混凝土高性能化关键技术研究报告

-PAGE20-连霍郑洛段改建工程示范段混凝土高性能化关键技术研究报告一、项目简介郑州至洛阳段高速公路是国家规划的“五纵七横”之一“连霍高速公路”的重要组成部分，是河南省高速公路网的主骨架。该工程全长106公里，起于郑州西南绕城枢纽互通西侧，止于洛阳西南绕城任庄枢纽互通西侧。连霍高速郑州至洛阳段是河南省交通最繁忙的路段之一，现有双向四车道已无法满足需要。2008年11月，连霍高速公路郑州至洛阳段改扩建工程正式开工。此次改扩建的路段全长106.39公里，在原四车道高速公路两侧各加宽8米，拼宽成整体式标准的双向八车道高速公路，使之成为河南省最宽的高速公路之一。该项目建设规模庞大，投资约50.4亿元，建成后将成为连霍国道主干线建设标准最高、设施最完善的路段，工程总体图如图0所示。图0连霍郑洛段高速改扩建总体图为提高工程质量，连霍郑洛段改扩建工程指挥部联合中冶建筑研究总院有限公司（原治金部建筑研究总院）开展“连霍郑洛段改建工程示范段混凝土高性能化技术研究”的研究项目。本项目以优化工程配合比、提高工程耐久性、节约工程投资和减少混凝土外观质量缺陷为目的。本项目研究主要以14标段为依托，利用现有原材料和硬件设施进行混凝土配合比优化，进而改善混凝土工作性、提高混凝土耐久性并达到减少外观质量缺陷的目的。二、主要研究内容通过对连霍郑洛段混凝土现状的调研和结构实体缺陷，以改善混凝土性能、降低混凝土成本，提高混凝土耐久性并改善结构实体外观为目标，本次技术研究主要包括以下内容：1、混凝土配合比优化。采用高性能混凝土理念对现行使用混凝土配合比进行优化，通过调整混凝土配合比参数，配制工作性能较好的混凝土，并保证混凝土的耐久性能。2、混凝土搅拌工艺优化。在现有混凝土搅拌工艺的基础上，通过改进现有拌合设备或优化混凝土搅拌工艺，达到充分拌合高性能混凝土的目的。3、混凝土振捣工艺优化。通过优化现有混凝土振捣工艺或引进混凝土先进混凝土振捣设备，并现场指导振捣工人振捣，避免因振捣不足或过振导致质量缺陷。4、柱子、高墩、预制梁外观优化。通过从混凝土原材料、配合比、搅拌工艺和灌注工艺进行全过程质量控制，从而达到改进混凝土外观质量的目的，并确保混凝土工程耐久性。5、混凝土高性能化指标体系建立。从自然环境条件出发，分析研究影响混凝土耐久性主要因素，并以此为主要考核指标，进行混凝土配合比调整，并建立检测工程实体构件混凝土质量的方法体系，确保混凝土工程的耐久性。三、研究路线本项目研究主要由工程建设指挥部牵头，以施工单位为主体，由中冶建筑研究总院有限公司选派专业技术人员进行指导，根据现有条件对混凝土进行配合比优化，再结合现有施工条件对施工工艺进行优化，最终达到减少混凝土外观质量缺陷的目的。其主要研究路线可用图1表示。

实地调研基础设施实地调研基础设施原材料配合比施工工艺结构物实体配合比评估基础设施及施工工艺评估缺陷配合比优化方案基础设施及施工工艺改进建议分析缺陷试验室试验实体构件试验满足降低成本核算形成工艺工法成果是否是否缺陷无有形成配合比优化成果第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段第四阶段第四阶段图1技术路线图根据图1描述的研究图线图，将研究工作划分为四个阶段（见图1虚线框所示）。第一阶段，调研阶段。通过对现有基础设施、原材料、施工工艺、实体结构物以及配合比进行调研，针对调研发现的缺陷进行分析。第二阶段，配合比优化阶段。根据调研及分析结果，提出混凝土配合比优化方案、基础设施及施工工艺改进方案，并通过试验室试验初步验证混凝土配合比的力学性能。第三阶段，实体构件试验阶段。根据力学性能试验结果，采用改进后的施工工艺和优化后的配合比进行实体构件试验，并针对施工过程中混凝土的工作性以及实体构件出现的外观质量缺陷进行配合比再优化。第四阶段，成果总结阶段。根据实体构件试验结果，形成混凝土配合比优化成果报告、相关施工工艺、工法成果报告。四、主要研究工作4.1实地调研实地调研工作目前已基本完成，本项目调研了NO.4、NO.6、NO.7、NO.14、NO.15等标段的施工现场、搅拌站、原材料、实体构件以及试验室。通过调研发现了诸多质量缺陷，包括外观质量缺陷（包括水纹、色差、锈迹、砂线、灰斑、烂根等）、涵身以及梁体表面存在微纹等图2。图2(a)锈迹图2(b)起粉图2(c)梁体腹板水纹图2(d)涵身裂纹图2(e)梁体腹板冷缝图2(f)梁体裂纹根据调研发现的问题，专家组进行了分析讨论，研究认为：1、混凝土表面锈迹主要因为模板未彻底清理干净就进行施工或模板处理完后遭遇阴雨天，开始施工前，没有对模板进行再次打磨清理，使模板上的锈迹粘附到混凝土表面。2、混凝土表面起粉主要与混凝土配合比、原材料、养护、模板打磨以及脱模剂有关。原材料含泥量过大，混凝土泌水、养护不及时以及模板打磨不够等都容易导致混凝土表面起粉。3、梁体腹板水纹。梁体腹板水纹是普遍存在的梁体质量通病，水纹产生的原因可能是由于混凝土过振或混凝土泌水。4、涵身裂缝主要是由于混凝土中水泥水化引起内部温度变化引起的温度裂缝，通过优化混凝土配合比，加强养护，可以避免裂缝的产生。5、梁体冷缝由于腹板混凝土在浇注过程中采用分层分段的顺序浇注，混凝土的凝结时间和分层分段浇注时间不匹配，上一层混凝土浇注时，先浇混凝土表面已经初凝，而振捣时又未插入到前一层的下面，就会在表面留下痕迹。同时，结合现有原材料分析，认为目前施工使用的混凝土配合比不经济，通过优化砼配合比，可一定程度上降低混凝土工程投资成本。4.2配合比优化4.2.1原材料分析试验用到的主要原材料包括偃师二级配碎石（5~10,10~20mm）、宜阳河砂（Ⅱ区中砂）、黄河同力PO42.5水泥、坚固）PO52.5水泥、洛阳热电厂Ⅰ级粉煤灰、地下水以及陕西恒升外加剂，其外观特性见图3。图3(a)水泥图3(b)粉煤灰图3(c)细骨料图3(d)粗骨料（小石）图3(e)粗骨料（大石）图3(f)外加剂原材料的主要性能指标见试验检测报告。4.2.2配合比调整根据对混凝土原材料分析的结果，在原有配合比的基础上进行了大幅度的调整。配合比调整的主要技术路线如下：1．骨料级配的优化骨料是混凝土中的重要组成部分，其体积占硬化混凝土体积的50%以上，采用优质骨料可以大幅度提高混凝土的性能，节约水泥用量，获得较好的经济效益。同时减少水泥用量可以降低混凝土的绝热温升，从而减小混凝土的收缩，有效的减少裂纹。传统混凝土的配制主要通过砂率来调整粗细骨料间的比例，从而获利较好的工作性。随着混凝土技术的发展，粗骨料逐渐采用多级配骨料组合而成。公路工程预制梁体一般采用大石子10-20mm和小石子5-10mm进行复合制得满足标准要求的粗骨料。在混凝土配制过程中，根据实际情况调整混凝土砂率，以获得较好的工作性。冶建总院高性能混凝土研究院根据多年研究经验，在骨料级配优化过程中将富勒理论和Shilstone理论进行了有机结合，本次优化过程中的富勒曲线和Shilstone曲线如图4所示。图4(a)优化前级配富勒曲线(n=0.5)图4(b)优化前Shilstone曲线图4(c)优化后的富勒曲线(n=0.5)图4(d)优化后的Shilstone曲线实践证明，优化后的混凝土工作性好，流动性提高，大大的增加了混凝土的流动性，减少了水泥用量。2．采用粉煤灰单掺技术粉煤灰在混凝土中的应用已经有几十年的历史，随着混凝土技术的发展，粉煤灰逐渐成为高性能混凝土不可或缺的一部分。用粉煤灰取代一部分水泥，可以节约成本，提高混凝土性能。粉煤灰在混凝土中的作用包括：(1)火山灰效应粉煤灰属于火山灰质掺合料，其中含有一定量的活性组分（SiO2和Al2O3等），这些活性组分可以与水泥水化后生成的Ca(OH)2反应，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙等反应产物，有助于混凝土后期强度增长。(2)润滑效应粉煤灰是在高温燃烧过程上形成的颗粒，显微镜下观察，大多数颗粒表面光滑，呈圆形，类似于一个个玻璃球，这样的“玻璃球”分散到水泥体系中，直到了一个滚珠轴承的作用，增加了混凝土的流动性。(3)填充效应粉煤灰的比表面积较水泥大，颗粒较小。一部分未水化的细微颗粒会填充在水泥水化产物的空隙中，起到“填隙作用”。使硬化后的混凝土更密实。(4)抑制碱骨料反应粉煤灰取代一部分水泥，降低了混凝土中的可溶性碱含量。同时粉煤灰与水泥水化产物氢氧化钙反应，消耗了氢氧根离子，降低了溶液的碱性，因此有利于抑制碱骨料反应。美国联邦公路局一项研究表明，采用粉煤灰取代水泥是抑制混凝土碱骨料反应最经济、最有效的办法。本项目优化过程中，采用粉煤灰取代水泥，最大量达30%左右，预制梁体混凝土的粉煤灰取代量达20%左右。实践表明，用粉煤灰取代水泥，混凝土工作性大大改善，成本大幅度下降。3．采用低水胶比技术低水胶比技术是高性能混凝土的特点之一。高性能混凝土采用低水灰比以保证混凝土的耐久性。根据吴中伟院士的观点，低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一，配制高性能混凝土的水灰比一般不宜大于0.40。采用较低的水胶比配制混凝土，可以降低混凝土的拌合用水量，提高混凝土材料的密实性和抗裂性能，减少孔隙率，改善集料与水泥浆体之间的界面性能，阻挡和延缓水份、气体及Cl-、SO42-等各种有害物质侵入混凝土内部，达到提高混凝土耐久性的目的。本项目优化过程中，预制梁体C50混凝土配合比水胶比为0.3左右，配合聚羧酸高性能减水剂，混凝土工作性好。4．配合比优化结果表2混凝土配合比优化情况编号强度等级使用部位每立方砼中材料用量(kg/m3)水泥粉煤灰砂石外加剂用量P-1C25水下桩34408361149萘系5.15G-1C25水下桩266778361065萘系5.15P-6C25墙身3940667118500G-6C25墙身2701207561135萘系3.90P-2C30承台泵送39107911092萘系3.91G-2C30承台泵送2591327911092萘系3.91P-3C30承台斗送40206611176萘系3.26G-3C30承台斗送300807351102萘系3.26P-4C50梁体46907291140羧酸5.60G-4C50梁体(PO52.5)375947301140羧酸5.60G-42C50梁体(PO42.5)399717311140羧酸5.60P-5C60梁体(PO52,.5)50006881122羧酸6.00G-5C60梁体(PO52,.5)420807051149羧酸6.00注：1.成本计算不包含水的成本；2.编号前面P代表原有配合比，G代表优化后配合比；3.成本变化栏表示优化前后的成本变化，结果为负表示成本降低；4.优化后混凝土工作性好，长期耐久性能尚需待龄期到达后方可试验。4.3搅拌系统及工艺优化为了更好的控制混凝土质量，项目在研究过程中得到了14标段经理项目部的大力支持，对搅拌控制系统进行了更换。更换前混凝土搅拌控制系统完全是人工手动控制，加水量是通过水流出时间来控制，因水流大小受水压、温度等因素的影响，因此用水量变化较大。同时，聚羧酸减水剂具有减水率高、对用水量敏感等特点，在施工过程中，混凝土工作性不易控制，波动较大，而控制系统本身不带有数据存储功能，不便于混凝土工作性出现异常的原因分析。为了解决这一难题，14标项目经理部对搅拌控制系统进行了全新改造，完全自动化的搅拌控制系统，所有原材料统一采用计重计量，并且存储每一盘实际材料用量，可用于误差分析和混凝土工作性变化的原因分析。全自动化的控制系统可以自行设定原材料的投放顺序，通过调整原材料的投放顺序，可以得出不同的搅拌工艺。结合硬件本身的特点，项目研究过程中主要采用两种搅拌工艺：一是所有原材料同时投进料机进行拌合；二是先将固体材料一同投入料机拌合15s后再投入液体材料，控制总的拌合时间不变。工艺二可以一定程度上缓解新出厂水泥温度高对混凝土工作性的影响。实践证明效果良好。4.4振捣工艺优化振捣工艺是混凝土成型过程的重要环节，振捣不足时，混凝土内部不实，直接影响混凝土的质量，甚至构件表面会出现“蜂窝”、“狗洞”等缺陷。过振会导致混凝土分层、表面灰斑等。因此振捣工艺和方法优化是混凝土高性能化的重要步骤。本项目在实施过程中主要针对以下工艺、方法进行了优化：1.分层振捣优化。分层振捣优化是指每层混凝土浇注时，振捣时间大致相同，上层混凝土浇注时，振捣器插入下层混凝土表面10cm左右。2.逐层加强振捣。所谓逐层加强振捣是指每层混凝土浇注时，振捣器都插入到底，振捣时间逐步增加。一般预制C50梁体腹板分三层浇注，第一层振捣时间最短，然后每层相应增加，每层浇注时振捣棒均插入底部进行振捣。3.采用高频振捣棒。项目研究还采用高频振捣棒替代普通振捣棒进行试验，采用高频振捣棒有利于提高振捣效率。4.采用附着式振捣器振捣。项目研究分别采用电动附着式振捣器和气动附着式振捣器进行试验。5.采用组合振捣。组合振捣即人工振捣加上附着式振捣器振捣。4.5浇注工艺优化预制C50梁体长25m，每片梁需要浇注混凝土28m3左右，目前通常采用搅拌车运输到现场，然后用吊斗进行转运浇注。正常情况下，浇注时间为5h左右。由于施工时间长，混凝土浇注工艺不恰当，会导致梁体表面冷缝、色差等质量缺陷。本项目主要研究了两种浇注工艺：1.先底板后腹板，斜向分层，纵向分段。该工艺先浇注一段底板，并将内模底板密封，然后再浇注腹板，实行分层分段的浇注方法。此法适应性强，即使混凝土的工作状态发生变化，流动性较小也能保证底板填充密实，但费时费力。2.直接由腹板浇注，斜向分层，纵向分段。该工艺要求混凝土有较好的流动性，腹板混凝土振捣后可流入底板并填充密实。此方法浇注速度快，但混凝土工作性发生变化时，底板有可能会出现空洞、填充不实等缺陷。4.6脱模剂优化脱模剂是影响混凝土表面质量的重要因素，传统使用的脱模剂多为机油和柴油按不同比例混合，甚至有用废机油进行混合。这种脱模剂有助于混凝土脱模，但不利于混凝土表面质量，混凝土表面可能出现油斑、黑点等缺陷，直接影响外观。本项目研究对多种脱模剂进行了尝试，并不断探索新的脱模剂品种，其中包括：1.光亮剂：选用汽车光亮剂对模板进行打光，这种方法成本高，速度慢，拆模后混凝土表面光泽度不好。2.液体石蜡：通过将地板蜡加热融化后均匀涂于模板表面，风干后即可浇注。这种方法速度快，混凝土表面光泽性好。缺点是冬天温度低，液体石蜡凝固快，不便于施工。3.自制脱膜剂：为了保证低温施工时混凝土的表面质量，项目组自行研制脱模剂。以机油和柴油为基体，通过乳化剂对基本进行乳化，降低基本粘度，有利于气泡排出。目前该脱模剂的缺点是不稳定，长时间静置后会分层，但搅拌均匀后不影响使用效果。五、结果分析5.1力学性能混凝土抗压强度是混凝土最常用，最基本的力学性能指标，本项目对混凝土配合比进行优化后，首先研究混凝土的抗压强度变化情况。优化前后混凝土强度见表3。表3可以看出，用粉煤灰取代一部分水泥后，混凝土的强度基本不变，满足施工需要。表3主要配合比抗压强度编号强度等级标准养护回弹强度7d28d7d28dP-1C25水下28.635.427.934.6G-1C25水下28.236.729.133.2P-6C2529.638.827.531.7G-6C2530.537.430.234.1P-2C3036.643.333.940.8G-2C3035.841.435.039.6P-3C30泵送34.240.6//G-3C30泵送32.238.3//P-4C5062.771.8＞60＞60G-4C5061.770.8＞60＞60G-42C5063.271.7＞60＞60P-5C6068.276.0//G-5C6066.573.3//对于预制梁体混凝土，力学性能除了混凝土抗强强度以后，弹性模量也是一个较为重要的指标。弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，也就是在一定应力作用下，发生弹性变形越小通过采用日本最新研制的实体弹性模量测定仪现场测定预制梁体的弹性模量，结果表明优化后混凝土的弹性模量没有大的改变。2-3#梁体采用优化前配合比浇注，48d时测得弹性模量为33.3Gpa，4-3#梁体采用PO52.5水泥优化的配合比浇注，28d时测得的弹性模量为35.2Gpa，4-4#梁体采用PO42.5水泥优化的配合比进行浇注，24d时测得的弹性模量为35.0Gpa。5.2耐久性能主要配合比的部分耐久性指标测试结果见图5。从现有氯离子扩散系数测试结果看（图6为测试方法），优化后的混凝土配合比渗透性有所降低，由于测试龄其不同，降低幅度不明显，如2-3#梁体混凝土采用原配合比浇注，对应标养试块48d的氯离子扩散系数（NEL法）为0.92×10-12m2/s，而4-3#和4-4#梁体分别采用PO52.5水泥、PO42.5水泥优化后的配合比，4-3#梁体对应标养试块28d时的氯离子扩散系数（NEL法）为0.87×10-12m2/s，4-4#梁体对应标养试块24d时的氯离子扩散系数（NEL法）为0.85×10-12m2/s。图5(a)NEL法测定28d龄期氯离子扩散系数结果图5(b)NEL法测定56d龄期氯离子扩散系数结果图6氯离子扩散系数试验（NEL法）根据混凝土水化过程分析，优化后的混凝土配合比随着龄期的增长，混凝土氯离子扩散系数降低，到达56d龄期时，优化后的混凝土氯离子扩散系数均低于优化前的混凝土。现场检测混凝土的透气性结果（图7为测试方法）同样表明优化后的混凝土配合比抵抗气体侵入性能明显优于优化前的配合比。结果如图8所示，评价标准见表4。图7梁体透气性检测图8图8表4AutoClam透气性测试结果评价标准混凝土质量等级空气渗透性系数（Ln(mbar)/min）很好A≤0.10好B>0.1,≤0.50差C>0.5,≤0.90很差D>0.95.3经济性通过配合比优化，混凝土工作性有了较大的提高，而且降低了成本，不同强度等级配合比成本变化情况如图5所示。图5优化前后混凝土成本变化图5可以看出，从C25到C60强度等级混凝土，配合比经过优化后，单方原材料成本大大降低，降低的幅度从7元/m3到30元/m3不等，混凝土强度等级越高，配合比优化后，成本降低越多。对于C50、C60高强度等级混凝土，目前多采用P·O52.5水泥进行配制，我们提出采用P·O42.5水泥进行优化配合比的技术方案，试验证明此方案完全可行，若采用此方案，每方混凝土的材料成本将降低70元以上。5.4外观效果本项目开展一个多月来，梁体的外观有了很大程度的改善（图6）表面质量缺陷明显减少，特别是色差、冷缝问题得到了较好的解决。图6(a)优化前梁体外观图6(b)优化后梁体的外观通过配合比高性能化，混凝土外观有了很大改善，冷缝、色差问题基本已经解决，梁体表面色泽均匀。除此之外，保证了梁体的完整性，边角完好，无破损。六、总结1、配合比优化过程中，大胆创新，不局限于标准规范，《公路桥梁施工技术规范》（JTJ041-2000）（以下简称“《桥规》”）建议高强混凝土（C50~C80）混凝土砂率宜在28%~34%，项目组根据原材料实际品质情况，调整砂率在36~40%之间，混凝土工作性有了较大的提高。2、目前公路行业预制梁体多采用纯水泥进行配合比设计，这样不仅造成经济上的巨大浪费，同时混凝土水化热较高对控制混凝土开裂不利，本项目在配合比优化过程中用大量的矿物掺合料来取代水泥，不仅降低了成本，而且极大程度上提高了混凝土的工作性和耐久性。3、配合比优化过程中能不拘泥传统的施工观念。通常认为预制梁体浇注时混凝土的坍落度控制在90~120mm较为理想，项目组根据实际情况，调整混凝土的坍浇度在170~200mm，混凝土的流动性好，工作性提高。4、为了改善混凝土实体外观，项目组采用“系统论”的观点，从混凝土配合比入手，综合考虑模板、脱模剂、浇注顺序、振捣方式、养护等综合因素，对每个因素进行研究，并最终形成成套技术。5、对比试验结果表明，虽然优化前后的混凝土配合比处于不同龄期，但优化后的混凝土强度明显优于优化前，无论是优化后的PO52.5水泥配合比，还是优化后的PO42.5配合比，其强度均优于优化前。对于梁体混凝土来说，其另一关键指标是弹性模量，试验结果表明，优化后的混凝土弹性模量高于优化前的混凝土弹性模量。6、根据已经取得的混凝土耐久性试验结果，优化后的混凝土配合比的氯离子扩散系数和低抗气体侵入的性能均优于优化前。根据大掺量掺合料混凝土渗透性能发展规律可预测，随着混凝土龄期地增长，其渗透性能还会近一步降低。若采用同龄期的试件进行比较，效果更明显。7、通过对混凝土配合比的优化，每方混凝土材料成本大大降低。以14标段预制梁混凝土配合比为例，采用PO42.5水泥优化后的配合比每立方米混凝土节省材料成本77元，每片梁按30立方米计算，每片梁可节省材料成本2310元，经济效益显著。

附件表1坚固PO52.5水泥性能指标序号项目单位检测结果1比表面积m2/kg3882烧失量%3筛余%4标准稠度用水量%27.85安定性-0.56碱含量%0.537氯离子含量%0.0228SO3%0.399fCaO%10Mg