级的大体积混凝,本课题针对承台部位采用的C30大体积混凝土、塔座部位采用的C40大体积混凝土、塔柱部位采用的C50大体积混凝土进行了配合比优化设计及耐久性能相关研究。大体积混凝土的原材料嘉绍大桥大体积混凝土选用以下原材料进行：水泥：安徽“海螺PQ42.5R水泥，比表面积为377m2/kg;粉煤灰：浙江长兴电厂I级灰，需水量比为92%,细度为4.8%（筛余）；矿粉：浙江拓翔建材S95级灰，比表面积400m2/kg,实测比表面积为428m2/kg,

44、流动度比为98%,7天活性指数为81%,28天活性指数为101%;砂：江西赣江河中砂，细度模数2.6-3.0;石：德清下柏石场525mm连续级配碎石，压碎值16%;减水剂：浙江五龙ZWL-A-IX缓凝高效减水剂，减水率为28.6%.密实骨架堆积法混凝土配合比设计当混凝土中水泥用量大时，其水化温升高，收缩大，易产生温度裂转。为此，本课题组采用密实骨架堆积法进行混凝土配合比设计，从而达到了减少胶凝材料用量、提高混凝土耐久性和体积稳定性的目的。密实骨架堆积设计法不仅可以优化集料的组成级配，而且显著提高了混凝土材料的结构致密性，在保证混凝土具有良好工作性的条件下，最大限度的降低胶凝材料的用量进而提高混

45、凝土的力学性能、耐久性和经济性。用密实骨架设计配合比，是通过寻求混凝土中的粗细骨料的最大密度来寻找最小空隙率，因为粉煤灰的密度及细度都比砂要小，因此可以在找出粗细骨料的最佳比例后，再通过寻求掺合料和粗细骨料的最大密度,计算出最紧密堆积时粗细骨料、掺合料的最佳比例。从而确定混凝土的初步基准配合比（表3-1）。表3-1基准配合比编号各组分用量（kg/m3）水水泥粉煤灰砂石C301582301607951055C401502801707801060C501503601207701050由表3-1可以看出由密实骨架法设计出的基准配合比水泥用量还是较大，为了降低混凝土每方的水泥用量，需要通过掺加矿粉和外

46、加剂进行优化。配合比优化调整考虑到水泥用量太大，混凝土的水化温升高，强度富余系数高，设计采用矿粉超量取代部分水泥和粉煤灰，对密实骨架堆积法混凝土的配合比进行了优化调整，得到承台大体积C30混凝土配合比见表3-2所示：表3-2承台C30混凝土配合比编号原材料用量（kg/m3）塌落度（mm强度（MPa）粉外水煤泥灰矿碎砂加水Ohlh7d28d粉石剂A112015014079510553.814221019534.349.1A29615916379510553.814222020032.545.8注：根据施工时气温和原材料实际情况建议，减水剂掺量在原剂量的0.2%范围内调节由表3-2可以看出以上两组

47、混凝土的工作性能和力学性能均满足C30混凝土的设计和施工要求，但考虑在满足强度的前提下优先选用水泥用量少的配合比,故选用配合比A2进行研究。粉编号水煤泥灰表3-3塔座C40混凝土配合比原材料用量（kg/m3）塌落度（mm强度（MPa）外矿碎砂加水Ohlh7d28d粉石剂B114014015078010604.7314522020037.952.1B216014014078010604.8413421019538.252.8由表3-3可以看出以上两组混凝土的工作性能和力学性能均满足C40混凝土的设计和施工要求，为了节约成本和便于施工选用配合比B1进行研究。表3-4塔柱C50混凝土配合比原材料用量

48、（kg/m3）塌落度（mm强度（MPa）粉编号水煤外矿碎砂加水Ohlh7d28d泥灰粉石剂C23013012077010505.2815021019547.659.3由表3-4可以看出优化后的C50配合比大大减少了水泥用量，工作性能和力学性能都满足设计和施工要求。混凝土长期性能和耐久性能混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。高性能混凝土与普通混凝土相比，其水灰比低、密实度高、强度较高、体积稳定性好，所以具有很好的耐久性，这是高性能混凝土得以在工程中应用的最重要原因。高性能混凝土的优良耐久性，主要包括渗透性、抗硫酸盐侵蚀、抗冻性、碱-骨料反应、

49、耐磨性和抗碳化性等。下面就本课题不同强度等级大体积混凝土的抗裂性、抗渗性、抗氯离子渗透性等进行了研究。抗裂性能研究我国最新的混凝土结构耐久性设计与施工指南中推荐了笠井芳夫提出的混凝土（砂浆）早期抗裂性测试方法，本课题采用了此方法。抗裂性指标计算：a=-丁裂缝的平均裂开面积：2N/（mm2/根）单位面积的开裂裂缝数目：=7(根/m2)单位面积上的总裂开面积：c=丑(mm2/m2)式中心第i根裂缝的最大宽度mm;Nl第i根裂缝的长度，mm;总裂建数目，根；平板的面积0.36m2。试件早期的开裂敏感性评价准则如下：仅有非常细的裂纹；裂缝平均开裂面积10mm2;单位面积开裂裂舞数目10根/m2;单位面

50、积上的总裂开面积100mm2/m2。按照上述四个准则，将开裂敏感性划分为五个等级：I级全部满足上述四个条件；n级满足上述四个条件中的3个；HI级满足上述四个条件中的2个；IV级满足上述四个条件中的1个；V级一个也不满足。表3-5混凝土早期平板开裂观测结果编号初裂裂缝平均开裂面积/mm2单位面积裂缝数目/根，m-2单位面积的总开裂面积/mm2评定等级时间/h裂缝最大宽度/mmC305.70.171.61136186.2mC406.00.151.55114137.6mC506.70.141.57102121.8m由表3-5中可以看出所设计的配合比的抗裂等级均达到in级。抗渗性能中华人民共和国交通行

51、业标准公路工程水泥与水泥混凝土试验规程(JTGE30-2005)通过给受检混凝土试件施加水压的方法，使水在混凝土中迁移，根据水在不同混凝土中的迁移差别来描述混凝土的抗渗性能；快速CI-渗透试验方法，即ASTMC1202-97广泛用于美国及西方国家,在受检混凝土试件两端施加电压，通过计算6h电通量来定量判定混凝土的抗渗透性能。本文分别用两种方法进行测试来分析对比。(1)水压力试验标准养护28d后进行抗渗试验，试验水压从O.IMPa开始，每间隔8h增加水压O.IMPa,当六个试件中有3个试件表面出现渗水时，即可停止试验，记录此时的水压力。混凝土的抗渗等级由未渗水的4个试件的最大水压力表示。P=1O

52、H1式中P为抗渗等级，H为六个试件中3个试件表面渗水时的水压力。通过试验所设计的C30混凝土抗渗等级达到P18,C50混凝土抗渗等级达到P25以上。(2)快速氯离子渗透试验本实验采用RCM法测定混凝土中QTE稳态快速迁移的扩散系数，定量评价混凝土抗CI-的扩散能力。24h后拆模并浸入标养室的水池中，试验龄期前7d加工成标准试件(100lmm,h=502mm,加工成的试件至少切去混凝土表皮20mm)然后浸没于养护室水池中至试验龄期。试验结果见表2-6,CI-扩散系数随混凝土龄期的变化规律，试验龄期为28d、56d,从表中看出，28dCb扩散系数为(2.0-3.5)xl0i2m2/s,56dC卜扩

53、散系数为(1.0-2.0)x10-12m2/s，大大提高了混凝土的使用寿命。另外，ci-的扩散系数随混凝土龄期的延长而降低。表3-6CI-扩散系数试验结果配合比编号CI-扩散系数(xlO-i2m2/s)28d56dC303.12.0C402.81.5C502.31.0抗冻性能本试验参照普通混凝土抗冻性能试验，采用慢冻法，以混凝土试件所经受的冻融循环次数指标的抗冻标号。试验结果见表3-6、3-7。表3-7承台C30混凝土抗冻试验结果检测项目200次循环300次循环123123标准养护强度(MPa)46.347.247.948.148.647.9冻融循环后强度(MPa)40.241.241.838

54、.939.439.1强度损失(%)13.212.712.719.118.918.4质量损失(%)2.01.51.34.23.33.0抗冻标号F300试件外观完整、无脱落碎块完整、无脱落碎块表3-8塔座C40混凝土抗冻试验结果检测项目200次循环300次循环123123标准养护强度(MPa)51.853.452.654.153.854.7冻融循环后强度(MPa)46.147.547.844.543.945.2强度损失()11.110.99.117.718.417.4质量损失(%)1.41.51.83.53.13.4抗冻标号F300试件观完整、无脱落碎块完整、无脱落碎块表3-9塔柱C50混凝土抗冻

55、试验结果200次循环300次循环检测项目123123标准养护强度(MPa)59.860.160.361.260.561.3冻融循环后强度(MPa)55.256.153.951.651.852.1强度损失()7.76.710.615.714.415.0质量损失(%)1.11.00.82.23.02.7抗冻标号F300试件外观完整、无脱落碎块完整、无脱落碎块由表3-6和3-7可以看出，试件经受200、300次循环后，其强度损失率均小于25%(标准规定)，质量损失较小，混凝土具有较高的抗冻融性能，所设计的C30、C40及C50混凝土抗冻标号均大于F300。抗硫酸盐侵蚀本试验采用混凝土长期性能和耐久性

56、能试验方法(GBJ82-85)，将lOOmmxlOOmmxIOOmm尺寸的试件成型30h拆模，放入温度为202。(2,相对湿度为605%的养护室中养护至7d龄期，再将试件分别置于8%硫酸盐溶液中侵蚀，同时将对比试件仍置于标准养护室中，在28d后将侵蚀试件和标准试件同时进行试压，检测其抗压强度，结果见表3-8。表3-8混凝土抗硫酸盐侵蚀试验编号抗压强度/MPa抗蚀系数对比件侵蚀件C3045.946.2100.7%C4053.452.698.5%C5060.159.799.3%武汉理工大学采用密实骨架堆积设计方法对嘉绍大桥各部位大体积混凝土的配合比进行了优化设计，利用高掺粉煤灰和矿粉取代部分水泥，

57、降低了混凝土的水化温升的同时，提高了混凝土的耐久性能和长期力学性能，试验成果可应用于嘉绍大桥的相关部位施工。4抗冲磨大体积混凝土配合比设计极其性能研究抗冲磨混凝土的相关作用原理对于水利水电工程，过水建筑物的磨损是不可忽视的重要题。高速水流挟带的泥沙和碎石，具有一定的动能，在随水过混凝土表面时会把部分能量传给材料,造成材料质点剥落。这种破坏与砂石特征、水流流速及过水表面体型特征等条件有关。悬移质或推移质的砂石磨损均是以不同冲角作用于材料表面的磨粒磨损。大粒径的推移质砂石，以滚动、跳动冲砸、滑动摩擦等方式作用于混凝土表面，既有摩擦作用对表面的微切削。又有冲击力对混凝土表面冲磨，破坏能力更大。混凝土

58、受冲磨破坏时,是先把其组成材料中耐磨性能较差的部分磨掉。若粗骨料的抗冲磨性能较水泥和细骨料组成的水泥石低，则粗骨料先被冲成凹坑；若粗骨料的抗冲磨性能优于水泥石，则挟沙水流先把水泥石冲掉，粗骨料逐渐裸露出来，随着冲磨的持续，粗骨料必将脱落。一般低强度混凝土的水泥石先被磨蚀掉，而高强、超高强混凝土的粗骨料先被磨蚀掉。一旦混凝土表面凹凸不平，失去了表面平整度，就会加剧冲磨破坏作用，并使周围混凝土破坏范围不断加大、程度逐渐加深，最终形成大的锥形坑，使混凝土完全丧失抗冲磨功能。更严重的是高速水流南锥形坑底部窜人混凝土基础底部，冲翻混凝土，危及结构的安全。近几十年，国内外对纤维增强混凝土作了大量研究。试验

59、表明，在混凝土中掺人入经特殊处理的纤维，可赋予混凝土一定的韧性，改善混凝土的抗裂性能及抗冲磨性能。特别是对抑制水泥基胶凝材料硬化早期裂建的产生有很大作用。聚丙烯纤维因其强度高、耐酸碱、抗老化、价格相对较低等性能优势，成为混凝土抗裂、抗冲唇的首选纤维。在混凝土中，当纤维以每立方米数千万条的数量加入到混凝土之中后,在其内部构成一乱向支撑体系，产生有效的多向二级加强效果，从而提高水泥基胶凝材料的抗拉强度;把混凝土收缩能量分散到高抗拉强度而相对较低弹性模量之纤维单丝上，阻止混凝土中原有缺陷微裂缝的扩展并延缓新裂缝的出现；减少混凝土内部的毛细管通道，降低混凝土暴露表面水分的损失率。同时，无数纤维丝形成的

60、支撑体系，有效的保证了均匀泌水，阻碍沉降裂建的产生。由此达到提高佐的变形能力，改善磅的韧性，提升抗冲磨能力。抗冲磨混凝土配合比优化设计原材料水泥：安徽海螺P.042.5R水泥，比表面积为377m2/kg;粉煤灰：浙江长兴电厂I级灰，需水量比为92%,细度为4.8%（筛余）；矿粉：浙江拓翔建材S95级灰，比表面积400m2/kg,实测比表面积为428m2/kg,流动度比为98%,7天活性指数为81%,28天活性指数为101%;砂：江西赣江河中砂，细度模数2.6-3.0;石：德清下柏石场525mm连续级配碎石，压碎值16%;减水剂：浙江五龙ZWL-A-IX缓凝高效减水剂，减水率为28.6%.引气剂