HPC 的性能及在土木工程中的应用

    HPC 具有高耐久性和高强度、优良的工作性，具体体现在①较高的早期强度、高验收强度（18-24h 抗压强度为17.5～28MPa,28d 或56d 抗压强度42-70MPa,56d 以上抗压强度70～126MPa； 高弹性模量(45.5GPa)；②高耐久性。可保护钢筋不被锈蚀，在其它恶劣条件下使用，同样可保持混凝土坚固耐久。③高的和易性、可泵性、易修整性。既能配制坍落度为15.2～20.3cm的混凝土，又可配制坍落度大于20.3cm 的流态混凝土， 而不发生离析；可降低泵送压力，修整容易。冬天浇注时，混凝土凝结时间正常，强度增长快于普通混凝土，低温环境下不冰冻，热天浇注混凝土保持正常的坍落度，并可控制水化热。

1 聚丙烯HPC 在路面工程中的应用研究

    一般混凝土材均存在脆性大、易开裂和抗冲击性能差等问题，如何提高混凝土材料的抗裂、抗冲击性能受到关注。近十多年来，合成纤维混凝土在改性混凝土中已成为越来越主要的角色， 特别是聚丙烯纤维更以其成本低及改善混凝土性能的显著效果，受到工程界的注意。聚丙烯纤维混凝土是在混凝土中掺入适量的聚丙烯微纤维， 以改善混凝土的脆性破坏特征，减少混凝土塑性收缩裂缝，提高混凝土韧性及抗冲击性能，其中少量聚丙烯纤维加入到混凝土后可以改善混凝土的抗裂性能及提高抗冲击性能的特性已广泛应用于路面工程中，并取得了良好的效果。

1.1 主要性能

(1)抗裂性

     聚丙烯纤维在控制混凝土的塑性收缩裂缝上的主要作用为：阻滞塑性收缩裂缝的产生和限制裂缝的发展。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化之前，特别是在混凝土浇注后4～5小时之内。掺入聚丙烯纤维后，起到类似筛网的作用， 减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝，延缓了第一条塑性收缩裂缝出现的时间。而当裂缝出现后，聚丙烯纤维的存在又使裂缝尖端的发展受到限制，裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断来继续发展，这就需要消耗较大的能量来克服纤维对裂缝发展的限制作用。纤维的体积掺量越大，这种限制作用越强。而在普通混凝土中裂缝的尖端没有受到这样的限制作用，可自由发展，这就使得普通混凝土中的裂缝比加入纤维的混凝土中的裂缝要宽、要长。说明了聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗裂性能。

(2)抗冲击性能

    聚丙烯纤维与水泥基料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀， 同时由于细微，故比面积大，有助于提高混凝土受冲击性能。

(3)抗冻性能

    在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展。

(4)抗疲劳特性

    在混凝土中掺入聚丙烯纤维后，其静力弹性模量低于普通混凝土，但疲劳变形模量随着掺率增大而增大，说明对动力荷载作用下的结构，聚丙烯纤维能发挥更大的效果。弹性模量低、抗疲劳强度高的聚丙烯纤维混凝土是一种优良的路面结构材料。

1.2 应用实例

    广州东环高速公路，应用聚丙烯纤维混凝土成功地解决了收费站无磁路面抗裂、抗冲击、耐磨的要求。该路段由于下面埋设自动测试磁性感应线圈，不能铺设钢筋网，不能采用钢纤维，同时路面厚度受到限制，因此采用了每立方米C50 混凝土中掺加0.9kg 杜拉纤维、路面厚度33cm 的方案，在解决工程难题的同时，还因省去一层钢丝网而减少了材料和施工成本。收费站建成投入使用至今，广州高速公路繁忙的车流并未对路面造成明显的破坏，使用效果良好。

2 磨细矿渣高性能混凝土在海工建筑中的应用研究

    磨细矿渣高性能混凝土是用高炉矿渣磨细至一定细度并掺加高效减水剂等激发剂，大掺量等量取代水泥配制而成的高性能混凝土。混凝土成本增加不多，而7-28d 强度即能达到或超过普通混凝土，并具有较普通混凝土高得多的耐久性和体积稳定性。磨细矿渣高性能混凝土最大特点为具有极强的抗氯离子渗透性能，因此用于海工钢筋混凝土建筑物，能有效地防止混凝土中钢筋由于氯离子侵入而引起的腐蚀，从而大大提高海工钢筋建筑物的耐久性。

2.1 工程应用

    天津港南疆煤码头新建工程第11 至13 结构段，上部结构为满足工艺要求采用现浇钢筋混凝土墩台结构。为实施“九五”国家重点攻关课题，码头第1 结构段的钢筋混凝土面板和每2 结构段的部分钢筋混凝土面板，采用南京水利科学院研制的磨细矿渣高性能混凝土。

2.2 施工原材料

    磨细矿渣高性能混凝土面板由中港一航局一公司混凝土预制厂预制生产。水泥、砂、石和引气剂采用预制厂现用材料，磨细矿渣粉由南京水利科学研究院研制提供。

a.水泥:冀东水泥厂产525R 型普通硅酸盐水泥，3d 抗压强度35.0MPa，28d 抗压强度62.5MPa。

b.砂：闽江河砂， 细度模数2.90，表观密度2.66g/cm3。

c.石：蓟县碎石，最大粒径40mm，表观密度2.81g/m3。

d ．引气剂：丰南加气剂厂产松香热聚物。

e . 磨细矿渣粉：南京水利科学院研制，表观密度2.922g/cm3，减水率22.5%，其中磨细矿渣

比表面积459m2/kg，含水率0.069%

2.3 混凝土吸水率

    磨细矿渣高性能混凝土预制面板现场取样， 混凝土吸水率检测结果平均为2.12%，低于室内研究测试结果。同标号普通混凝土现场取样试件吸水率测试结果为3.9%，说明磨细矿渣高性能混凝土密实性明显提高。

2.4 混凝土抗渗性和抗冻性

       磨细矿渣高性能混凝土预制面板现场取样混凝土抗渗性和抗冻性检测结果见表1。

2.5 经济效益分析

表2 磨细矿渣HPC与普通混凝土成本对比

    经测算，通过规模化生产，磨细矿渣可降至450 元/ 吨，如此又使磨细矿渣高性能混凝土材料成本降至250.79 元/m3，比普通混凝土高35～ 40 元/m3，而混凝土性能却得以大幅度提高。并且，由于磨细矿渣高性能混凝土无需表面防腐处理，因此可相应节省混凝土表面防腐费用。按每立方米混凝土表面防腐费用为50-60 元计算，磨细矿渣高性能混凝土较经表面防腐的普通混凝土可降低费用15～20 元/m3，且耐久性有所提高。

3 粉煤灰高性能混凝土在首都国际机场新航站楼工程的应用

3.1 工程实例

    北京首都国际机场航站区扩建工程包括新航站楼、停车库、1 7 座高架桥和东西跑道及停机坪工程，其中航站楼一项工程投资近30 亿元，建筑面积26 万m2，纵向长747.5m，横向宽342.9m, 为地下一层,地上三层全现浇框架结构.除底板用C40、S8 混凝土4.5 万m3 外，其它板、墙、柱等全部采用C60和C65高性能混凝土，象这种整体结构采用高性能混凝土的工程在国内尚属首次，不但要求混凝土强度高，而且要求水化热低、收缩小、无裂缝，并具有良好的施工性能。

3.2 原材料的选择

（1 ）水泥 采用河北邯郸水泥厂生产的邯郸5 2 5 号普通硅酸盐水泥，样品抽测细度0.080mm,方孔筛筛余2%,标准稠度36.7%, 初凝1h:33min,终凝5h:15min。28d 抗压强度分别8.6M Pa 和56.02M Pa 。

（2 ）骨料 粗骨料选用北京潮白河系碎卵石，公称粒径5～20mm，表观密度2700kg/m3 左

右,级配良好，含泥量＜ 1%，细滑料采用北京龙风山中砂，细度模数2 . 7 以上，Ⅱ区中砂、级配良好，含泥量＜ 2 %

（3 ）减水剂 采用本公司外加剂厂生产的YGU-F3 高效减水剂，减水率30%，抗压强度比3d 为200%、7d 为140%、28d 为122%,符合GB8076- 87 中高效减水剂一等品的要求。

（4 ）活性细掺料 采用内蒙古元宝山热电厂Ⅰ级粉煤灰。

（5 ）膨胀剂 采用天津雍阳建材总厂生产的豹鸣牌UEA 低碱度膨胀剂，性能符合JC476-92

标准要求。

3.3 粉煤灰高性能混凝土的性能

（1 ）力学性能

    粉煤灰HDC 弹性模量与抗压强度早期偏低， 后期逐渐提高。因为粉煤灰的火山反应生成物类似于托孚莫来石凝液，使混凝土更加密实，从而提高混凝土的静力弹性模量，混凝土的徐变值与基准混凝土对比，前期偏高，而后期明显减少， 实验结果表明后期加荷的徐变值，可比普通混凝土减少50%，粉煤灰混凝土的28d 粘结强度基本上与等标号的基准混凝土相同，但因为粉煤灰混凝土的均匀性好，粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。

（2 ）抗冻性

    混凝土的抗冻性能通常采用反复冻融的测试方法进行评定。混凝土的引气量和强度是影响混凝土抗冻性的主要因素，满足抗冻性要求的引气量取决于混凝土的强度等级，混凝土强度越高， 满足抗冻性所需的引气量越低。对于引气量小于3.5% 的粉煤灰混凝土，其水灰比对抗冻性有显著的影响。水灰比越小抗冻性越好，如果混凝土中有足够的引气量，则其水灰比对其混凝土的抗冻性影响不大。研究表明，混凝土中以20% 粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过其基准混凝土。但是掺量太高（50%）时，经过150-200 次冻融后，混凝土出现明显的破坏。混凝土中含气量相同，抗压强度相同，其中含与不含粉煤灰，抗冻性无明显差别。

（3 ）干缩性

    混凝土的收缩性主要受用水量的影响，掺入粉煤灰可减少混凝土的用水量，抑制混凝土的干缩。试验表明，混凝土的干缩随着粉煤灰含量提高而降低。

（4 ）对钢筋锈蚀的影响

    影响粉煤灰混凝土护筋性的主要因素为混凝土的碱变和孔结构。混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性在金属表面形成一个细微的氧化膜，如果碱性降低（PH 值小于9）或有氧化物超过某一个浓度，这一薄膜就会破坏。粉煤灰能使混凝土的碱度降低。对护筋不利。但粉煤灰中含有K+、Na+ 离子,即便粉煤灰消耗了不少Ca（OH） 2，由于K+、Na+ 溶于毛细管水中，仍能使PH 值保持在11.87～12.04 之间，使钢筋得到碱性保护。最新研究表明，掺入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，并使混凝土孔结构得到细化，加大了C l - 的扩散程度，取得了良好的防腐效果，另外掺入部分砂共同粉磨，可显著改善混凝土的孔结构，从而提高粉煤灰的混凝土护筋性。

（5 ）碱—骨料反应

    碱—骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应，生成吸水产物，体积增大， 导致混凝土的膨胀和开裂。混凝土中碱—骨料反应的发生条件除具有碱活性外，还需混凝土中具有高碱性，还要有水。粉煤灰取代部分水泥，不仅能降低混凝土中的有效含碱量，还能产生物理化学作用，抑制碱—骨料反应。粉煤灰中含有的酸性氧化物SiO2 和水水化产生的Ca（OH）2 反应， 同时高细度的掺合料微粒使K+、Na+、OH- 富集在其表面，使骨料周围的碱金属离子及OH- 减少， 从而削弱了碱—骨料反应。