在橋梁工程中高性能混凝土抗壓強度影響因素探討

尚宏偉， 張 立

1中材建設有限公司（063030） 2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

高性能混凝土被認為是在高強混凝土基礎上的發(fā)展和提高，也可以說是對高強混凝土的進一步完善。但是將高性能混凝土（HPC）與高強混凝土（HSC）混為一談是不確切的。高性能混凝土不僅可以用天然材料構成制品[2]，而且可以采用大量的工業(yè)廢料制成復合性能的高強混凝土,如具有高強度、耐磨損、抗高溫且在寒冷、低溫凍融循環(huán)下性能不變、徐變小、硬度高，低透水性或不透水等性能。本文結合京滬高速常州至無錫段高性能混凝土的使用情況,評價時速350 km/h客運專線中高性能混凝土的強度狀況。

1 高性能混凝土配合比設計

試驗重點為粉煤灰、礦粉作摻合料對HPC性能改善的影響。將膠凝材料用量、水膠比和礦物摻合料摻量作為考察的影響因素，粉煤灰與礦粉的比例固定為3:1。

時速350 km/h客運專線梁體采用C50混凝土。由江蘇省恒來建材股份有限公司生產(chǎn)的P.042.5水泥性能滿足GB175—2007和《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》要求。

礦物摻合料粉煤灰（FA）為常州國發(fā)電廠I級粉煤灰，礦粉（SL）為張家港恒昌新型建筑材料有限公司S95江蘇沙鋼礦渣粉。

砂采用江西省贛江江砂，顆粒級配滿足n區(qū)要求，細度模數(shù)為2.9，中砂。

粗骨料采用南京金石磊碎石,顆粒級配符合5～26.5mm的連續(xù)級配，最大粒徑為20mm，其中粒徑為5～16mm的碎石占40%，粒徑為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 抗壓強度試驗結果分析

表2 抗壓強度試驗結果

由表1和表2可以看出,在試驗因素水平變化范圍內,礦物摻合料摻量、膠凝材料總量、水膠比都對混凝土抗壓強度有不同程度的影響。

2.1 3 d強度分析

為了直觀比較,通過趨勢圖分析強度指標與影響因素的關系。

由圖1可得出以下結論:

1）各因素影響對3d抗壓強度影響的順序為:礦物摻合料摻量、膠凝材料總量、水膠比，且三個因素對3d抗壓強度的影響都很顯著。

2）礦物摻合料摻量體現(xiàn)了礦粉和粉煤灰都影響早期強度，但對3 d抗壓強度來說30%是最佳摻量[4]。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小、密度增強、強度增大，而達到一定程度后，膠材用量的增加對強度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對3 d抗壓強度來說是個最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強度越小，它們之間有良好的線性關系。

2.2 7 d強度分析

從圖2可得出以下結論：

1）各因素影響對7d抗壓強度影響的順序為:水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量對7 d抗壓強度來說30%是其最佳摻量。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小，密實度增強，強度增大。

4）水膠比越大，抗壓強度越小[5]。

2.3 28 d強度分析

從圖3來看，可得出以下結論:

1）各因素影響對28d抗壓強度影響的順序為:水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量影響早期強度，但隨摻量的增加，28d的抗壓強度越高。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小、密實度增強、強度增大，而達到一定程度后，膠材用量的增加對強度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對28 d抗壓強度來說是個最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強度越小，它們之間有個良好的線性關系。

2.4 56 d強度分析

在試驗因素水平變化范圍內,水膠比的極差最大說明水膠比對試驗指標即56 d混凝土強度的影響最大,是主要因素;礦物摻合料摻量次要因素;膠凝材料總量影響不大[6]。

1）各因素對56 d抗壓強度影響的順序為:水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料總量。

2）礦物摻合料摻量影響后期抗壓強度，并隨摻量的增加，56 d的抗壓強度越高。

3）隨著膠凝材料用量的增加，混凝土空隙率變小，密實度不斷增強、強度逐漸增大，而達到一定程度后，膠材用量的增加對強度影響不大甚至下降，420 kg的膠凝材料總量對56 d抗壓強度來說是個最不利值。

4）水膠比越大，抗壓強度越小。

3 各因素對抗壓強度增長的作用分析

3.1 水膠比

水膠比是影響抗壓強度的第一因素,混凝土抗壓強度隨著水膠比的增大而減小。這是由于水泥水化的結合水一般只占水泥質量的23%左右，為了獲得必要的流動性，常需加入多余的水?；炷劣不?，多余的水分蒸發(fā)或殘留在混凝土中，形成毛細孔、氣孔或水泡，使水泥石有效斷面減弱，而且在空隙周圍還可能產(chǎn)生集中應力。因此，水灰比越小混凝土的強度越高[7]。嚴格控制水膠比是保證高性能混凝土強度的關鍵。

3.2 礦物摻合料

硅酸鹽水泥中的基本熟料礦物是 C3S、C2S、C3A、C4AF，其中主要的強度貢獻是C3S、C2S,它們在水泥石中的含量最多(約75%)，水化產(chǎn)物主要是鈣硅比為6～1.9的高堿度水化硅酸鈣(C/S＞1.5)和游離石灰，和低堿度的水化硅酸鈣(C/S＜1.5)相比強度要低得多。水泥水化過程中生成的大量游離石灰強度很低、穩(wěn)定性很差，在水泥石和集料界面富集并結晶成粗大晶粒，成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)[8]。

摻入活性混合材后,活性SiO2可以和游離石灰和高堿度水化硅酸鈣發(fā)生二次反應，生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿度水化硅酸鈣,這樣水泥石中的游離石灰可以被消除或減少[9]，水化硅酸鈣膠凝物質的質量得到提高，組成得到優(yōu)化，膠凝物質的數(shù)量大幅度增加,水泥石與集料的界面得到改善。因此混凝土的強度、耐久性得到大幅度提高。

水膠比為0.36時,抗壓強度值隨礦摻比增加先減小后增大，在40%是個低點,40%摻量的混凝土3 d、7 d、14 d、28 d和56 d強度為摻量 30%混凝土強度的 62%、60%、77%、88%和 90%，而 50%摻量的混凝土的 3 d、7 d、14 d、28 d和56 d強度為礦物摻合料摻量30%混凝土強度的73%、76%、88%、93%和99%，礦物摻合料摻量對早期強度影響較大，對后期影響很小。

隨著齡期的增長，礦摻料活性效應逐漸發(fā)揮，到后期時抗壓強度基本上與純水泥混凝土相當,礦摻料的摻入會降低混凝土的早期抗壓強度，但對后期抗壓強度影響不大。

3.3 膠凝材料總量的影響

各齡期混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增大大致都在降低，粉煤灰摻量的增多使早期強度降得很多[10]，但后期強度相差卻不是太大。粉煤灰取代水泥摻入混凝土中，造成水泥熟料的減少，必然生成C-S-H的量減少，所以造成混凝土早期強度的下降。隨著水泥水化產(chǎn)物與粉煤灰二次水化反應的進行，水泥水化生成的C-S-H的量增加，混凝土的強度增大，時間越長，水化生成的C-S-H的量就越多，混凝土的強度就越高。當摻粉煤灰的混凝土與未摻粉煤灰的混凝土產(chǎn)生C-S-H的量相接近時，二者強度就相差不大。這就是為什么摻粉煤灰對混凝土早期強度影響較大而對后期強度影響較小原因[11]。

同時可以看出單摻粉煤灰時的強度比復摻時降低很多，說明復摻的效果要優(yōu)于單摻。復摻時各種不同顆粒粒徑的膠凝材料之間相互填充,使拌水前的膠凝材料粉體實現(xiàn)緊密堆積。從而獲得良好級配，減小孔隙率，增加強度，同時也可降低混凝土的滲透性[12]。

4 小結

1）高性能混凝土相關因素對抗壓強度的影響不是單一的，是會相互影響的，分析的結果只能說明大致的走向。

2）水膠比的影響和普通混凝土一樣隨水膠比的增大抗壓強度減小，且兩者有良好的線性關系。

3）隨著礦摻比的增大抗壓強度呈先減小后增大的趨勢，有一個最佳摻量，但最佳摻量受水膠比和齡期的影響。

4）隨著膠凝材料總量的增加，抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，也有個最佳膠材量，最佳摻量受水膠比的影響。

5）粉煤灰比例的變化在前期影響比較大，到后期變化不大，這時候粉煤灰在充當水泥的性能。

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