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1、高速公路桥梁高强混凝土配合比设计,李北星 教授、博士武 汉 理 工 大 学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,目 录,一、影响混凝土强度的主要因素二、矿物掺合料对高强混凝土强度发展的调节作用三、高强混凝土配制技术四、高速公路桥梁常见高强混凝土配合比设计,一、影响混凝土强度的主要因素,原材料对混凝土抗压强度的影响配合比设计参数的影响养生条件的影响试件强度与构件强度的关系回弹强度与构件强度的关系,原材料对混凝土抗压强度的影响,相同水灰比情况下，配制混凝土用水泥的强度越高，混凝土的强度越高；用早期强度较高水泥配制混凝土强度增长较快，但在后期强度增长缓慢；水泥细度增加，水化速率增大，可导致较高的早期强度增
2、长率，但混凝土的后期强度可能没有增长，甚至出现强度倒缩现象。,水泥的影响,矿物掺和料的影响,矿物掺合料已经成为高强混凝土的不可缺少的组分；矿物掺合料的加入，起到微观填充作用，有效改善了骨料和水泥浆界面过渡层结构，降低了水泥石内部细微的孔隙，使混凝土更加致密；矿物掺合料的种类，品质和取代数量对混凝土的抗压强度有着显著的影响。,粗骨料强度的影响 混凝土结构受到分布的静态或动态载荷作用，且未产生局部应力集中时，要求骨料与周围的水泥浆体有很好的黏结，以便在骨料颗粒之间进行应力传递。因此要求骨料有较高的强度和刚性，并在应力传递时不会产生机械性破坏或过度的变形，能够抵御各种静态和动态应力、冲击及磨蚀作用而
3、不会导致性能的下降。无论是高强、中强还是低强基体混凝土，当骨料强度低于基体强度时，粗骨料对混凝土抗压强度起负作用；当骨料强度高于基体强度时，粗骨料有利于混凝土抗压强度的提高。但也并非骨料强度越高越好，骨料与基体两相之间存在强度和刚度相互匹配的关系。,粗骨料的影响（1）,粗骨料颗粒形貌的影响 粗骨料的颗粒形状以圆球或立方体形为最优，含有较多的针、片状颗粒，将增加空隙率，降低混凝土拌和物的和易性，骨料界面粘结力下降，并且针、片状颗粒受力时容易折断，进而影响混凝土的强度。采用525mm级配碎石配制C50混凝土时，随骨料中针片状颗粒含量的增加，混凝土强度降低，当针片状颗粒从0增加到6.5时，混凝土强度
4、下降了约11。,粗骨料的影响（2）,粗骨料的粒径影响 在低强度或胶凝材料用量较少的混凝土中，骨料的粒径越大，对水泥浆的需求量越小。对于给定的工作性和水泥用量，可以降低用水量，因此填充料粒径越大，混凝土的强度越高。但对于高强度混凝土情况则不同，研究表明：配制高强混凝土必须选择粒径较小的骨料，例如C60混凝土骨料最大粒径一般不超过25mm，C80一般不超过20mm，这就是骨料在混凝土中的“尺寸效应”。,粗骨料的影响（3）,粗骨料表面包裹石粉的影响 粗骨料表面粘附的石粉，料径大部分为小于0.16mm的颗粒，即使延长搅拌时间也无法使表面石粉完全脱离，势必在水泥砂浆与粗骨料表面形成一个较薄弱的结合面，此
5、薄弱面使骨料与混凝土中的砂浆粘结力减弱，抗压将下降。研究表明，表面包裹石粉骨料配制出混凝土早期和后期强度均低于用清洗后骨料配制的混凝土，尤其是早期强度降低约1014。,粗骨料的影响（4）,不同品质外加剂对混凝土抗压强度增长贡献不同；减水剂分散作用可以强化水泥的水化程度，提高硬化水泥石的网络结构的密实性,但不同减水剂增强作用不同；缓凝剂对混凝土早期强度发展不利，但后期强度略有提高。早强剂与速凝剂可以提高早期强度，但对后期强度发展不力，尤其是速凝剂可使后期强度损失1030%；引气剂增加了混凝土中的气泡，减小了水泥浆体的有效面积，消弱了水泥石与集料间的粘结强度，造成了混凝土抗压强度的降低。一般混凝土
6、含气量每增加1，混凝土的抗压强度约降低510。,外加剂的影响,配合比设计参数的影响,水胶比及水泥用量的影响 混凝土强度的水灰比定律：“对于给定的材料，强度只取决于一个因素水灰(胶)比。”这是因为水灰(胶)比决定水泥浆体的孔隙率。对更高强度的混凝土，如果不掺加活性掺合料是难以实现的，水泥用量越多，并不是强度就越高，这是因为水泥用量越多，收缩越大，收缩应力增大，在骨料界面产生收缩裂纹，导致混凝土强度降低；混凝土的收缩对于混凝土结构起着不利的影响。同时，矿物掺和料可以改善物理填充和界面结构，并增强耐久性。,砂率的影响 配制C50混凝土，砂率在3339间变化对强度无明显影响。据日本资料介绍，平均坍落度
7、每提高20mm，砂率相应增加1，而强度无明显变化。混凝土的工作性能的影响 混凝土拌合物的粘聚性、保水性、流动性决定了混凝土混合料是否容易振捣密实以及抵抗离析、泌水的能力。混凝土轻微的泌水，可降低混凝土内的水灰比，提高强度，减少混凝土表面的干缩。但严重的泌水，会在成型后的混凝土内形成大量的迁移水的通道，导致混凝土强度降低。过粘，气泡难以排出，降低强度。,回弹强度与构件强度的关系,回弹法是目前国内应用最为广泛的结构混凝土抗压强度检测方法，一般为结构混凝土抗压强度检测的首选方法；回弹值高，表面硬度高，混凝土强度高；回弹值低，表面硬度低，混凝土强度低；优点1：对结构没有损伤；优点2：仪器轻巧，使用方便
8、；优点3：测试速度快；优点4：测试费用相对较低；优点5：可以基本反映结构混凝土抗压强度规律特别是强度的均匀性；缺点：方法本身有时有系统不确定性问题。,回弹法的特点：,影响构件混凝土回弹强度的因素（1）,砼回弹强度只代表混凝土表层质量，检测准确度受砼均质性影响大；各种原因造成混凝土不均匀、表面砂浆富余或靠近模板内表面水灰大、气泡多，致使混凝土强度形成一定的梯度而不均匀，回弹强度值将偏低；粉煤灰砼，粉煤灰轻，过振后上浮，砼表面硬度下降、强度降低；泵送混凝土：拌和物流动性大、砂率大、富浆设计，砂浆易集中在混凝土表面，骨料易沉降，回弹强度便低；,回弹仪的影响：要求检定合格和按规程保养、维护和操作。有下
9、列情况之一时，不能使用：新回弹仪启用前；经常规保养后钢砧率定不合格；超过检定有效期限；累计弹击次数超过6000次；遭受严重撞击或其他损害。否则会造成检测数据不准确。随着混凝土抗压强度的增大，比较其他检测方法，回弹法的测量值越来越偏低，另从大量的现场检测比对中也发现，当构件的混凝土设计强度等级较高，或碳化深度较大时，回弹强度推定值比钻芯强度低的现象更加突出。,影响构件混凝土回弹强度的因素（2）,混凝土强度的影响：许多工程实践证明，低强度短龄期混凝土的强度推定值偏大、而高强度混凝土的强度推定值偏小的系统误差。鉴于建立规程的母体试块为80年代初期且绝大多数为低标号的混凝土试块，低标号混凝土较高标号混
10、凝土含石量高，因此往往造成低标号混凝土回弹强度推定值偏大；又因为规程附录B“泵送混凝土测区混凝土强度推算值的修正值”中,当碳化为0-1mm时，小于40MPa的测区混凝土强度可增加4.5MPa，大于55MPa时修正值为0MPa,混凝土强度越高则修正值递减,即现规程对低强混凝土强度推定值有偏大的趋向。,影响构件混凝土回弹强度的因素（3）,潮湿混凝土的回弹值小于同强度干混凝土的回弹值而导制混凝土的强度推定值显著偏低的结果 从上述分析来看，结构实体的高强混凝土回弹强度与同条件养护试块强度的相关性较差。采用回弹法进行构件强度验收，对低强混凝土偏不安全，而对高强混凝土是偏安全的。高强混凝土的回弹结果应进行
11、修正，减少单一方法而引起的误判。可采用同条件试件或钻取混凝土芯样进行修正，试件或钻取芯样数量不应少于6个。钻取芯样时，每个部位应钻取一个芯样，计算时，测区混凝土强度换算值应乘于修正系数。,影响构件混凝土回弹强度的因素（4）,表层质量应具有代表性；1 清洁、平整、无污物、无明显缺陷；2 无损伤（化学侵蚀、冻害、火灾或高温损伤）；3 干燥面；不适用超过龄期（1000天）,碳化过深（既有结构）；不适用强度过高（C50,60MPa)；不适用泵送混凝土（细骨料和粉料多，碳化快）；高强混凝土：应取芯或取芯+回弹,回弹法测强注意事项：,试件强度与构件强度的关系,原材料的波动计量的精度混凝土的匀质性和密实性混
12、凝土的养护条件,潮湿养护对混凝土强度发展影响显著。存放于水中混凝土，要比在空气中存放一定时间，或一直在空气中的混凝土强度高。因此应该使混凝土在硬化初期保持至少7d潮湿状态。湿度不够（暴露干空），混凝土会失水干燥而影响水泥水化正常进行，甚至停止水化，严重降低砼强度，而且使砼结构疏松，形成干缩裂缝，增大了渗水性，从而影响混凝土的耐久性。,养护湿度的影响（1）,早期维持湿养护对水灰比0.4以下混凝土比对0.5水灰比以上混凝土强度影响更大。（后者体内有足够水分，用塑料膜密封防止水分蒸发即可，而前者体内水分不足且易出现自干燥现象）。普通混凝土浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发过快。在夏季施
13、工混凝土进行自然养护时，使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥、掺有矿物掺合料或在施工中掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求时，应不少于14d。,养护湿度的影响（2）,混凝土强度与保湿时间的关系,温度和湿度对高强混凝土发展的影响更为显著。大尺寸高强混凝土构件经受水化热高温，其内部混凝土又缺水，所以实际构件中的混凝土和标准尺寸小试件所处的环境有很大不同。掺合料可调节混凝土内部实际强度及其发展。普通混凝土实际强度随其内部温度升高而随龄期下降，掺入矿物掺和料后，则强度提高并持续发展。,二、矿物掺合料对高强混凝土强度发展的调节作用养生温度的影响,不同温度下养护的硅酸盐
14、水泥 混凝土抗压强度发展（W/C=0.4）,掺30%掺粉煤灰的混凝土在不同温度下抗压强度的发展,混凝土养护温度对抗压强度的影响,粉煤灰混凝土,纯水泥混凝土,矿物掺合料的影响,跟踪养护考察不同混凝土内部实际强度的发展,跟踪养护：预埋温度传感器实测混凝 土内部温度，依此变化混 凝土试件养护温度,用于温度跟踪养护实验的不同强度混凝土配合比主要参数,不同养护制度下硅酸盐水泥 混凝土抗压强度发展（W/C=0.4）,掺粉煤灰的混凝土在不同养护制度下抗压强度的发展,“温度跟踪养护”与标准养护试件强度 实验对比结果,温度跟踪养护得到的无粉煤灰的混凝土试件强度(接近于构件内部实际强度)在3d以前高于标准养护试件
15、的强度，而3d以后随龄期的发展越来越低于标准养护试件的强度。强度越高，龄期越长，这种差距越大。而对于掺有粉煤灰的混凝土，跟踪养护试件强度一直高于标准养护试件的强度值。因此，混凝土内部温升不利于纯硅酸盐水泥混凝土强度的发展，混凝土越早强、强度等级越高，水化热温升对其28d及后期强度在实际工程中的发展越不利。而有利于掺有矿物细掺料混凝土强度的发展，构件内部实际强度始终高于标准养护的强度。由以上分析可见，用现行的标准条件养护的试件评价结构中混凝土的实际强度，对掺有粉煤灰的高强混凝土比对纯硅酸盐水泥高强混凝土安全。,提高混凝土结构耐久性根本途径：,增强混凝土密实度，防止或控制混凝土开裂，阻止水分的侵入
16、；加大混凝土保护层的厚度，防止混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏；对低强混凝土：应控制最大水灰比（水胶比）和最小水泥（或胶凝材料）用量；对高强混凝土：应尽可能降低水泥（或胶凝材料）用量和用水量；严格控制施工工艺，保证混凝土质量。,三、高强混凝土配制技术措施,应根据设计要求使用部位及施工中的输送方式、振捣方式、浇筑等，合理拟定配制混凝土的技术要求，并根据这些选定水泥品种、等级；砂的品种、规格；碎石的最大粒径；外加剂品种与技术要求，确定是否掺矿物掺合料。,配合比设计,1、配合比设计的四项基本要求,新拌混凝土工作性满足施工要求；硬化混凝土强度满足设计要求；混凝土硬化过程体积稳定性，满足结构要求；硬
17、化混凝土耐久性满足使用环境要求；经济性尽可能采用当地材料。其他：外观均匀、低水化热,2、配合比设计中的三个基本参数,水胶比强度和耐久性 原则：满足强度和耐久性要求下，取较大值（以节约水泥）。砂率和易性（流动性、粘聚性和保水性）原则：满足粘聚性要求下，取较小值（以节约水泥）。单方用水量流动性。原则：在满足流动性的要求下，取较小值(保证耐久性)。,3、高强混凝土制备的技术途径和措施 a)控制水胶比：w/c0.38 b)改善水泥石的孔结构：采用高效减水剂，降低水灰比，并添加矿物掺和料，减少毛细孔隙，降低毛细孔尺寸。c)改善水泥石集料界面结构：添加矿物掺和料，改善界面微结构，消耗薄弱的水化产物氢氧化钙
18、，抑制界面过渡层形成。d)改善混凝土生产施工工艺：“水泥裹砂搅拌工艺”；“高频振捣成型工艺”一般机械振捣频率5000120000次，高频振捣器20000次/分，以消除直径小于0.07mm以下的气泡。,4、高强混凝土配合比设计原则 1)低用水量法则：在满足工作性情况下尽量减少用水量，这是提高混凝土抗渗性的一条重要措施。为此，应选用高效减水剂。2)低水泥用量法则：在满足工作性、强度和耐久性前提下，尽量减少胶凝材料中的硅酸盐水泥用量，并选用低水化热、含碱量偏低的水泥，避免使用早期强度较高的水泥和C3A含量高的水泥，这是提高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。3)最大堆积密度法则：优化混凝土中集料
19、的级配设计，特别重视粗集料的级配以及粗集料的粒形要求，获取最大堆积密度和最小空隙率，以便尽可能减少胶凝材料浆体的用量，达到降低砂率，减少胶凝材料用量和用水量之目的。4)（适宜）水胶比法则：在一定范围内减小水胶比，混凝土强度和体积稳定性提高，但为保证混凝土的抗裂性能，水胶比应适当，不宜过小，过小的水胶比易导致混凝土自收缩增大。5)双掺高效减水剂与矿物掺和料法则：使用优质粉煤灰、矿粉等掺合料，并必须充分发挥掺合料与高效减水剂的“超叠”效应，达到减小水泥用量和用水量、密实混凝土内部结构，使混凝土强度持续稳定地发展，耐久性得以改善的目的，从而使混凝土具有低渗透成为可能。,四、高速公路桥梁常见高强混凝土
20、配合比设计,1、技术要求,1)配制强度：fcu,k+1.645 6.0。且实验室试配28d强度不宜超过强度等级的1.4（C40C55）1.35倍（C60）。2)工作性：坍落度，泵送施工的坍落扩展度、压力泌水。坍落度要合理，不宜过大。初凝时间以满足连续施工而不出现施工冷缝为原则（如空心板梁分两次立模但一次浇筑完成，箱梁分段施工的一次适宜量浇筑量）。预制梁板混凝土：坍落度一般为120mm140mm，经时损失后其入模坍落度值不宜低于90mm，且不应过黏。现浇梁板混凝土：吊斗施工时坍落度为140mm160mm，泵送施工时坍落度180220mm（钢筋较密的箱梁取上限），扩展度450600mm。室内试验：
21、初始坍落度满足高限值留调整余地，坍损一般控制1h30mm。3)耐久性：根据使用环境级别，确定氯离子扩散系数、抗侵蚀等级、含气量和抗冻等级等，不宜用压力水抗渗等级衡量高强抗渗性的好坏。详见JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范、GB-T 50476-2008混凝土结构耐久性设计规范。4)预应力结构：高早期强度、低水化热温升、低收缩、高弹模（40GPa以上）、低徐变等要求。5）其他要求：缓凝、早强。,水泥：a)矿物组成：避免使用早强、水化热较高和高 C3A 含量的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；水泥中 C3A含量宜控制在 610%；f-CaO 1.5%。b)水泥细度：35038
22、0m2/kg。c)改善抗裂要求：控制碱含量0.6%或3.5kg/m3。d)强度等级：C50C55宜选42.5水泥，C60及以上应选 52.5水泥。e)选用旋窑厂生产的质量稳定的水泥，不宜用立 窑厂水泥。,2、原 材 料 要 求,矿物掺合料：a)作为一般情况下的必需组份：活性效应、微集料填充效应、形貌效应、调节混凝土内部实际强度及其发展。b)粉煤灰：级灰，适合C50C60泵送混凝土，掺量应不少于胶凝材料总量的15%，水胶比并应随粉煤灰掺量增加而减小。关键指标：0.045mm筛余12%，需水量比95%，烧失量5%，SO33%，f-CaO1.0%。c)矿渣粉：S95级，掺量应不少于胶凝材料总量的20
23、%。尤其适合硫酸盐腐蚀环境和C60以上高强混凝土。关键指标：比表面积宜控制在350500 m2/g；需水量比100%，活性指数3d55%、7d75%、28d95%；烧失量3%，SO34%。d)硅灰：掺量不宜超过8%，并宜与粉煤灰、矿渣粉复合使用。尤其适合早强、高强、耐磨混凝土，使配制C80以上混凝土更易。e)复合掺和料：其效果通常要明显优于单一的矿物掺和料，宜预先在工厂加工。,粗集料：a)最大公称粒径：不宜大于25mm。配制C80以上，不宜大于20mm。b)级配合理：宜采用二级配构成的连续级配碎石（510（16）mm：10（16）25mm=3.5（4）:6.5（6），并分级储存、运输、计量。粗
24、集料松散堆积密度应大于1500kg/m3，紧密空隙率宜小于40%，吸水率应小于2%。b)粒形良好：球形或立方型颗粒最理想(反击式破碎)d)针片状含量：5%。e)含泥量：1%。f)质地均匀坚硬：压碎值12%。母岩强度2倍设计强度等级。g)硫化物及硫酸盐含量(折算成SO3)0.5%。*进行粗集料料源选择时还必须对粗集料的碱活性进行检验，应首先采用岩相法检验，若粗集料含有碱-硅酸反应活性矿物，其砂浆棒膨胀率应小于0.10%。采用可能发生碱集料反应（AAR）的活性粗集料应经抑制效果验证，否则不得采用。,细集料 a)颗粒坚硬、强度高、耐风化、级配合理、吸水率低、空隙率小的洁净天然河砂或机制砂；b)宜用中
25、粗砂(II区级配)，细度模数为2.63.1；泵送混凝土用砂细度模数宜为2.92.6；c)含泥量小于1.5%。,高效减水剂 a)高减水率：奈系20%，聚羧酸盐25%，30min减水率不应低于20%；b)混凝土拌和物坍落度损失小；c)与所用水泥的相容性好；d)低收缩率比。*外加剂掺量（包括其中的缓凝组分含量）应通过试验确定，并根据使用环境、施工条件、混凝土原材料的变化进行调整。夏季施工时应采用缓凝型高效减水剂。推荐：C50及以上泵送混凝土，优先采用聚羧酸盐类减水剂（低碱、高减水率、保坍效果好、收缩率比低），有利于降低用水量、降低胶材用量，增加掺和料掺量，改善混凝土的抗裂性与耐久性。,配合比设计思路
26、,矿物掺合料,矿物掺合料与聚羧酸高效减水剂复掺,高强混凝土配合比,聚羧酸高效减水剂,形态效应,火山灰效应,微集料效应,降低水泥用量,降低用水量,降低水胶比,减小砂率,6、推荐设计参数,a)胶凝材料体系：通常C80以上的混凝土以掺有硅粉的复合矿物掺合料为主；C60C70混凝土以掺S95级磨细矿渣粉为主；C40C55混凝土以掺I级粉煤灰、S95级磨细磷渣粉为主。b)水胶比:高强混凝土的水胶比0.250.38，并随强度等级的提高而降低。c)在降低水胶比的同时，必须限制硅酸盐水泥用量，不足的粉体量用矿物掺合料补充。,配比比较先进的经验取值:a)胶凝材料取值：C40、C45预制空心板梁胶凝材料总量410
27、450kg/m3；C50预制T梁450480kg/m3；C55、C60现浇箱梁490535kg/m3；b)矿物掺和料取值：粉煤灰（磷渣粉）15%25%，或矿渣20%30%，或粉煤灰+矿渣20%30%。C70C80:要求胶凝材料总量560600kg/m3，其中水泥量500kg/m3。c)砂率：预制梁板3337%，现浇泵送时3845%。e)高效减水剂掺量：0.4%1.5%，根据坍落度大小确定。f)用水量：根据胶凝材料用量和水胶比确定，而胶凝材料用量和水胶比为经验取值。在145170 kg/m3范围选择，强度越高，用水量越低。经验取值：C40：0.400.37,C45:0.380.36，C50:0.
28、360.33，C55:0.340.31，C60:0.320.29。C70:0.290.27，C80:0.260.24。掺和料掺量越高，水胶比越低。,C50梁板混凝土坍落度1012cm，砂率宜控制在3337%范围，用水量宜控制在165kg/m3以下；结合本工程情况，C50 T梁，宜采用42.5级水泥，有条件应掺用15%左右I级粉煤灰或磷渣粉。若采用52.5级水泥，粉煤灰、磷渣粉掺量可放大到25%。并考虑外加剂、水胶比的匹配，掺磷渣粉不应采用缓凝型高效减水剂。高强混凝土试配时，要有参数优化过程，包括胶凝材料用量、掺和料品种、掺量、水胶比、砂率，并掌握混凝土的强度随上述因素变化的发展规律。聚羧酸外加
29、剂使用时要注意其消泡不够引起的容重偏低情况。,二次衬砌混凝土,技术要求（1）强度等级C25C30；（2）抗渗性P8；（3）工作性好（坍落度160180mm）；（4）干缩小，抗裂性好。,配合比设计思路：推荐采用：抗裂型高性能混凝土、自密实混凝土。（1）水灰比：0.48，掺用减水剂。（2）胶凝材料：选用32.5普硅水泥，并应掺用1520%粉煤灰，C+FA：350400kg/m3，不宜过高，防止开裂。（3）用水量：综合考虑泵送性和防水性及抗裂性，合理选取用水量。一般用水量不超过180/m3。（4）砂率：一般采用较高的砂率，35%45%。（5）外加剂的选取：比较膨胀剂、引气剂、减水剂或引气减水剂、防水剂、减缩剂对抗渗性的改善效果，综合技术经济优选掺用减水剂较为合理；（6）聚丙烯纤维提高抗裂性。,
