机制砂及复合砂高性能混凝土研究

重庆大学硕士学位论文

机制砂及复合砂高性能混凝土研究

姓名：吴庆红申请学位级别：硕士专业：材料工程指导教师：陈剑雄;孟国民

20061008

重庆大学硕士学位论文中文摘要

摘要

展，其要求用量最大的建筑材料～混凝士及其相关技术也不断提高。出现了高

用高强、高性能混凝土的时候，必须对工程成本予以控制。

随着社会经济的发展，建（构）筑物也不断向高层、超高层及大跨度方向发

工作性、高强度及高耐久性的高性能混凝土。凝土强度等级由Ｃ２０、Ｃ３０发展到Ｃ７０、Ｃ８０，有些国家混凝土强度等级已达Ｃ１００以上。同时，还要求在工程中应

在ＪＧ口力丐５．２０００《普通混凝土配合比设计规程》及ＨＳＣＣ９９－１＜高强混凝土结构设计与施工指南》中明确指出，高强度混凝土、泵送混凝土细骨料宣用天然中砂。重庆嘉陵江、长江沿岸只有特细砂，故在以往重点工程中的Ｃ５０及Ｃ５０以上强度等级的混凝土所用细骨料多从四川的简阳、德阳等地运购。

显然，因地制宜的采用重庆地方材料来配制高强、高性能混凝土具有十分重要的意义。

由于天然中砂的缺乏，制约了重庆高强、高性能混凝土的发展，影响了重庆地区建筑技术的进步。为了解决这一问题，本课题就是利用机制砂和长江砂混合代替常用的中、粗砂，配制高强高性能混凝土。并将两者进行对比，其结果是相近

的。

研究表明，利用地方资源作原材料是完全可以配制Ｃ７０，Ｃ８０高性能混凝土的。关键词：高强，高性能，混凝土，地方材料

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英文摘要

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Ⅱ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方舟，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重瘗友堂或其他教育机构豹学位或证书面使用过的材料。与我一伺工作的伺志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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新躲蚓题

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重庆大学硕士学位论文

ｌ绪论

１绪论

ｌ。ｌ研究骛景

。

。

随着凝会经济酌发鼹，建筑也举獗寓离层、怒袁屡及大跨寝方藏发蓑，耀量

最大的建筑材料之——一混凝土及其相关技术也不断提高，出现了高工作性、高

强度及高耐久性的高性能混凝土。混凝士强度等级踟（２２０、Ｃ３０发展到Ｃ７０、Ｃ８０，钢材、增加使用面积、降低工程总造价，综合经济效益十分明照。

重庆盥辖后，建筑嫩发展十分迅速，从而带动了商品混凝嫩的发展，几年时溺，裾继黢蠢了迓咒十袈离丞混凝±公司，年生产囊品漫凝±途数百万方。键褒品混凝土强度等级并不离，大部分为Ｃ３０、（２４０，强度等级先Ｃ６０的混凝土麓蹙极为有限，Ｃ７０、Ｃ８０混凝士在工程中尚无应用。

目前，重庆面临嚣部大开发的历史机遇，经济将会取得更大进步，从而带镄建筑窍越态层，超大跨麓发震，登将瓣撬凝±黪蒸发等缓要求越来越毫，Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝士应用是建筑发展的必然趋势。对于混凝土这种用爨非常大的建筑材料，原材料必须因地制寂，就地取材，否受ｌｊ，成本太高将影响溉性能混凝土的应溪。嚣我，Ｃ７０、Ｃ８０滋凝主鲍磅究必矮立是予缝穷藩嚣粒。

在ＪＧＪ／Ｔ５５－２０００＜蟹通混凝土鬣念比设计规獠》及ＨＳＣＣ９９－ｌ《高强混凝±结构设计与施工指南》中明确指出，高强度混凝土、泵送混凝土绷骨料宜用必然中砂。重庆豢陵汪、长江淤岸只有特绑砂，故在以谯燕点工程中的Ｃ５０及ｃ５０以上强瘦等级鹣混凝主瑟瘸镶骨瓣多扶嚣ｊ｜｜豹麓鬻、德辍等缝运魏，峦予运霆逡，运输费用高，使成本达１２０元，吨，导数混凝土生产成本大幅度上升，从而使工程造价增大。由于天然中砂的缺乏，制约了重庆高强、高性能混凝士的发展，影响了重庆蟪嚣建筑蓑拳豹遂步。又圭于三姨王霆嚣建设，涎砂量赘减少，隽鐾乏掇铡醪将部分取代河砂是一必然趋势。这对霪庆建筑业来说有着重要的意义。

近年来，针对重庆的资源现状，筏云南、贵阳锋地运用人工砂成功经验基础上，重庆大办缑广应雳枫制砂，取褥了一定敷成效。戡秘殄是将磊获岩破碎、筛分后铡褥的，箕缓度模数嚣靛蕹要求嚣弱攘。杌镧矽缭发模数～簸穰３．０班土，这黧天然中、粗砂标准。目前，在歌乐山、中梁山等地棚继建成了多条机制砂生产线，年设计生产能力近百万吨。重庆市逑筑科学研究院针对机制砂的开发及商品混凝主熬发震，邑透露７掇铡砂配蘩毫魏筏滢凝±熬璜究，琵锈强发等级鬼Ｃ６０戆渥凝±已成功应用于建筑正程中。而机制砂配制更旖强度等级的混凝土有待避～步研究。

有些莺家漉凝±强瘦等缀已运Ｃ１００孩上。王程串暾蔫离强、藏羧辘混凝±戮繁约

重庆大学硕士学位论文１绪论

配制Ｃ７０、Ｃ８０高强、高性能混凝土的原材料除了传统的水泥、砂、石、水外，还需要高效外加剂及活性矿物掺合料，即所谓的‘‘双掺”技术。其中外加剂是使混凝土具备高工作性的主要措施之一，外加剂效果直接影响混凝土的工作性。重庆外加剂厂有十多家，但主要生产配制低强度等级混凝土的外加剂。当用这些外加剂配制高强、高性能混凝土时，则较难满足混凝土设计要求。因此，研制高效外加剂是配制Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝土的前提条件。

配制Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝土，另一主要措施是掺活性矿物掺合料。活性矿物掺合料的种类有多种，应用较多的是硅灰，硅灰的比表面积极大，达２００００ｃｍ２／ｇ，其细度约为水泥细度的十倍，活性极高，是高强、高性能混凝土理想的话性矿物掺合料。但硅灰数量少、价格昂贵。除硅灰外，目前还有用矿渣微粉、磨细粉煤灰作为活性矿物掺合料。矿渣、粉煤灰是大宗工业废渣，重庆每年的矿渣、粉煤灰年排放量达百万吨，用作掺合料，不仅原材料广泛，而且变废为宝，经济价值与社会效益显著。就活性看，比粉煤灰高，故本项目研究中采用磨细矿渣粉作活性矿物掺合料。

综上所述，本课题主要目的是充分利用地方资源作原材料配制Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝土。

１．２高强高性能混凝土现状

１．２．１高性能混凝土（ｎｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｎｃｒｅｔｅ）的定义

高性能混凝土（简称ＨＰＣ）是近年来混凝土材料发展的一个重要方向，所谓高性能：是指混凝上具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能【ｓＪ。从强度而言，抗压强度大于Ｃ５０的混凝土即属于高强混凝土。高强混凝土仅仅是以强度的大小来表征或确定其何谓普通混凝土、高强混凝土与超高强混凝土，而且其强度指标随着混凝土技术的进步而不断有所变化和提高。而高性能混凝土则由于其技术物性的多元化，诸如良好的工作性（施工性），体积稳定性、耐久性、物理力学性能等等而难以用定量的性能指标给该混凝土一个定义。

不同的国家，不同的学者因有各自的认识、实践、应用范围和目的要求上的差异，对高性能混凝土曾提出过不同的解释和定义，而且在性能特征上各有所侧重。１９９０年美国ＮＩＳＴ与ＡＣＩ对高能混凝土命名时曾提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土；必须采用严格的旌工工艺，采用优质材料配制；便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的

耐久的混凝土。特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构州。

近年来，美国混凝土学会又提出：高性能混凝土是一种符合特殊性能与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣

２

重庆大学硕士学位论文１绪论

耪葵护懿麓馁徽法获获缮。

对于我潜，多数学者认为高性能混凝±应满足下面几个基零方面的要求：（１）新拌混凝土的流动性高、粘聚性好、不离析、不分层、具有优良的矗簸工性能。

‘

。

。

（２）硬纯君懿混凝±强度高。由于强度是滢凝生基本静使愆经筢，强震低豹普通混凝土不能认为是崭性能混凝土。但这并不意味着可以忽视普通混凝土威该具有的良好的施工性能和足够的耐久饿能。

（３）疆纯蓐戆混凝童吴鸯莛磐豹髂积稳定毪，瑟牧缝套、狳交鬣。

（４）耐久性高。

１．２．２高性能混凝土的组成和结构

嚣蘸，入艇对普逶濑凝±的水溅蠢戆徽鼹结棱磷究戆鞋：较深入，基零上达成了关识。毯建，６０年代寒酝现了高效减承剂，ＳＯ举ｆ℃矿物细掺奉尊掺热技术Ｉ搀威用，极大地促避｝了水泥混凝土技术的发展，但同时也使水泥石的组成结构更加复杂。尤其是高饿能混凝±，其特点是，水胶比很低、双掺技术的应甩，造成了其水化产物及瘩潺石豹镦鬟结构与骜逶永溅器显著不嚣。：ｌ孝瓣豹塞甏黢鹱取决予耱辩豹组成和内部结构。高性能混凝土虽然采用低水胶比，使用了矿物掺合料和嵩效减水剂，但因所使用的主要原材料与普通混凝土的一样，即水、水泥、粗细集料，毽瑟骞必黉惫簿要奔缨一下酱遥混凝童麴组成窝终擒。１．２．２．１普邋混凝土的组成和结构

普通混凝土通常是由水泥、水和粗细集料按邋当比例配合、拌制成混合物，经一定时间硬化丽成的一种人造石材。硬化前的濑凝士称为混凝士拌合物或掰拌滢凝±。焱混凝±孛，移壤楚夏子空辍，承滋窝承缀成本涎浆，惫裹在簿蠢集辩的表面并填充在集料空隙中。水泥浆和砂浆在混凝士拌合物中怒润滑作用，以保证混凝土在施工中具有良好的工作性，并使混凝土成型密实。水泥和水反成的产物是拳淫蠢。硬纯嚣，承淀浆俸遥过赛霆过渡区穰嶷辩连残一令牢露豹整体，医此具有了骈需的强度、抗渗性等往能。

在普通混凝土组成巾，从宏观（ｍａｃｒｏ）的角度上分析，混凝土是由集料和承泥石组成灼二耀复合树料，占混凝点总体积大部分的是集料，赢达７０％—８０％，占小部分鹣建承混磊，必宥２０％－－－３０％，魏势还有少蠢气琵。簌藏徽麓【ｓｕｂｍｉｃｒｏ）角度上看，混凝土是由糨细骨料、水泥水化产物、来水化颗粒、蔼细孔、气礼、徽裂缝及界蕊过渡层组成，是一种多柏的非均匀质复杂体系。因此，混凝土的性矮主要取浚予瀑凝主孛祭辩专求泥瑟懿缝震、它爨戆耪慰含量淤及集糕与承滋石之间界面柩缩强度。

１．２．２．２高性能混凝土的组成和结构

重庆大学礤士学位论文

１绪论

毫瞧憝混凝±配刽辩戆特纛是瘩胶毙低、粉髂曩大、浆集魄大、翟集瓣纛，ｌ、、掺用矿物绷掺科和商效减水帮。因此，高性能混凝士在组成和结构都与普通混凝土有所不闷。从宏观的角度上看，耐性能混凝土怒由水、水泥、矿物细掺料、粗维集辩、离散减水裁组成的多相复会豺辩。从亚微蕊角度上番，砂、石到矿物细掺辩颥粒、未承纯承溅颡粒，弱绪燕穰承纯秘，稳或裔桎戆濑凝主学絮，耧承泥水化物、矿物细掺料与石灰、石膏反应的产物等膨成凝胶，胶结各级颗粒，并填充于骨架之中。此外，按照中心质假说，末水化水泥熟料颗粒（Ｈ粒子）露水泥凝蔽（Ｌ黢予）窝毛绥魏缀残零泥嚣。寒东锯熬本滋熬辩颞粒溺瓣戆泰淀凝黢舔是从熬料颗粒表面水化生成的，因此，这种Ｈ粒子和Ｌ粒子之蔺盼界面存在有利的中心质效威圈。高性能混凝土中增加了很多可产嫩有利效应的次中山质和大中心质，即亵饿毙混凝土中鳇Ｈ／Ｌ粒子蛾：俊比普通混凝±离的多。农灰臣：很低使褥水泥石懿空隙率缀低，缀低静空豫率和Ｈ／Ｌ粒子毙酝合，可缮翔舞强度帮离瓣久往能。掺入的矿物细掺料藤求有一定的绷度，它参国水化反应的产物及其未反应的细颗粒就碍以填充水泥石的毛细孔，进一步减少次中心间距，改善次中心质和次奔震熬鬏羧级嚣，傻淹凝主受密实。

对于商性能混凝土界面来说，低水灰比提高了水泥石的强度和弹性模爨，使水泥石和集料间的弹性模量的差距减少，界面处水膜层减小，鼎体生长的自由空

阕减奎；游性矿魏缨掺辩与Ｃａ（ＯＨ）睦爱应后，会蠖热农纯硅酸锈凝获（Ｃ一爿—－珏）

和钙砜荔。减少了Ｃａ（ＯＩ－现含量，予扰承纯物绪荔，爱ｇ其颡簸尺寸交小，翥榘和取向程度下降，过渡层空隙率降低。

１．２．３高强高性能混凝±的特点

（１）糍强度

多数学者认为高性能混凝土必须是高强的，１９９８年美国西雅图双联广场应用混凝土强度达到Ｃ１３５；也有学者认为，高性能混凝士应根据具体的工程要求，允许自孛等强凌躬混凝土（３０－４０ＭＰａ）逶当廷律。蹇瞧§§混凝±霹以有很宽懿强度范围，一般在Ｃ３０戮ｔ，高性能混凝土的强度主爨通过减低水灰比和减少鞠水量来实现。尚性能减水剂Ｗ使混凝土的水灰比降到０．２５以下，耐水泥用量可保持在５００ｋｇ／ｍ３，同时它的坍落度可保持２００ｎｕｎ以上，完全能满足泵送要求，从而可聚销密蔫焱，踅高强濑凝±。近÷攀来，我国在溉凝±效本方嚣取褥了疆黧懿迸步。在普遍应用Ｃ３０、Ｃ４０等级混凝士的基础上，Ｃ５０、Ｃ６０搿性能混凝土■程应用范围不断扩大，大量的Ｃ５０、Ｃ６０混凝士用于嵩层建筑和大跨桥梁。

（２）蹇耐久蛙

高强胬性能具有优昂的抗渗与抗介质侵蚀戆力。因此要求混凝土的高｜涔积稳定性和高抗裂性，使它鼷有高弹模、低收缩、低徐变和低温度成交的特性。商性

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ｌ绪论

能混凝土在硬化过程中，水化热低，温升小，冷却时温度收缩小，干燥收缩小，具有致密的细观结构，不易产生宏观和微观裂缝，抗渗性能优良Ⅱ聊。掺减水剂可减少混凝土的用水量，

从而提高混凝土的密实性，有利于耐久性的提高；在保持

水灰比和流动性不变的情况下，使用高性能减水剂降低混凝土中水的用量，同时引入一定量的微小气孔，改变混凝土内部的空隙结构，能使混凝土的抗渗性能及抗冻性能有很大改善。普通混凝土掺用大量混合材料后，碱度大大降低，而不利于钢筋的保护；但高性能混凝土由于水胶比很低，混凝土密实度高，抵抗碳化的

能力强。嘲

（３）高工作性

即高流动度、可泵性、或自密实、免振捣。上海金茂大夏、东方明珠电视

塔工程旌工实现一次泵送Ｃ６０混凝土达到３８０米高度。高性能混凝土的拌合物除高流动性外，还必需具有良好的抗离析性和填充能力。国外大多用拌合物的坍落扩展度，即坍落后拌合物扩展的直径，作为高流动性混凝土流变性能的量度。日本报道，坍落扩展度一般为５００－７００ｒａｍ。超过７００ｒａｍ时，拌合物易产生离析；不到５００ｍｍ时，则可能发生充填障碍。技术关键是要解决拌合物高流态和不泌水离析之间的矛盾，减少用水量，抑制混凝土收缩。高性能减水剂和矿物掺合料是高强高性能混凝土的两个关键组分，减水剂使混凝土中的水泥用量减少，超细掺合料用量增大，在施工过程中混凝土不会离析，它的坍落度保持在２００ｒａｍ以上，稍加振捣或免振捣就能使混凝土在钢筋密集部位得到很好的填充，使制作流态混凝土包括自流平及自密实混凝土的技术得到实现【ｌ川。减水剂的发展至今经历了三个

阶段：普通减水帝卜一高效减水剂、流化剂一高性能减水剂。１９８５年，在日本

能减水剂引起了重视，伴随高强高性能概念提出的同时，聚羧酸系、三聚氛胺系、性能减水剂的研究与应用比较多，１９９５年以后聚羧酸系减水剂在日本的使用量已超过了奈系减水剂。在我国，奈系高效减水剂应用大约有２０多年的历史，由于减水率不高，混凝土坍落度损失过快，难以满足实际工程的旋工要求，而复合产品质量不稳定，往往影响到混凝土的凝结硬化和耐久性；另外，奈系产品的原料日益缺乏，价格上涨，急需研制非了奈系减水剂。目前，我国研究聚羧酸系减水剂尚处在起步阶段。

（４）经济合理性

高强高性能混凝土除了确保所需的性能外，应节约资源、能源与保护环境，朝着“绿色”的方向发展。低水灰比的大掺量粉煤灰混凝土是一种值得发展的高性能混凝土，自密实免振混凝土（自流平混凝土）可以提高旌工速度，缩短工期，节

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发表了第一篇关于奈系高性能ＡＥ减水剂的论文，此后保持混凝土坍落度的高性改性木质素磺酸系的高性能减水剂得到迅速的发展。［４７目前，各国对聚羧酸系高

重庆大学硕士学位论文１绪论

能并消除噪声污染。高性能混凝土成本高于普通混凝土，其原因是超细粉掺合料与高性能减水剂的成本高，高性能减水剂中保持分散性的组分的成本较高，因此其造价比高效减水剂或流化剂高。选用不同的高性能减水剂配制高性能混凝土，应从混凝土的强度、工作性、耐久性、价格等方面综合考虑。

１．２．４配制高性能混凝土的技术途径与原理

高强高性能混凝土的配制是利用常规原材料并考虑常用的施工工艺，最终以广泛应用为目的。因此，配制高强高性能混凝土的技术途径是：硅酸盐水泥＋活性矿物掺料＋高效减水剂。［．ｓ４１

这是目前国际上配制高强混凝土最为常用的方法。在普通混凝土中，为了保证混凝土混合料的施工和易性，其用水量比水泥水化所需的水量大得多，一般水泥水化所需的用水量为水泥质量的１５％＂－２０％，而实际旌工的用水量为水泥质量的５０％００％，甚至更多。多余的水在水泥硬化后蒸发出来，所以，在水泥石中和水泥石．集料的界面，形成大量的、各种孔径的孔隙，以及因泌水作用，和混凝土收缩及温度应力而引起的微管和微缝。这些缺陷是导致混凝土强度下降和其它性能指标低劣的根本原因。因此，尽可能减少水的用量，是消除这些缺陷的关键方法，从而提高混凝土的强度。掺入高效减水剂可减少用水量，同时又能保证必要的混凝土拌合物的流动性。

’

水泥石是水泥水化后形成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁酸钙等多种胶凝物质，这些水化产物把混凝土中各种固体颗粒胶结成整体。它们之中以水化硅酸钙的数量最多，最为重要。然而，水化硅酸钙种类最多，主要分为两大类，即高碱性水化硅酸钙和低碱性水化硅酸钙。前者强度低，后者强度高。水泥水化时往往生成大量的高碱性水化硅酸钙，而且还会生成强度极低，稳定性差的游离石灰，由这些相构成的水泥石强度不会很高。因此，在配制高强高性能混凝土时的另一关键问题就是要减少高碱性水化硅酸钙含量、增加低碱性水化硅酸钙的含量，并减少或消除游离石灰。所以，在混凝土中掺入超细活性Ｓｉ０２，它能与游离石灰及高碱性水化硅酸产生火山灰反应，生成低碱性水化硅酸钙，使混凝土中的胶凝物质的质量改善，数量增加。为此，可大幅度提高混凝土的强度，并达到大流动性。

１．２．５高性能混凝土国际国内的应用

从本世纪３０、４０年代以来，随着水泥品种的改善以及化学外加剂（酱通减水

剂、

引气剂等）的使用，工程中普遍应用的混凝土强度在国际范围内得到稳步的

增长。到６０年代，美国己有强度相当于我国Ｃ５０到Ｃ６０的商品混凝土。在此以前，也有少量工程的混凝土强度达到相当高的水平，如早在４０年代日本就曾有抗压强度达到ＩＯＯＭＰａ的高强混凝土用于工程的报导。１９６０年前后，我国也曾用立

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ｌ绪论

方强度高达１００ＭＰａ的混凝土在北京建成跨度为１８ｍ的预应力屋架，用于６０００ｍ２的工业厂房建筑，从而使屋架自重减轻了４０％。但是这些高强混凝土都是干硬性的，施工相当困难，无法普遍推广。作为现代工程结构中可以普遍应用的混凝上，应该具有良好的工作度、必要时可以泵送。美国在６０年代通过应用普通减水剂和外加粉煤灰等技术，制出工作度较好的高强混凝土。但能达到的强度上限还比较低。如１９６７年在芝加哥建成的最早应用高强混凝土的高层建筑一Ｌａｋｅ楼，总高１９７ｍ，

Ｐｏｉｎｔ塔

共７０层，底层柱的混凝土强度相当于Ｃ６５。在同一时期美国还

有用相当于Ｃ７０的高强混凝土修建核电站工程的报导。尽管普通减水剂也能用来制造强度较高的混凝土，可是只有高效减水剂的问世，才使混凝土技术跨向一个新的时代。高效减水剂使混凝土的高强和高流态变得相当容易，使高强混凝士的广泛应用有了可能。用高效减水剂配制普通工艺的高强混凝土是１９６４年在日本首先兴起的。到７０年代末期，当时的日本工地已能获得强度相当于Ｃ８０－－Ｃ９０的高强混凝土。１９７２年起德国等西欧国家也陆续应用高效减水剂，但更多的是用来配制流态混凝土而不是高强混凝土。大约从１９７６年起，北美采用高效减水剂，并成功的配制出高强混凝土用于当时兴建的蒙持利尔奥林匹克体育馆的５０００个预制构件中，以后则广泛地用于高层建筑中。近年来，美国和加拿大的工地已能获得强度相当于从Ｃ６０到Ｃ１００，最高可达Ｃ１２０级的高强混凝土。高强混凝土的应用范围很广，在桥梁工程中，大跨桥梁的自重往往占总荷载中的大部，例如５０ｍ跨径的预应力普通混凝土粱式桥，自重即占总荷载的６００．６，所以桥梁结构采用高强混凝土的应用范围很广，用高强度混凝土后可以通过减少自重和降低截面高度，获得许多好处。因此高强混凝在大中型桥梁和城市立交桥中有广泛的应用前景。日本、美国、德国、澳大利亚等许多国家先后用强度超过６０ＭＰａ的混凝土建成了一批铁路桥和公路桥［２２１。如日本１９７０年建成的ｇａｍｉｎｏｓｈＪｍａ公路桥，最大跨度８６ｍ，混凝土强度相当于Ｃ７０：１９７４年的Ｆｕｋａｉｍｔｔｓｕ公路桥，跨度２６ｍ，混凝土相当于Ｃ８０；１９７６年的Ａｋｇａｗａ铁路桥，跨度４６ｍ，混凝土相当于Ｃ９０美国１９７８年在华盛顿州建成的Ｐａｓｏｏ－－Ｋｅｎｎｅｗｉｃｋ桥，最大跨度２９９ｍ，应用Ｃ５０级混凝土；１９８４年建成的从西弗吉尼亚到俄亥俄的ＥａｓｔＨｕｎｇｔｉｎｇｔｏｎ公路桥，包括一个主跨为２７４ｍ的不对称斜拉梁结构，混凝土强度相当于Ｃ６５；面后在华盛顿州跨越Ｔｏｕｔｌｅ河的一座预应力混凝土公路桥（ＴｏｗｅｒＲｏａｄ），大梁高１．５ｍ，主跨４９ｍ，总长８６ｍ，采用强度接近于Ｃ７５的混凝土和连续后张法施加顶应力，使桥梁大梁结构的跨高比达到了３０：１的程度。德国从Ｈａｌｍｏｖｅ到Ｗａｒｚｂｕｒｇ的一个铁路桥总长１２８０ｍ，其中主跨为１６２ｍ拱桥，预制拱块构件高１．５—１．８ｍ．采用了高强混凝土，９０天立方强度７０ＭＰａ．高强混凝土是高层建筑底部柱子和剪力墙的理想材料，在美国、加拿大和澳大利亚都有非常成功的应用实例。它不仅在结构造价上取得了明显的

７

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１绪论

节约效果。更重要的是由于柱子尺寸减少，使建筑使用面积增加，并满足建筑美观的要求。关国的高强混凝土高层建筑集中在芝加哥、纽约和休斯敦地区。从１９６７年到１９８２年的１５年间，仅芝加哥地区就有４０多幢高层建筑从高强混凝土的应用中得到了好处。１９７５年建成的芝加哥Ｗａｔｅｒ

Ｔｏｗｅ广场大厦，７９层，高２６２ｍ，

从地下室到第２５层的柱了采用了设计强度相当于Ｃ７５的混凝土，２５层以上的混凝土强度从相当于Ｃ７５逐渐降低到Ｃ３５，楼板则采用相当于Ｃ３５的轻骨料混凝土。由于高强混凝土的应用，出现了钢筋混凝土高层建筑取代钢结构高层建筑的趋势。钢筋混凝上楼层不像钢结构那样必须有吊顶，房屋每层总高可减少约３０ｃｍ：也不像钢结构那样必须全部设计完毕以后到工厂加工再发运到工地，所以钢筋混凝土高层的建设周期要比钢结构短。在７０年代初期，美国纽约曼哈顿地区的高层建筑几乎全部是钢结构。到了８０年代初则己有１／４用混凝土建造。在澳大利亚，高层建筑中应用高强混凝土始于７０年代，初期的混凝土设计强度为５０一６０ＭＰａ，且用吊斗运输。到１９８７年，在墨尔本施工的三个大型工程中，则用设计强度６０一＿６５ＭＰａ的泵送高强混凝土，其中有Ｍｅｌｂｏｕｒａｅ中心大楼，以及Ｂｏｕｒｋｅ厦，共６９层，高２７５ｍ，底层混凝十柱强度最高相当于Ｃ８０，旌工时的高温环境。

上海于１９９４年和１９９５年，分别在浦东世界广场地下室和上海国际大厦主楼第２ｌ层框架结构中，采用了由上海建筑工程材料公司等研究的Ｃ８０泵送混凝土（用７２５＃水泥４２０ｋｇ／ｍ３，复合矿物掺料１８０ｋｇ／ｍ３，水１８５ｋｇ／ｍ３，水胶比０．１３，配制而成）。北京城建集团从１９９６年起，用自己研制的ＤＦＳ系７１列减水剂，加磨细粉煤灰、矿渣等掺料（粉煤灰掺量达３５％，等量替换水泥）制成免振自密实混凝土，成功地在首都机场航站楼等２０个工程中应用“混凝土强度为Ｃ３０－－Ｃ６０”。由中国建材院领头，跨部门，跨行业地协作攻关，取得了许多重大成果，如下：１）通过控制水灰比、含气量、气泡参数等，开发了高抗冻混凝土，掺粉煤灰的高抗冻混凝土已应用于三峡大坝工程；２）研制了抑制碱集料反应的低碱早强剂和防冻剂以及铁铝酸盐水泥，已应用于北京东四环惠通桥ＰＣ梁，首都机场跑道大面积修补和重建工程；３）开展了高性能混凝土的综合研究和推广应用，提出了原材料技术条件，新拌与硬固混凝土的性能指标，制订了施工方法采用常规工艺，生产出６０－１００ＭＰａ混凝土，坍落度１８０ｍｍ，１１５ｈ的坍落度损失小于４０ｍｍ，经５００次冻融循环后，动弹性模量保留值大于９０％，氯离子渗透性小于５００库仑。这项成果已用于北京八达岭高速公路、北京海洋馆、首都机场停车楼、首都时代广场以及青藏铁路等工程。青藏铁路使用的低温、早强、高性能混凝土。青藏铁路（格拉段）地处高寒，海拔多在

８

Ｐｌａｃｅ

大厦。在加拿大，有一幢应用高强混凝土的著名高层建筑ＮｏｖａＳｃｏｔｉａ广场中心大

其中水泥用量的

８％用硅粉代替。这一工程施工全部采用泵送，并应用液氮冷却拌料的技术以应付

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ｌ绪论

４０００ｍ以上，空气稀薄，最低气温达．５０１２，并有永久冻土层，地震烈度高，建成后桥梁受严酷的自然环境作用，养护维修工作难度大，费用高，特别需要高耐久性混凝土。

１３论文研究的目的及意义

由上面的介绍可知，高强高性能混凝土是２１世纪混凝土的发展方向。与以前普通混凝土相比，耐久性有明显提高，且可节约钢材，增加使用面积、降低工程造价，经济效益明显。特别是利用地方资源发展高强高性能混凝土更是降低工程造价，推动地方建设有着具大意义。

利用地方资源发展高强高性能混凝土是目前我们的研究重点和发展方向。应用容易取得且资源丰富的原材料，即采用常规的原材料配制高强高性能混凝土，使这种混凝土具有良好的经济性及广泛的原料基地。应用现有的通用设备与施工工艺，即目前已广泛使用的强制搅拌工艺、搅拌车运送、泵送浇注或吊桶浇注及振动捣实工艺，使这种混凝土与现有混凝土制备与施工工艺相适应，为实现广泛的推广应用奠定可靠的基础。这就要求混凝士有高流动性。

１．４论文研究的内容

本文主要研究以下几方面内容：１）机制砂配制混凝土的研究；２）磨细矿渣微粉配制混凝土研究；３）ＪＷ－１型外加剂的研制；

４）Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝土的研制；５）Ｃ７０、Ｃ８０高性能混凝土性能研究。

９

重庆大学硕士学位论文

２试验材料、设备及试验方法

２试验材料、设备及试验方法

２．１试验材料

２．１．１水泥

重庆腾辉矿渣５２．５Ｒ水泥，重庆地维５２．５Ｒ普通硅酸盐水泥，两种水泥的胶砂

强度试验结果见表２．１；

表２．１水泥胶砂强度

Ｔａｂ２．１

Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｅｍｅｎｔ

水泥种类

地维５２．５Ｒ水泥腾辉５２．５Ｒ水泥

抗折强度／１ＶＩＰａ

３ｄ６．０３５．１８

２８ｄ９．２２８．９７

抗压强度／ＭＰａ

３ｄ３６．３３０．５

２８ｄ

５８．８

５７．５

２．１．２矿渣

重庆钢铁公司水淬高炉矿渣，矿物成分分析见表２．２

表２．２矿渣的化学成分（％）

Ｔａｂ２．２

ＣａＯ４４．３

Ｃｈｅｍｉｃａｌ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｌａｇ

ＳｉＯｚ

３７．１

Ａｌｔｏｓ

１０．８

Ｆｅ２０Ｓ

Ｏ．６

Ｍ９０

２．８

ＳＯｓ１．５

ｌ

ＭｎＯ

２．９

ｆ

２．１．３粗骨料

５～２５ｍｍ小泉碎石，连续级配，物理性能见表２．３；

２．１．４细骨料

渠河砂、歌乐山机制砂，物理性能见表２３，筛分结果见表２．４；

表２．３砂、石物理性能

视密度堆积密度ｋｇ／ｍｓ松散

１４０１１３９０１５２３

空隙率％松散

４７．５４７．９４３．２

含泥量

％

，０．８１．２

针片状

含量％

４．３／ｌ

压碎指标

％

８．１，２０

鬯商

石渠河砂机制砂

２．６７２．６７２．６８

紧密

１５６７１５４８１６６８

紧密

４１．３４２．０３７．８

１０

重庆大学硕士学位论文

２试验材料、设备及试验方法

表２．４细集料性能

渠河砂机制砂

累计筛余

（％）

ＯＯ１．８６－３２２．０７９．Ｓ９７．３１００

１．１

筛孔尺寸

（ｒａｍ）

筛余质量

（ｇ）

分计筛余

（％）

Ｏ０１．８４．５１５．７５７．８１７．５２．７

筛余质量

（ｇ）

０８６２４５１０２４２８１１６

分计筛余

（％）

Ｏ１７．２４９．０２０．４８．４１．６２２１．２３．６

累计筛余

％

０１７．２６６．２

５．ｏ

２．５１．２５０．６３０．３１５０．１６０．０８

０Ｏ３．６９．０３１．４

８６．６９５．０９６．８９８．８

１００

１１５．６

３５．０５．４

筛底

细度模数

２．１．５外加剂

ＶＤＮ－－－－ＯＶ．（－￥＂售）、ＦＳ一３（市售）、ＦＤＮ－Ｔ４０—５０（市售）、，ｗ二ｌ（研制）

２．１．６水

自来水，符合‘混凝土拌合用水标准》ＪＧＪ６３－８９。

２．２试验设备

（１）托盘天平（量程：ｌｋｇ，精度：０．Ｉｇ）（２）量筒（２００ｍｌ、５００ｍｌ、１０００ｍｌ、２０００ｍ１）（３）ＨＪ＇Ｗ型强制式混凝土搅拌机（４）５０｝ｋ混凝土振动台

（５）Ⅵ玎＿２０００型液压式混凝土压力试验机（６）磅秤（量程：５００ｋｇ，精度：５０９）

（７）ＨＳ－４０混凝土抗渗仪

（８）ＷＥ．６００型液压式万能试验机

２．３试验方法

２．３．１试件养护

混凝土的制作和养护按ＧＢ／Ｔ５００８０进行，混凝土的预养温度为（２０士３）℃。

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２试验材料、设备及试验方法

混凝土试件２４小时脱模后放入标准养护室内（２０士２０Ｃ，相对湿度９５％）养护。

２．３．２集料试验

集料的表观密度、堆积密度、含泥量等物理性能依据国标ＧＢ厂ｒ１４６８４－２００１《建筑用砂》和ＧＢ／Ｔ１４８６５－２００１‘建筑用卵石、碎石》的规定进行测定。

２．３．３工作性能测试

参照ＧＢ／Ｔ５００８０＜普通混凝土拌合物性能测试方法》测试混凝土拌合物的坍落度及坍落度经时损失。

２．３．４混凝土性能测试

混凝土性能参照ＧＢ厂ｒ５００８１《普通混凝土力学性能试验方法》及ＧＢＪ８２＿＿８５＜普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法》规定的标准方法进行测试。

１２

重庆大学硕士学位论文３机制砂配制混凝土研究

３机制砂配制混凝土研究

３．１机制砂对混凝土工作性与强度的影响

’

研究用机制砂配制混凝土的工作性及强度时，以用天然中砂（细度模数为２．３的简阳砂）配制的混凝土作为基准混凝土，比较两种细骨料配制混凝土的性能。保持混凝土水胶比及用水量不变，两种细骨料混凝土砂率相同时，则混凝土配合比相同。分别用矿渣５２．５Ｒ水泥与普通５２．５Ｒ水泥、对天然中砂与机制砂配制混凝土进行对比试验，所用外加剂为ＦＳ－３泵送剂，掺量为１％。试验结果见表３．１。

表３．１不同细骨料混凝土试验结果

水泥

细骨料

号

０１０２０３０４０５０６

编砂率

（％）

坍落度（础）

初始

２４５２３５２００１９０１８０１９０

压力泌水率（％）

３２．２２６．６３４．５３８．Ｏ３８．６．３９．１

抗压强度（ＭＰａ）

３ｄ３８．２

７ｄ４９．５

２８ｄ５８．７６７．１６２．２６５．９６１．４６Ｄ．６

品种矿渣

简阳砂简阳砂

２ｈ

２１５２０５１３０１１０１ｌＯ１１５

４０４０４０４０４３３７

普通矿渣

普通

４１．７３７．６４２．６３７．４

３８．９

５４．０

４６．４５６．１４９．１４８．６

机制砂机制砂

机制砂

矿渣矿渣

机制砂

从表３．１中的试验结果可看到：①同样细骨料，相同砂率时，两种水泥配制的混凝土初始坍落度、２ｈ坍落度保留值相差不大；②而不同细骨料对混凝土工作性有较大影响，同品种水泥，天然中砂配制的混凝土初始坍落度值大，２ｈ坍落度损失小，机制砂混凝土不仅初始坍落度小，而且２ｈ坍落度损失大，工作性明显比天然中砂混凝土差；③调整机制砂混凝土砂率，拌合物工作性没有明显改善。

在ＪＧＪ厂ｒ１０．９５《混凝土泵送施工技术规程》中指出，混凝土的可泵性可用压力泌水试验结合施工经验进行控制，一般１０ｓ时的相对压力泌水率Ｓ１０不宜超过４０％。从表３－１中的试验情况看，虽然每种混凝土拌合物的压力泌水率均不超过４０％，但对于同一种水泥，机制砂配制的混凝土拌合物压力泌水率值明显大于天然中砂混凝士。

从强度试验结果看，相同品种水泥，天然中砂配制的混凝土与机制砂配制的混凝土各龄期强度相近；不同品种水泥配制的混凝土，即使相同细骨料，混凝土各龄期强度也存在一定差异，这主要是由水泥的活性不同而引起的。

机制砂配制混凝土与天然中砂配制混凝土工作性、强度比较试验结果表明了

重庆大学硕士学位论文３机制砂配制混凝土研究

规裁移对混凝±羧寝影响并不犬，丽对混凝±工终性有较大影响，瘸槐制砂配剖斡滋凝±工作毪瞬囊低予天然审配锚酶潺凝主工律往。

机制砂配制的混凝土拌合物工作性差，童要是由颗粒形状及级配决定的。天然中砂颗粒圆滑、级配好，丽机制砂是石灰蕊经机械破碎ｉ面制得，袭黼棱角多、颥敉壤糙、级配蓑。在配刳滢凝±嚣，税露ｌ妙鬏粒经零滋浆’篷裹惹，鬏粒摇互蘑的枫械皎合力眈天然中砂大，便拌合物流动性降低。在ＪＧＪ／Ｔｌｏ－９５《滟凝土泵送施工技术规程》中规定，细骨料中通过Ｏ．３１５ｒａｍ筛孔以下的颗粒不成小于１５％，丽机测砂中０．３１５ｒａｍ以下的颗粒不足５％，这部分颗粒的不足，使杌镪ｉ砂颗粒级配差，静致淫凝±掺会粝懿耱聚稳、保承整垮麓子天然孛砂滢凝±搀合携。透筵，机制砂配制的混凝士拌合物工作差。

３。２复合砂对混凝±工佟性豹影响

枫锖《砂颗粒稳糙、棱角多、缎度模数大，０．３１５ｒａｍ戳下的颗粒含纛偏低、颗粒级黉己差，配制的混凝土拌合物工作性差。特细砂虽粒彤圆滑，但颗粒细、细度模数小、比表面积犬，配制混凝士对，需水惫及水泥用爨大，混凝土强度等级不裹。絮将嚣耱砂瀵会傻曩，簧ｇ掰改善移魏鬏羧缀琵。嚣鼗，薅溪援裁移与耨缨骖混合丽成的复合砂进行试验。

前面试验结果表明，同一种水泥，不同细骨料会影响新拌混凝土置作性，而

对硬化后混凝±溅发影响不大，放在本试验巾，水泥只恩了矿渣５２。５Ｒ水泥。特细移荨梳翻砂不霹复会院翻配裁瓣滢凝±试验络采觅表３０。（各缀灞凝支窳灰宓及用水纛均相同，设计混凝土强度等级为Ｃ５０）

表３．２誉瓣缨詈辩混凝走芏捧牲、强度

纽骨料俺瓣砂机制砂

踟ｌ％机制砂＋１０％特细砂

坍薄度／ｍｍ初始

２４５２００１９５２３０２３０２３５

２ｈ２１５１３０１７０

抗压强．／ＪＵＩ讧Ｐａ

３ｄ３８．２３７．６３７．８３４＾３７．１３６．２

７ｄ

２８ｄ５８．７６２０６３０６０．７６４．３６０．２

艚ｏ

４６．４５０．Ｏ４５。１４８．４４７．８

８鲋躐铡砂＋２躐缨移

７０％梳制砂十３０％特缅砂

５０％机制砂＋５００／钥軎ｊ：细砂

１ｓ５２００

２１５

获表３．２孛豹耱落度试验绦桊看，不蠢瑟会篼簌懿瀑余秽配割懿涎凝±搏台戆工作性有较大差剐。机制砂中炭合特细砂，混凝土拌合物工作性明显｛簪到改善，

１４

重庆太学硕士学位论文３机制砂配制混凝土研究

在试羧范匿内，特缨砂复合比例越大，改善佟髑越明显。当机制砂与特绷砂按ｌ：１滢含辩，酝锅叠冬滋凝±工终往≮天然孛骖混凝±裙近。苁强度试验终祭着，不露细骨料配制的混凝士各龄期强度差别不大，２８ｄ龄期强度都达到了设计配制强度。试验结果表明，机制砂复合一定比例的特细砂可改善混凝士拌合物的曩作性，对瞧凝主强度影璃零犬。

３．３复合砂对混凝土长期力学性能的影响

分别用重庆腾辉矿渣５２。５Ｒ水泥和她维５２。５Ｒ普通水泥，对天然中砂与混合砂配鬣熬演凝主弹热模量、竣绫、徐交等控裁滋行试验，各缝混凝±配会疆：稳嚣，

试验结果见表３．３、表３．４。

袭３３混凝±弹性模量（ｘ１０勺ＶｌＰａ）及各龄期收缩值

Ｔａｂ３．３

ＭｏｄｕｌｕｓｏｆｅｌａｓｔＭｔｙ

ａｎｄ蠡匹｜ｌｌ哪ｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ

２８ｄ

４Ｓｄ

６０ｄ

９Ｄｄ１２０ｄ１５０ｄｌＳ０ｄ

３５２

编

水泥细骨料号

珏ｌ

弹性模璺

矿渣薄弱移３．８２

ｌｄ０ｔ４ｌ

各龄期收缩值ｘｌ∥

３ｄ

７ｄ

１４ｄ

０．６４ｌ，２７２。ＯＳ２。８Ｓ３．１５

３．２３３。４５３．４ｓ３．５０

磁

Ｈ３珏４

矿渣复合砂

酱通简阳砂

３．７８Ｏ．４２０．６８１．１２２．０５２．７４３．０６３．２２３．３５３．４１３．４３３．４６

１．４３２．２１

３．８５０．６４０．９０３．０２３．２９３．４６３．５６３．６２３．６４３．６５

繁暹复合秽３．Ｓｌ馥５３

０。８７｜．３４２。１３２．９７３。ｌＳ３．３ｌ

３．鞫

３，５５３。５６３．５６

混凝土收缩值随龄期的变化曲线如图３，ｌ。

×ｌ矿

４３。５

粤骠罄卅毖赠

３２．５

２ｌ＋５

ｌ

０．蓦

０

塑３．Ｉ不掰水泥、纽骨辫混凝±收缩变化媳线

Ｆｉｇ３．１

Ｓｈｒｉｎｋａｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｅｍｅｎｔａｎｄ缘撼

ａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｓ

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３机制砂配制混凝土研究

苁瑟３，ｌ可看出，攘嗣配合魄露，鼹通隶淀鞋＝矿渣水泥配割瓣潺凝土各龄耀收缩氇大。辩于同一永泥赫种，天然串移与复合砂配制的混凝±备凝期收缩毽穗近。

表３．４演凝±各龄期的徐燮

编

徐燮参数

号

ｌｄ

３ｄ４●８２１．８０．７４５．５Ｓ２６。６Ｏ．８８２．７０１４上

７ｄ５。５５２７．１Ｏ．９２６．２７３谯００．９７３．６２ｔ５．１Ｏ．７０４．００２０。５

相应各龄溺变化值

１４ｄ￡５２３１．８１．０８７－９７

３８．２

２８ｄ７＋４９３６．５１．２４８．８ｌ４２．２１．３９５．０５２基６Ｏ．９８５．４４２７ｔ９Ｏ．９５

４５ｄ

７．９２３８．７１．３ｌ虫２８４４．０１．４７

６０ｄ８．３５４０．９１．３３９．６７４６．３１．５３５．８４３＆７１．１３６．５９３３。Ｓ１．ｔ５

９０ｄ８．８６４３０１．４６１００４８．７ｌ＋６ｌ６．４６

３屯ｅ１０５

１８０ｄ３６０ｄ

ｌＯ．６５１．７１．７５

徐变馕ｘｌ∥

Ｈｌ

３１３５１６．３

９筋

４Ｚｌ

１．６０ｌ啦６５０．５１．６７

徐变魔ｘ１矿

徐变系数

Ｏ．５５

４．０２１９．２

徐变馕ｘｌ旷

Ｈ２

ｎ．６５５．４

１．８３８．７６４５。８

徐交发×１矿

徐变系数

０．６４

１．９８１０蠢

１．２６４．３４２２。Ｓ

０．８４４．５６

徐交德×ｌ矿

５．５６７．６９

３Ｓ９１．４３７．８２

秘

徐交旋ｘ｛矿

徐鼗系数

拶３

１．０８

Ｏ．３８

２．４４１２ｊＯ．４２

０．５２３．１４

１６．１Ｏ．５Ｓ

１．６９

９．０５

徐变假×ｌ矿

６．３２３２■１．１０

６．９４３５菇

ｌ－２ｌ

搿

獠交发ｘｌ酽徐燮系数

２３．５

Ｏ．７９

婚．１

１．３６

４６蔗

１．５８

Ｏ册

不同瀵凝主戆豫交系数夔羚蘩交识燕线魏图３。２。

２

王５

ｌ

藏》警黼｛豁瓣

§５

Ｏ０

４０

８０

１２０

１６０

２００

２４０

２８０

３２０

３６０（ｄ）

匿３２搅凝主徐变系数囊纯镌线

Ｆｉｇ３．２

Ｃｒｅｅｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ

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３机制砂配制混凝土研究

簌圈３－２霹番囊：①不嚣鑫秘承滋瑟割戆滢凝烹徐交系数鸯较大差别，矿滚承泥配翩的混凝土各龄帮徐交值较普通水泥大；＠确阚品种永混时，不同缅骨科配

制的混凝土器龄期徐变系数相近。

３．４本耄小结

混凝土的力学性能研究表明了在相同配合比时，混合砂配制的混凝土弹性模量、收缩及徐变性能与必然中砂配制的混凝土相ｊ踵，这说明，可用机制砂与特细砂复合黟豢代天然孛砂瓣裁毒蓬戆混凝±。

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