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科技成果文本--三明长深高速A3标高性能砼双掺技术研究.doc

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科技成果 文本 三明 高速 A3 标高 性能 砼双掺 技术研究
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1三明长深高速 A3 标高性能混凝土双掺技术研究中铁十七局集团第六工程有限公司 月仁荣、杨胜忠、任平、谭志亲、贺恩友、张勇军、兰海弋课题来源随着我国高速铁路及公路建设对混凝土各项技术指标要求越来越高,公司近年承揽了大量的高速铁路及公路施工任务,年混凝土需要量在 150 万 m3以上。如何通过自主创新和引进消化吸收再创新,掌握高性能混凝土双掺技术、质量控制等核心技术,推动公司混凝土生产技术进步,成为一个非常迫切的课题。总结我公司多年混凝土施工经验,如何改变原来高速公路项目普通混凝土配合比传统设计思路,在高速公路施工领域使用双掺(粉煤灰、矿粉)技术,全面推广成熟的高性能混凝土技术,设计出工作性能稳定,符合常规及复杂施工条件下需要的高性能混凝土。2011 年上半年,公司由中心试验室牵头组成混凝土专家组会同长深高速 A3 标项目部,首次在公司高速公路项目开展高性能混凝土双掺技术研究,经过大量基础试验研究及检测,设计出性能优异、质量稳定的混凝土,并取得了良好的社会经济效益。为更好的推广长深项目高性能混凝土双掺技术,通过本次技术研究工作总结,对今后类似工程的混凝土配合比优化提供借鉴经验。1.混凝土双掺技术研究现状1.1 国内混凝土双掺技术研究现状双掺技术是高性能混凝土技术中不可缺少的技术手段,双掺即在混凝土中掺入外加剂和矿物掺合料。外加剂主要指无需取代胶凝材料而外掺的小于胶凝材料用量 5%的化合物。用于高性能混凝土的外加剂有减水剂、缓凝剂、引气剂等。矿物掺合料主要包括粉煤灰、矿渣粉和硅灰等,硅粉的细度细,掺入占水泥重量的 5%~10%的硅粉,可以取代 10%~25%的水泥,但硅粉来源少、价格高,难以大量应用。现阶段我国粉煤灰年排渣量达 2 亿多吨,水淬矿渣粉的年排放2量为 8000 多万吨。随着电力工业和冶金工业的发展,燃煤电厂的粉煤灰和冶金企业的矿渣粉排放量将逐年增加,占地面积必然随之加大。双掺技术的使用给矿渣粉和粉煤灰的综合利用开创了一条绿色环保的通道,同时大大改善了混凝土的工作性能,更加适合工程的需要。赵多苍等研究了双掺粉煤灰和石灰粉对混凝土的氯离子渗透能力和冻融性能的影响。王稷良、王雨利等研究了粉煤灰和矿粉对高强混凝土耐久性的影响,结果表明:粉煤灰和矿粉均可明显改善混凝土抗氯离子的渗透性能,矿粉比粉煤灰的作用更加显著,且随掺合料取代量的提高,混凝土抗氯离子渗透性能提高。杨钱荣、张树青、杨全兵等做了掺钢渣-矿渣-粉煤灰复合微粉混凝土性能研究,结果表明:在同水胶比下,复合微粉等量取代水泥后,可有效降低混凝土的干燥收缩,且混凝土的抗氯离子渗透性能显著提高。胡明文通过郑西客运专线 32m 预应力梁 C50 泵送混凝土双掺粉煤灰和矿渣粉试验,在掺量达 36%的情况下,混凝土的强度和耐久性技术参数达到设计要求,明显改善混凝土的综合性能。矿渣磨至超细粉取代混凝土中部分水泥后,使得混凝土的流动性提高,泌水量降低,缓凝,早期强度可与硅酸盐水泥混凝土相当,但后期强度高,耐久性好。超细磨矿渣对混凝土耐久性的贡献表面在优异的抗氯离子渗透性和抗化学侵蚀性,良好的抗冻性和抗渗性。粉煤灰能明显改善混凝土的收缩性能;更多地节约水泥和处理电厂废弃物,可节能、节约资源和改善温室效应;降低混凝土材料成本;降低混凝土水化热;提高混凝土抗渗、抗腐蚀等性能。研究表明:双掺、三掺比单掺更容易使混凝土结构获得优质工程性能,双掺矿渣粉、粉煤灰作为掺合料,国家目前没有相应的标准规定其在混凝土中的具体掺量,各预拌混凝土生产企业在使用矿渣粉作掺合料时,掺量主要是根据其实验室配合比确定,而其在试配时往往只注重混凝土力学性能指标,忽视其耐久性指标。本项目针对不同掺量比例的粉煤灰、矿渣超细粉对高性能混凝土的力学性能、工作性能和耐久性等的影响展开研究,得出较优的掺量比例,用于指导生产实践。31.2 公司混凝土双掺研究现状近年来,在我公司承揽施工的津秦、京沪等高铁项目,高性能混凝土配合比设计过程大量应用粉煤灰、矿粉双掺技术,降低混凝土生产成本及环境污染程度。目前高铁高性能混凝土中粉煤灰掺入多,矿粉掺入少,尤其在北方冬季施工,粉煤灰掺入多使混凝土密度降低,易产生浮浆、流沙,且 7d 强度偏低,对混凝土结构物外观及工期造成影响。针对存在的问题,公司在长深 A3 标项目开展混凝土双掺技术研究,针对粉煤灰及矿粉不同掺量掺量进行调整,对混凝土性能进行试验分析,确定合适的双掺比例,提高混凝土配合比设计、施工生产水平。2.工程概况福建省三明市长深高速公路连接线位于福建省西北部,起于规划的海西高速网中的第六横“厦沙线”呈东北西南走向,经在建的三明市综合交通枢纽、沙县、三明市区、永安市,连接厦沙高速,长深高速三明连接线。本项目 A3 合同段合同造价为 5.38 亿元,线长约 4.407km,按双向 6 车道一级公路标准建设,设计等级为高速公路。主要结构物:互通立交 1 处;特大桥、大桥各一座,全桥 1300 延米;隧道 1.5 座,计长 2386.5m,C15~C40 混凝土约 24 万 m3、主墩及梁部 C50 混凝土 6 万 m3,总计结构混凝土设计用量约 30 万 m3。2.1 主要混凝土结构物情况马林大桥主墩采用空心薄壁墩高 104m,单墩混凝土需求量超过 5000m3;部分梁采用悬灌梁施工工艺,悬灌最大跨度为 72m,宽度 25.25m。由于本项目混凝土结构物多、混凝土方量大,双掺技术成为节约施工生产成本、提高混凝土耐久性的有效途径之一。2.2 主要混凝土工程技术难点高墩混凝土及大体积悬灌梁施工浇筑,采用泵送混凝土作业,施工时段正值三明地区是 6、7、8 月份高温季节。且单墩混凝土方量大,对混凝土的技术要求特别高,主要有混凝土远距离运输、高温条件施工、高扬程泵送、大体积4施工混凝土水化热控制、坍损较快等技术难题。3.混凝土组成材料选用混凝土配合比优化使用材料与优化前基准配合比使用材料相同,拟选用项目附近现有的材料:产自三明的中砂、产自三明的碎石、产自福建的 P.O52.5水泥、产自福建的 P.O42.5 水泥、产自永安的Ⅱ级粉煤灰、产自三明的 S95 矿粉、产自厦门的聚羧酸高性能减水剂、产自山西的聚羧酸高性能减水剂。其中产自福建的 P.O52.5 水泥及产自厦门的聚羧酸高性能减水剂主要用于 T 梁 C50混凝土及现浇梁 C50 混凝土。3.1 砂三明地区河砂资源丰富,级配良好、质地坚硬,质量稳定。产自三明的中砂,砂细度模 2.6-3.0 不等,介于中粗砂范围,氯离子含量符合规范要求,试验检测结果详见表 1。表 1 河砂试验检测统计表材料名称规格等级 产地细度模数表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m 3)含泥量(% )泥块含量(%)备注河砂 中砂 三明 3.0 2.610 1.460 1.6 0.3 SJ110308013.2 碎石产自三明的普通碎石,其规格为:4.75-13.2mm 、13.2-19mm、19-31.5mm,碎石颗粒级配按三级掺配后为连续级配,粒形较好,线膨胀系数较小。T 梁及悬灌梁配合比中反击破碎石采用 4.75-13.2mm 、13.2-19mm 两档碎石进行掺配,颗粒级配良好,两级碎石粒形均匀、圆润,线胀系数小,试验检测结果详见表 2。表 2 碎石部分试验检测项目统计表材料名称规格(mm) 产地母岩抗压强度(MPa)含泥量(%)泥块含量(%)针片状含量(%)压碎值(%)备注碎石 4.75-13.2 三明 128.7 - - - - -碎石 13.2-19 三明 128.7 0.2 0.0 4.2 9.65碎石 19-31.5 三明 128.7 0.2 0.0 3.3 9.63.3 水泥产自福建的 P.O52.5、P.O42.5 水泥,强度富余系数大于 1.15,整体富余系数较高,试验检测结果详见表 3。表 3 水泥部分试验检测项目统计表材料 名称规格等级 产地比表面积(m 2/kg)3d 抗压强度(MPa)28d 抗压强度(MPa)3d 抗折强度(MPa)28d 抗折强度(MPa) 备注水泥 P.O42.5 福建 340 26.3 53.6 5.1 7.5 SN11030801水泥 P.O52.5 福建 361 29.3 61.0 6.1 8.8 SN110308023.4 掺和料粉煤灰、矿粉粉煤灰采用产自永安的Ⅱ级粉煤灰,质量符合Ⅱ级灰要求(试验检测结果详见表 4) 。矿粉采用产自三明的 S95 矿粉,密度为 2.9g/cm3,质量稳定(试验检测结果详见表 5) 。表 4 粉煤灰部分试验检测项目统计表材料名称规格等级 产地细度(% )需水量比(%)烧失量(%)含水率(%)28d 活性指数( %)备注粉煤灰 II 级 永安 13 88 1 0.2 -表 5 矿粉部分试验检测项目统计表材料名称规格等级 产地比表面积(m 2/kg)7d 活性指数(%)28d 活性指数(%)流动度比(%)含水率(%)备注矿粉 S95级 三明 446 80 101 106 0.23.5 减水剂减水剂主要使用产自厦门的聚羧酸高性能减水剂及产自山西的聚羧酸高性能减水剂,外加剂各参数符合普通混凝土配合比设计要求(试验检测结果详见表 6) 。表 6 减水剂部分试验检测项目统计表材料名称 规格等级外加剂产地减水率(%)28d 抗折强度比(%)3d 抗压强度比(%)7d 抗压强度比(%)28d 抗压强度比(%)泌水率比(%)6减水剂KDSP-1(标准型) 山西 24.3 120.7 175.1 147.5 138.4 30.7减水剂 聚羧酸 厦门 31.6 115.2 162.0 142.1 130.2 35.63.6 水混凝土拌和用水选用拌合站饮用水,其主要指标有:PH 值 7.35,不溶物170mg/L,可溶物含量 405mg/L,氯离子含量 6.59mg/L,碱含量 37.7mg/L,符合普通混凝土用水技术标准规定。4.混凝土配比设计长深项目混凝土配合比设计包括选择和检测原材料,依据各强度等级混凝土拌和物技术性能,确定各组成材料的相对比例,各组成材料技术性能要求符合 GB50164-2011《混凝土质量控制标准》的规定。保证混凝土的实际生产强度要符合 GB 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》的规定。配合比设计分别考虑各组成材料对混凝土强度,和易性的影响。各强度等级混凝土配合比设计及材料用量详见表 7,各强度等级混凝土 28d 抗压强度符合设计要求,混凝土设计配合比抗压强度详见表 8。表 7 长深高速公路 A3 合同段配合比设计统计表每立方混凝土材料用量(kg/m3) 序号强度等级 结构部位设计坍落度(mm)水泥 水 砂 石子粉煤灰矿粉外加剂水泥品种等级外加剂产地1 C50 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 302 160 721 1027 84 65 4.51 P.O52.5 厦门2 C50 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 311 160 733 1003 87 67 4.65 P.O52.5 厦门3 C40 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 282 160 691 1070 82 76 3.96 P.O42.5 山西4 C25S8 衬砌 160±20 214 175 688 1077 90 79 9.58 P.042.5 山西5 C25 水下混凝土 桩基 200±20 239 170 763 978 86 84 3.68 P.042.5 山西6 C30 搭板、背墙、护栏 140±20 208 170 731 1074 75 76 3.23 P.042.5 山西7 C20 基础、台身、 墙身 120±20 169 160 729 1159 61 62 2.63 P.042.5 山西78 C15隧道仰拱填充、承台垫层、基础120±20 157 165 749 1142 57 58 2.45 P.042.5 山西表 8 长深高速公路 A3 合同段混凝土抗压强度统计表序号 强度等级 3d 强度 MPa 7d 强度MPa 28d 强度 MPa 备注1 C50 36.1 48.5 63.12 C50 42.0 51.7 67.23 C40 31.4 42.9 54.04 C25S8 23.6 29.3 35.75 C25 19.1 29.5 38.46 C30 25.8 33.4 42.87 C20 14.5 22.4 30.58 C15 9.5 19.2 28.84.1 配合比设计中砂率及集料粒径对混凝土性能的影响砂率做为重要的级配参数,影响混凝土拌和物和易性。砂率的选择关系到混凝土的和易性和经济性,是一个非常重要的设计参数。混凝土配合比设计过程,通过查表或经验确定砂率,试配时不出现泌水或离析,试配配合比不再进行调整。考虑骨料的品种、粒径以及水灰比的影响,并分别对中粗砂以及高强、流态、泵送混凝土进行考虑,综合选择合理的砂率,本配合比初步设计中砂率确定在 0.39~0.42 之间。基准配合比在总胶凝材料、混凝土配置强度确定后,从粗细集料粒径及总表面积考虑,在保持集料用量、混凝土工作性能不变的条件下,随着集料颗粒粒径的减小,其单位质量总表面积增大,配合比设计时胶凝材料用量增加。粗集料的级配和最大粒径对混凝土质量有一定影响。级配越好,集料空隙率及总表面积越小,不仅能节约水泥用量,而且混凝土的和易性、密实性和强度也越高;石子粒径太大,增大水泥用量,导致混凝土收缩量加大,产生收缩裂缝。4.2 配合比设计中粗集料技术要求为保证混凝土的质量,粗集料部分技术要求:有害物质含量少;具有良好的颗粒形状,适宜的颗粒级配;表面粗糙,与水泥粘结牢固;性能稳定,坚固耐久。设置快速检测室及时对进场地材进行检测,在 5min 到 15min 内进行快速检8测,杜绝不合格原材料进场,确保集料质量稳定可控。4.3 配合比设计中掺合料控制矿粉在混凝土中主要发挥细颗粒物理填充作用,化学活性显著,粉煤灰在混凝土中与水泥填充粗细集料的空隙。配合比设计过程,胶凝材料中粉煤灰与矿粉掺量按 1:1 进行设计,C40~C50 配合比设计中水泥用量与掺合料(粉煤灰、矿粉)用量比为 1:0.5,C30~C15 配合比设计中水泥用量与掺合料(粉煤灰、矿粉)用量比为 1:0.72。5.混凝土配比二次优化根据长深项目现有资料、现场原材料情况及高墩泵送混凝土等实际情况,外聘高性混凝土专家王教授与公司混凝土专家组制定了配合比调整的总体思路。主要方案是对原配比总胶凝用量基本保持不变的前提下,而对于两种矿物掺料比例进行较大调整,增加矿物掺合料总掺量,降低水泥主胶材的用量,个别配方水胶比适当降低。在混凝土试拌过程中,通过调整砂率和减水剂用量,保证混凝土和易性符合设计要求。图 1 外聘专家指导 图 2 高性能混凝土拌和物5.1 具体方案三明本地粉煤灰和矿粉资源丰富、价格较水泥便宜、品质较好等特点,对混凝土矿物掺合料比例做较大幅度的调整。配合比优化过程,掺入掺和料降低水泥量,粉煤灰一般可掺入胶凝材料总量的 10%~30%,矿渣可掺入胶凝材料总9量的 20%~50%,具体掺量经试配检验并综合各性能指标来确定。粉煤灰价格虽然最低廉,但由于其需水量大,混凝土和易性不易满足,掺量大时,混凝土产生较大浮浆,甚至泌水。在保持总胶凝材料不变的条件下,增加矿物掺合料总量,降低水泥用量,对所有标号混凝土降低粉煤灰的掺入比例,调高矿粉的掺量,并针对每个标号配比提出两个比例的掺量(粉煤灰与矿粉分别按重量比1:2 及 3:7 掺配) 。5.1.1 粉煤灰与矿粉按 1:2 比例进行掺配粉煤灰按总胶材 15%掺,矿粉掺量为总胶材 30%(粉煤灰与矿粉重量比为1:2) ,此时水泥占总胶材的 55%,各标号混凝土中较原配比水泥掺量降 5%~10%不等,其它材料用量与基准配合比用量一致(详见表 9) 。表 9 长深高速公路 A3 合同段混凝土配合比粉煤灰与矿粉按 1:2 优化统计表每立方混凝土材料用量( kg/m3)序号强度等级 结构部位设计坍落度(mm) 水泥 水 砂 石子 粉煤灰矿粉外加剂胶材总量 (kg)水泥品种等级备注1-1 C50 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 248.1 160 721 1027 68 135 4.51 451 P.O52.5 粉:矿=1:23-1 C40 T 梁、高墩 180±20 242.0 160 782 1174 66 132 3.96 440 P.O42.5 粉:矿=1:2P-018-1C25S8隧道衬砌、模筑等 160±20 204.6 160 700 1077 56 112 3.98 372 P.042.5粉:矿=1:25-1 C25 水下混凝土 桩基 200±20 211.8 170 763 978 58 116 4.62 385 P.042.5 粉:矿=1:26-1 C30搭板、台背护栏及同等级部位140±20 201.9 165 740 1065 55 110 4.04 367 P.042.5 粉:矿=1:27 C20 基础、同等 级部位 120±20 109.0 160 729 1159 61 122 2.63 292 P.042.5 粉:矿=1:2P-020 C20基础、及同等级部位 140±20 122.0 160 746 1140 61 122 3.05 305 P.042.5粉:矿=1:28 C15 隧道填充、 垫层基础 120±20 101.0 165 749 1142 57 114 2.45 272 P.042.5 粉:矿=1:25.1.2 粉煤灰与矿粉按 3:7 比例进行掺配粉煤灰按总胶材 15%掺,矿粉掺量为总胶材 35%(粉煤灰与矿粉重量比为103:7) ,此时水泥占总胶材的 50%,各标号混凝土中较原配比水泥掺量降 10%~15%不等,其它材料用量与基准配合比用量一致(详见表 10) 。表 10 长深高速公路 A3 合同段混凝土配合比粉煤灰与矿粉按 3:7 优化统计表每立方混凝土材料用量(kg/m 3)序号强度等级 结构部位设计坍落度(mm) 水泥 水 砂 石子粉煤灰矿粉外加剂胶材总量(kg)水泥品种等级备注1-2 C50 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 225.5 160 721 1027 68 158 4.51 451 P.O52.5 粉:矿=3:73-2 C40 T 梁、现浇梁、高墩 180±20 220 160 782 1174 66 154 3.96 440 P.O42.5 粉:矿=3:75-2 C25 水下混凝 土 200±20 192.5 170 763 978 58 135 4.62 385 P.042.5 粉:矿=3:7P-018-2C25S8隧道衬砌、模筑等160±20 186 160 700 1077 56 130 3.98 372P.042.5粉:矿=3:76-2 C30搭板、及同等级部位140±20183.5 165 740 1065 55 128 4.04 367P.042.5粉:矿=3:72-2 C50 T 梁、现浇梁高敦位 200±20 239 160 692 1070 72 167 4.78 478 P.O52.5 粉:矿=3:75.2 配合比优化后混凝土坍落度损失及凝结时间混凝土坍落度损失及凝结时间在混凝土浇筑过程影响较大,尤其是高墩及大体积悬灌梁混凝土浇筑施工过程,浇筑时间长,施工难度大,控制好坍落度损失及凝结时间尤为重要。5.2.1 混凝土坍落度损失及原因分析混凝土初始坍落度及经时损失值检测依据 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》试验,试验结果修约至 5mm。影响混凝土坍落度的因素是多方面的,通常而言主要有:原材料(碎石、砂)的吸水率,骨料的级配、砂率、单位用水量、外加剂减水性能及水泥材料的组成等。在保持前几项材料基本一定的情况下,通过表 11 不难看出,采用双掺技术比基准混凝土坍落度损失明显减小。这主要缘于粉煤灰颗粒形状较为圆滑,其特有的“滚珠效益”在自由水的作用下减少颗粒间的摩擦,起到一个“滚动轴承”的作用,从而改善
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