周立君：绿色高性能混凝土在桥梁结构中的应用

宁夏路桥混凝土专家委员会主任周立君

为进一步促进我国水泥和混凝土企业对石灰石粉的研究与应用，中国混凝土与水泥制品协会于2013年6月22日在广西南宁组织召开了全国石灰石粉在水泥与混凝土中应用技术研讨会。宁夏路桥混凝土专家委员会主任、宁夏路桥集团股份有限公司高级工程师周立君做题目为《石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土在桥梁结构中的应用》的报告，为参会人员介绍高性能混凝土组成材料的质量要求及其优缺点，以及研究目的、用途和意义。他介绍，通过宁夏路桥三年施工验证：石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土具有“良好的流动性、体积稳定性、易密性、可泵性”，易于浇注、振捣和密实，通过聚羧酸减水剂使其具有早期强度高、后期强度持续增加，增加梁板结构25%应力储备。其抗冻性、抗渗性、耐磨性、耐腐蚀性、抗碳化性及拟制碱集料反应均优于普通混凝土。 

304盐池至红井第一合同段粉煤灰和石灰岩粉现浇箱梁

高性能混凝土组成材料的质量要求及其优缺点

（一）、高性能混凝土特点

通过宁夏路桥三年施工验证，石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土具有“良好的流动性、体积稳定性、易密性、可泵性”，易于浇注、振捣和密实，通过聚羧酸减水剂使其具有早期强度高、后期强度持续增加，增加梁板结构25%应力储备。其抗冻性、抗渗性、耐磨性、耐腐蚀性、抗碳化性及抑制碱集料反应均优于普通混凝土。

（二）、高性能混凝土组成材料

高性能混凝土生产的核心技术是“混凝土配合比”，关键技术是“混凝土拌合设备和计量、控制系统”。高性能混凝土要达到“内实外美”，在施工中还要坚持“模板是关键、工艺很重要、湿养不可少”十五字方针。

1、水泥

水泥是高性能混凝土中最关键的组分，水泥比表面积和C₃A含量依据JTG/T 50-2011 表6.15.4水泥技术要求：硅酸盐水泥和抗硫硅酸盐水泥比表面≤350m²/kg ，熟料中C₃A含量≤8%。有些水泥厂为了提高水泥的早期强度，P.O42.5普通硅酸盐水泥比表面积＞400m²/kg；水泥厂在生产过程中采用了降低烧成温度使水泥熟料中C₃A＞10%。水泥比表面积＞350m²/kg和C₃A＞10%，混凝土水化反应速度加快，混凝土水化热增加，造成减水剂相容性变差；C₃A它是水泥四种组分中遇水反映速度最快，水化热最高的组分；C₃A的化学收缩量率是C₂S的3倍，是C₄AF的5倍。GB175-2007硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定，水泥比表面积＞300m²/kg，没有上线限制。这就造成混凝土后期强度到缩，施工单位“二次加水”，混凝土光亮度和耐久性差等质量通病。

高性能混凝土水泥中C₃S和C₃A的总含量宜不超过58%，该种硅酸盐水泥具有较高的抵抗硫酸盐侵蚀能力，水化热中等，有利于混凝土体积稳定，避免混凝土表面因温差过大而出现宏微观裂缝。 [Page]

2.其它胶凝材料料

矿物质掺合料是高性能混凝土中不可缺少的组分，其掺入的目的是调节水泥性能，增加活性、流动性、抗分离性、调节黏度及塑性，填充水泥石中的微孔，以利于提高混凝土的强度、密实性、特别是对混凝土的耐久性及防止碱集料反映、降低混凝土水化热等有明显效果。高性能混凝土常有的矿物质掺合料有：硅粉、矿粉、粉煤灰、沸石粉、石灰岩粉及其他微粉。

（1）粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂锅炉以煤粉作为燃料，从其烟气中收集下来的灰渣。Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰一般是指粒径10um的分级灰，比表面积为400~600m²/kg，含有大量的球状玻璃珠。粉煤灰的主要成分与矿粉基本相同，也是活性SiO₂和Ai₂O₃。粉煤灰是高性能混凝土必不可少掺和料之一，不掺粉煤灰就不具备高性能混凝土品质。粉煤灰在混凝土中的微珠效应、填充效应和火山灰效应极大改善了混凝土和易性、密实性及强度性能。粉煤灰因具有三大效应特点，因此能更好地发挥粉煤灰减水—増浆—调凝—密实—协和等五项基本功能，从而使混凝土的结构和性能，发生预期的变化。优质的粉煤灰是配制高性能混凝土的理想材料。高性能混凝土粉煤灰采用内掺技术，普通混凝土强度大于C50用Ⅰ级粉煤灰，内掺能取代15%~20%的水泥；高性能水下混凝土强度不大于C50用Ⅱ级粉煤灰，内掺能取代30%~40%的水泥。

（2）石灰岩粉

石灰岩粉用新破碎1~2cm石灰岩碎石，含泥量不大于0.5%，泥块含量不大于0.25%，经欧式磨细成填充材料。石灰岩粉平均粒径8um，石灰岩粉需水量比为92%，小于其它胶凝材料其具有减水剂功效，因此它的工作性能优于其它胶凝材料。外掺15%~20%石灰岩粉主要目的就是填充粉煤灰和水泥孔隙率，混凝土孔隙率每降低1%，其强度增加5%。掺加石灰岩粉可以改变混凝土外表颜色，能够和粉煤灰产生叠加效应，降低水化热，补偿粉煤灰混凝土早期不足缺陷；具有保水、防止离析和泌水、改善混凝土工作性。在高性能砼采用内外掺技术，可以取代水泥10%~15%，降低混凝土脆性系数，防止混凝土裂缝。

通车二年后粉煤灰和石灰岩粉高性能混凝土路面

3.粗细集料

高性能混凝土骨料的选择，对于保证高性能混凝土的物理力学性能和长期耐久性至关重要，破碎碎、砾、卵石和水洗中粗砂及细砂要分仓计量，严禁使用混合料，这样才能保证粗集料连续级配，使混凝土泵送质量稳定。

（1）细集料的选择

细集料宜选择石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数控制在2.6~3.2之间，砂率控制38%~42%之间，泵送HPC混凝土砂率控制在38%~45%范围内。技术指标见新桥规6.3.1，6.3.4。

（2）粗骨料的选择

粗集料的形状和表面特征对混凝土强度影响很大，清华大学廉慧珍教授认为，混凝土粗集料需要宏观球形，也就是说要严格控制针片状含量。尤其在C60以上高强度混凝土中，骨料的形状和表面和表面特证对混凝土强度影响更大。表面较粗造的结构，可使骨料颗粒和水泥石之间形成较大的黏着力。但是，针片状的骨料会影响混凝土流动性和强度，针片状含量应满足《桥规》表6.15.6限值。

4.高性能减水剂

由于C40以上高性能混凝土的胶凝材料用量大、水灰比低、拌合物的黏性大为了使混凝土获得高工作性，所以在配置高性能混凝时，宜采用第三代高性能聚羧酸液体减水剂（减水率大于25%，萘些列减水率大于15%），不宜使用使用第二代高效萘系列粉剂减水剂。

5.高性能混凝土优缺点

（1）高性能混凝土和普通混凝土比较具有如下优点:

高性能混凝土摩阻力小易于拌合、运输、振捣其工作性好；水灰比易于控制且体积稳定；坍落度经时损失小；不易产生离析泌水；混凝土外观颜色一致没有明显色差且光亮度好；混凝土长期力学性能和耐久性比普通混凝土高；能够消除混凝土质量通病等优点。

（2）高性能混凝土和普通混凝土比较有以下缺点：

高性能混凝土对拌合楼操作人员技术水平和责任心要求较高；对混凝土拌合楼计量和控制系统要求较高。

研究目的、用途和意义

1、研究目的

高性能混凝土是二十一世纪现代混凝土技术，它具有体积稳定性好、具有高耐久性、高强和高工作性能等特点。

高性能混凝土技术地应用，可以克服传统混凝土质量通病：色差大、光亮度差、蜂房状裂纹、施工缝明显、施工工作性差；回弹强度离差系数大等质量通病。

2、用途

适用于C25以上普通混凝土和水下混凝土，特别是对混凝土回弹强度和外观质量要求较高的“立柱、盖梁、空心板边梁、箱梁、防撞墙、滑膜路缘石”等构造物，混凝土回弹强度离差系数不大于10%，混凝土外观使具有大理石效应。

高性能混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量应满足《桥规》表6.15.9-1规定。

3、应用意义

高性能混凝土符合国家“环境友好型、资源节约型”产业政策，每方混凝土其他胶凝材料用量应满足《桥规》6.15.9第2条规定。桩基础粉煤灰掺量不大于30%，水胶比不大于0.45。

高性能混凝土由于粉煤灰和水泥的二次反应，其密实性优于普通混凝土，混凝土抗渗性和耐腐蚀性均优于普通混凝土。304项目C30桩基混凝土采用水泥280kg/m³、粉煤灰120kg/m³，水胶比0.43，砂率40%，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝的0.8%。混凝土试件7d强度大于设计强度的85%，试件28d强度大于设计强度1.25倍。桩基超声波检验，掺有粉煤灰的混凝土桩基声速为4800m/s，不惨粉煤灰混凝土的声速为4100m/s。

混凝土掺加工业废粉，可以节约土地、减少污染源。据有关文献记载每减少一吨水泥用量可以节约标准煤154kg，减少CO₂排放量1吨，每方降低混凝土造价20元/m³~50元/m³为子孙后代造福，为宁夏绿色交通做出突出贡献。

高性能混凝土易于振捣成型，混凝土不离析、泌水[Page]

 主要技术指标

宁夏路桥和其他商混站从2010年至今共使用共用C25-C50石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土98万方。通过C25-C50构造物28d回弹强度均达到设计要求，加聚羧酸减水剂高性能混凝土碳化深度均小于萘系列粉煤灰矿粉混凝土，外观颜色和光亮度均优于其它胶凝材料混凝土，克服了混凝土质量通病。

“事物发展是无限的，而个人认知事物是有限的”。我们只有不断地探索、学习并勇于实践，才能对事物有循序渐进地认识。

考核“高性能混凝土技术”施工工作性是否满足施工需要；高性能混凝土7d、28d和60d抗压和抗折强度是否满足新桥规要求；高性能混凝土的耐久性（抗碳化性能、抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性、耐磨性、混凝土抗干缩性能）；高性能混凝土不同减水剂对高性能混凝土性能的影响;高性能混凝土脆性性能。

1、高性能混凝土的工作性

工作性包括其流动性、黏聚性、保水性三个不同方面，它是针对具体施工条件的一个矛盾统一体。

坍落度是表示新拌混凝土流动性大小的指标。在施工中，坍落度越大，流动性越好，则混凝土拌合物的工作性越好。

通过实际应用发现：石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土其它胶凝材料混凝土相比具有以下优点：施工工作性好、坍落度经时损失小、混凝土易于振捣密实、混凝土不易离析和泌水其黏聚性好。

高性能混凝土其坍落度控制：施工采用吊车配吊斗现浇混凝土坍落度宜控制在150~180mm，采用混凝土泵车坍落度宜控制在180~200mm。

要根据施工现场温度、机械配备、混凝土罐车运输距离、施工现场混凝土浇注时间等因素统筹兼顾，合理计算每辆罐车运量，要保证混凝土在坍落度经时损失时间内，其坍落度满足混凝土工作性的条件下施工。严禁混凝土罐车二次加水。

高性能混凝土在以上项目运用，其构造物作业队、拌合楼、混凝土罐车、泵车等操作人员反映：高性能混凝土易于浇筑成型、因粉煤灰具有璃珠效应，高性能混凝土摩阻力小并延长泵管使用寿命25%；黏聚性和保水性好、塌落度经时损失小、高性能混凝土比较柔混凝土路面易于切缝等优点。

2、高性能混凝土强度

高性能混凝土技术:粉煤灰掺量內掺10~15%，石灰岩粉（内或外掺10~15%）。高性能混凝土具有早期强度高、混凝混凝土表面没有明显施工缝和蜂房状裂纹、混凝土表面具有大理石效应等优点，能够消除混凝土质量通病。

3、高性能混凝土耐久性

（1）抗碳化能力

吴中伟院士认为：W/C≥0.5混凝土毛细孔成倍增加，水灰比在0.38~0.42混凝土只有凝胶孔无毛细孔，混凝土毛细孔增加碳化深度增加，混凝土耐久性降低。

混凝土单位用水量增加，混凝土易产生离析和泌水，匀质性变差。离析和泌水使混凝土回弹强度均方差大，离差系数大于10%，碳化深度增加，混凝土外观颜色色差大。

优质粉煤灰外掺10%~20%对普通混凝土抗碳化能力影响不大。在试验中C30和C50混凝土内掺粉煤灰用大坝电厂Ⅰ级粉,内掺吉良中基石灰岩粉10%~15%混凝土抗碳化能力优于其他胶凝材料混凝土。

（2）抗渗等级

在试验中发现C30和C50混凝土内掺粉煤灰用量10%~15%大坝电厂Ⅰ级粉,内掺石灰岩粉10%~15%,混凝土抗渗能力优于其它胶凝材料混凝土。没有掺其他胶凝材料混凝土抗渗等级不大于P8，高性能混凝土抗渗等级均大于P12。

（3）抗冻性能

在试验中发现混凝土内掺粉煤灰用量15~20%大坝电厂Ⅰ级粉煤灰,内掺石灰岩粉15%~20%,混凝土抗冻能力优于常规混凝土。C50没掺其它胶凝材料现浇箱梁混凝土抗冻等级为F200；而高性能混凝土250次冻融循环：冻后质量损失1.9%≤5%,相对东弹性模量74%≥60%。C50抗冻等级大于桥规6.13.3-1要求且不低于F250。

（4）耐腐蚀性能

采用双掺、三掺技术，掺加粉煤灰、石灰岩粉、硅粉、矿粉混凝土抗Na2SO4腐蚀性能优于不掺其他胶凝材料混凝土。

（5）抗磨性能

据有关文献记载，掺加粉煤灰、石灰岩粉、硅粉、混凝土抗磨性能优于普通混凝土。宁夏所有检测机构没有此项试验。

（6）干缩性能

据有关文献记载，掺加粉煤灰、石灰岩粉混凝土抗干缩性能优于普通混凝土。

宁夏路桥从使用石灰岩粉和粉煤灰绿色高性能混凝土所施工构筑物没有发现蜂房状裂纹，薄壁桥台至今没有发现干缩裂缝。

中科院吴中伟院士认为，掺加优质粉煤灰具有补偿收缩混凝土特性。因此外掺粉煤灰和石灰岩粉高性能混凝土特别适用于薄壁桥台和混凝土路面施工。

4、不同减水剂对高性能混凝土的影响

高性能混凝土的外加剂必须选用聚羧酸高效减水剂，因为聚羧酸高效减水剂是第三代减水剂，其性价比优于我公司目前使用第二代萘系列减水剂。聚羧酸液体外加剂是制备高性能混凝土的关键，但不同聚羧酸外加剂有不同的特点，有的侧重减水，有的侧重保塑，有的侧重减少混凝土的黏聚性，因根据不同混凝土的具体要求和试验结果，选择适合的聚羧酸系外加剂。

（1）混凝土工作性能：

以聚羧酸系减水剂配置的混凝土减水率大于萘系列减水剂，相同用量其流动性好，坍落度损失小，混凝土不泌水，振动时气泡不易溢出；萘系列减水剂流动性较差，坍落度损失较快，容易泌水，振动时大气泡多。聚羧酸减水剂和各种常用胶凝材料相容性好，而萘系列减水剂和常用胶凝材料相容性差。

（2）二种减水剂7d强度有较大差别：聚羧酸减水剂大于萘系列减水剂，聚羧酸减水剂试块强度离差系数小于萘系列减水剂，聚羧酸减水剂早期强度和28d强度均高于萘系列减水剂，据有关文献介绍：聚羧酸减水剂适合冬季低温低温条件下施工。聚羧酸减水剂养护温度越低越有利于28d强度发展。

（3）构造物外观：聚羧酸减水剂构造物整体颜色均匀一致，外观有光亮感，表面气泡小，萘系列减水剂混凝土外观色泽发暗，缺乏光亮感。

（4）聚羧酸减水剂混凝土抗碳化能力优于萘系列减水剂；

（5）在混凝土早期收缩方面，聚羧酸减水剂优于萘系列减水剂，对提高混凝土体积稳定性非常有利；

（6）聚羧酸减水剂性价比优于萘系列减水剂；

（7）聚羧酸液体减水剂符合桥规6.9.2规定且易于计量，便于拌合楼控制；萘系列粉剂减水剂有些项目部采用农民工称量添加萘系列粉剂减水剂，因天气热、劳动强度大且脏、作业农民工难免偷懒（少加或不加），造成减水剂浪费，混凝土强度低且色差大。

以上结论来源于银巴一标、东毛项目A7标和304项目。现在我国许多混凝土外加剂生产厂家产品质量波动较大，前期所供应减水剂质量基本能满足要求，中后期生产厂家为降低成本，改变外加剂配合比，对混凝土性能造成巨大地影响。因此，要加大外加剂检测频度，严格控制外加剂质量。我们的经验做法为，检测外加剂融水后的比重，如比重波动较大，证明生产厂家改变外加剂配合比，项目部应立即与供应商交涉并停止使用；也可采用水泥净浆流动度试验进行测试。减水剂和混凝土适应性差，会造成混凝土塌落度损失大，拌和站和罐车司机被动加水，造成混凝土离析和泌水，蜂房状干缩裂纹多，回弹强度低，构造物不得不推到重新浇筑，给项目部造成经济和社会形象损失，教训深刻。

5、混凝土脆性系数

水泥胶砂抗压和抗拉强度的比值，成为脆性系数。此值的大小反映混凝土抗裂性能。通常情况下是提高混凝土抗拉强度和极限拉伸值，降低混凝土弹性模量及收缩变形等。σ应力=E弹性模量×ε应变提高混凝土强度会使弹性模量增大。为了提高混凝土极限拉伸值而增加水泥用量会导致混凝土干缩裂缝，而且热变形值也增加。因此改变混凝土抗裂性能思路是，在保证混凝土强度不变的前提下，降低混凝土回弹模量，提高混凝土极限拉伸变形能力。

通过施工现场和试验得出结论，掺加粉煤灰、石灰岩粉可以降低混凝土弹性模量，可以降低混凝土早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。公司委托宁夏建筑材料产品监督监测站试验C50高性能混凝土动弹性模量3.76GPa左右，普通C50混凝土动弹性模量4.2GPa左右，掺加粉煤灰和石灰岩粉高性能混凝土动弹性比普通混凝土低10%左右。此高性能混凝土比较柔，对防止混凝土特别是路面早期裂缝和应变裂缝非常有益。

银巴一标承担武警基地混凝土路面项目负责人刘鹏舟和作业队负责人赵志平反映：掺加粉煤灰15%和石灰岩粉20%的混凝土比商品混凝土柔，同样时间商混站粉煤灰混凝土只能切一道缝，而银巴一标粉煤灰和石灰岩粉混凝土能切三道缝且工作性及抗裂性能优于商品混凝土。此项目混凝土路面作业队宁可等银巴一标高性能混凝土而不用商混站粉煤灰混凝土。