-PAGE20-連霍鄭洛段改建工程示范段混凝土高性能化關鍵技術研究報告一、項目簡介鄭州至洛陽段高速公路是國家規劃的“五縱七橫”之一“連霍高速公路”的重要組成部分，是河南省高速公路網的主骨架。該工程全長106公里，起于鄭州西南繞城樞紐互通西側，止于洛陽西南繞城任莊樞紐互通西側。連霍高速鄭州至洛陽段是河南省交通最繁忙的路段之一，現有雙向四車道已無法滿足需要。2008年11月，連霍高速公路鄭州至洛陽段改擴建工程正式開工。此次改擴建的路段全長106.39公里，在原四車道高速公路兩側各加寬8米，拼寬成整體式標準的雙向八車道高速公路，使之成為河南省最寬的高速公路之一。該項目建設規模龐大，投資約50.4億元，建成后將成為連霍國道主干線建設標準最高、設施最完善的路段，工程總體圖如圖0所示。圖0連霍鄭洛段高速改擴建總體圖為提高工程質量，連霍鄭洛段改擴建工程指揮部聯合中冶建筑研究總院有限公司（原治金部建筑研究總院）開展“連霍鄭洛段改建工程示范段混凝土高性能化技術研究”的研究項目。本項目以優化工程配合比、提高工程耐久性、節約工程投資和減少混凝土外觀質量缺陷為目的。本項目研究主要以14標段為依托，利用現有原材料和硬件設施進行混凝土配合比優化，進而改善混凝土工作性、提高混凝土耐久性并達到減少外觀質量缺陷的目的。二、主要研究內容通過對連霍鄭洛段混凝土現狀的調研和結構實體缺陷，以改善混凝土性能、降低混凝土成本，提高混凝土耐久性并改善結構實體外觀為目標，本次技術研究主要包括以下內容：1、混凝土配合比優化。采用高性能混凝土理念對現行使用混凝土配合比進行優化，通過調整混凝土配合比參數，配制工作性能較好的混凝土，并保證混凝土的耐久性能。2、混凝土攪拌工藝優化。在現有混凝土攪拌工藝的基礎上，通過改進現有拌合設備或優化混凝土攪拌工藝，達到充分拌合高性能混凝土的目的。3、混凝土振搗工藝優化。通過優化現有混凝土振搗工藝或引進混凝土先進混凝土振搗設備，并現場指導振搗工人振搗，避免因振搗不足或過振導致質量缺陷。4、柱子、高墩、預制梁外觀優化。通過從混凝土原材料、配合比、攪拌工藝和灌注工藝進行全過程質量控制，從而達到改進混凝土外觀質量的目的，并確保混凝土工程耐久性。5、混凝土高性能化指標體系建立。從自然環境條件出發，分析研究影響混凝土耐久性主要因素，并以此為主要考核指標，進行混凝土配合比調整，并建立檢測工程實體構件混凝土質量的方法體系，確?；炷凉こ痰哪途眯?。三、研究路線本項目研究主要由工程建設指揮部牽頭，以施工單位為主體，由中冶建筑研究總院有限公司選派專業技術人員進行指導，根據現有條件對混凝土進行配合比優化，再結合現有施工條件對施工工藝進行優化，最終達到減少混凝土外觀質量缺陷的目的。其主要研究路線可用圖1表示。

實地調研基礎設施實地調研基礎設施原材料配合比施工工藝結構物實體配合比評估基礎設施及施工工藝評估缺陷配合比優化方案基礎設施及施工工藝改進建議分析缺陷試驗室試驗實體構件試驗滿足降低成本核算形成工藝工法成果是否是否缺陷無有形成配合比優化成果第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段第四階段第四階段圖1技術路線圖根據圖1描述的研究圖線圖，將研究工作劃分為四個階段（見圖1虛線框所示）。第一階段，調研階段。通過對現有基礎設施、原材料、施工工藝、實體結構物以及配合比進行調研，針對調研發現的缺陷進行分析。第二階段，配合比優化階段。根據調研及分析結果，提出混凝土配合比優化方案、基礎設施及施工工藝改進方案，并通過試驗室試驗初步驗證混凝土配合比的力學性能。第三階段，實體構件試驗階段。根據力學性能試驗結果，采用改進后的施工工藝和優化后的配合比進行實體構件試驗，并針對施工過程中混凝土的工作性以及實體構件出現的外觀質量缺陷進行配合比再優化。第四階段，成果總結階段。根據實體構件試驗結果，形成混凝土配合比優化成果報告、相關施工工藝、工法成果報告。四、主要研究工作4.1實地調研實地調研工作目前已基本完成，本項目調研了NO.4、NO.6、NO.7、NO.14、NO.15等標段的施工現場、攪拌站、原材料、實體構件以及試驗室。通過調研發現了諸多質量缺陷，包括外觀質量缺陷（包括水紋、色差、銹跡、砂線、灰斑、爛根等）、涵身以及梁體表面存在微紋等圖2。圖2(a)銹跡圖2(b)起粉圖2(c)梁體腹板水紋圖2(d)涵身裂紋圖2(e)梁體腹板冷縫圖2(f)梁體裂紋根據調研發現的問題，專家組進行了分析討論，研究認為：1、混凝土表面銹跡主要因為模板未徹底清理干凈就進行施工或模板處理完后遭遇陰雨天，開始施工前，沒有對模板進行再次打磨清理，使模板上的銹跡粘附到混凝土表面。2、混凝土表面起粉主要與混凝土配合比、原材料、養護、模板打磨以及脫模劑有關。原材料含泥量過大，混凝土泌水、養護不及時以及模板打磨不夠等都容易導致混凝土表面起粉。3、梁體腹板水紋。梁體腹板水紋是普遍存在的梁體質量通病，水紋產生的原因可能是由于混凝土過振或混凝土泌水。4、涵身裂縫主要是由于混凝土中水泥水化引起內部溫度變化引起的溫度裂縫，通過優化混凝土配合比，加強養護，可以避免裂縫的產生。5、梁體冷縫由于腹板混凝土在澆注過程中采用分層分段的順序澆注，混凝土的凝結時間和分層分段澆注時間不匹配，上一層混凝土澆注時，先澆混凝土表面已經初凝，而振搗時又未插入到前一層的下面，就會在表面留下痕跡。同時，結合現有原材料分析，認為目前施工使用的混凝土配合比不經濟，通過優化砼配合比，可一定程度上降低混凝土工程投資成本。4.2配合比優化4.2.1原材料分析試驗用到的主要原材料包括偃師二級配碎石（5~10,10~20mm）、宜陽河砂（Ⅱ區中砂）、黃河同力PO42.5水泥、堅固）PO52.5水泥、洛陽熱電廠Ⅰ級粉煤灰、地下水以及陜西恒升外加劑，其外觀特性見圖3。圖3(a)水泥圖3(b)粉煤灰圖3(c)細骨料圖3(d)粗骨料（小石）圖3(e)粗骨料（大石）圖3(f)外加劑原材料的主要性能指標見試驗檢測報告。4.2.2配合比調整根據對混凝土原材料分析的結果，在原有配合比的基礎上進行了大幅度的調整。配合比調整的主要技術路線如下：1．骨料級配的優化骨料是混凝土中的重要組成部分，其體積占硬化混凝土體積的50%以上，采用優質骨料可以大幅度提高混凝土的性能，節約水泥用量，獲得較好的經濟效益。同時減少水泥用量可以降低混凝土的絕熱溫升，從而減小混凝土的收縮，有效的減少裂紋。傳統混凝土的配制主要通過砂率來調整粗細骨料間的比例，從而獲利較好的工作性。隨著混凝土技術的發展，粗骨料逐漸采用多級配骨料組合而成。公路工程預制梁體一般采用大石子10-20mm和小石子5-10mm進行復合制得滿足標準要求的粗骨料。在混凝土配制過程中，根據實際情況調整混凝土砂率，以獲得較好的工作性。冶建總院高性能混凝土研究院根據多年研究經驗，在骨料級配優化過程中將富勒理論和Shilstone理論進行了有機結合，本次優化過程中的富勒曲線和Shilstone曲線如圖4所示。圖4(a)優化前級配富勒曲線(n=0.5)圖4(b)優化前Shilstone曲線圖4(c)優化后的富勒曲線(n=0.5)圖4(d)優化后的Shilstone曲線實踐證明，優化后的混凝土工作性好，流動性提高，大大的增加了混凝土的流動性，減少了水泥用量。2．采用粉煤灰單摻技術粉煤灰在混凝土中的應用已經有幾十年的歷史，隨著混凝土技術的發展，粉煤灰逐漸成為高性能混凝土不可或缺的一部分。用粉煤灰取代一部分水泥，可以節約成本，提高混凝土性能。粉煤灰在混凝土中的作用包括：(1)火山灰效應粉煤灰屬于火山灰質摻合料，其中含有一定量的活性組分（SiO2和Al2O3等），這些活性組分可以與水泥水化后生成的Ca(OH)2反應，生產水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等反應產物，有助于混凝土后期強度增長。(2)潤滑效應粉煤灰是在高溫燃燒過程上形成的顆粒，顯微鏡下觀察，大多數顆粒表面光滑，呈圓形，類似于一個個玻璃球，這樣的“玻璃球”分散到水泥體系中，直到了一個滾珠軸承的作用，增加了混凝土的流動性。(3)填充效應粉煤灰的比表面積較水泥大，顆粒較小。一部分未水化的細微顆粒會填充在水泥水化產物的空隙中，起到“填隙作用”。使硬化后的混凝土更密實。(4)抑制堿骨料反應粉煤灰取代一部分水泥，降低了混凝土中的可溶性堿含量。同時粉煤灰與水泥水化產物氫氧化鈣反應，消耗了氫氧根離子，降低了溶液的堿性，因此有利于抑制堿骨料反應。美國聯邦公路局一項研究表明，采用粉煤灰取代水泥是抑制混凝土堿骨料反應最經濟、最有效的辦法。本項目優化過程中，采用粉煤灰取代水泥，最大量達30%左右，預制梁體混凝土的粉煤灰取代量達20%左右。實踐表明，用粉煤灰取代水泥，混凝土工作性大大改善，成本大幅度下降。3．采用低水膠比技術低水膠比技術是高性能混凝土的特點之一。高性能混凝土采用低水灰比以保證混凝土的耐久性。根據吳中偉院士的觀點，低水膠比是高性能混凝土的配制特點之一，配制高性能混凝土的水灰比一般不宜大于0.40。采用較低的水膠比配制混凝土，可以降低混凝土的拌合用水量，提高混凝土材料的密實性和抗裂性能，減少孔隙率，改善集料與水泥漿體之間的界面性能，阻擋和延緩水份、氣體及Cl-、SO42-等各種有害物質侵入混凝土內部，達到提高混凝土耐久性的目的。本項目優化過程中，預制梁體C50混凝土配合比水膠比為0.3左右，配合聚羧酸高性能減水劑，混凝土工作性好。4．配合比優化結果表2混凝土配合比優化情況編號強度等級使用部位每立方砼中材料用量(kg/m3)水泥粉煤灰砂石外加劑用量P-1C25水下樁34408361149萘系5.15G-1C25水下樁266778361065萘系5.15P-6C25墻身3940667118500G-6C25墻身2701207561135萘系3.90P-2C30承臺泵送39107911092萘系3.91G-2C30承臺泵送2591327911092萘系3.91P-3C30承臺斗送40206611176萘系3.26G-3C30承臺斗送300807351102萘系3.26P-4C50梁體46907291140羧酸5.60G-4C50梁體(PO52.5)375947301140羧酸5.60G-42C50梁體(PO42.5)399717311140羧酸5.60P-5C60梁體(PO52,.5)50006881122羧酸6.00G-5C60梁體(PO52,.5)420807051149羧酸6.00注：1.成本計算不包含水的成本；2.編號前面P代表原有配合比，G代表優化后配合比；3.成本變化欄表示優化前后的成本變化，結果為負表示成本降低；4.優化后混凝土工作性好，長期耐久性能尚需待齡期到達后方可試驗。4.3攪拌系統及工藝優化為了更好的控制混凝土質量，項目在研究過程中得到了14標段經理項目部的大力支持，對攪拌控制系統進行了更換。更換前混凝土攪拌控制系統完全是人工手動控制，加水量是通過水流出時間來控制，因水流大小受水壓、溫度等因素的影響，因此用水量變化較大。同時，聚羧酸減水劑具有減水率高、對用水量敏感等特點，在施工過程中，混凝土工作性不易控制，波動較大，而控制系統本身不帶有數據存儲功能，不便于混凝土工作性出現異常的原因分析。為了解決這一難題，14標項目經理部對攪拌控制系統進行了全新改造，完全自動化的攪拌控制系統，所有原材料統一采用計重計量，并且存儲每一盤實際材料用量，可用于誤差分析和混凝土工作性變化的原因分析。全自動化的控制系統可以自行設定原材料的投放順序，通過調整原材料的投放順序，可以得出不同的攪拌工藝。結合硬件本身的特點，項目研究過程中主要采用兩種攪拌工藝：一是所有原材料同時投進料機進行拌合；二是先將固體材料一同投入料機拌合15s后再投入液體材料，控制總的拌合時間不變。工藝二可以一定程度上緩解新出廠水泥溫度高對混凝土工作性的影響。實踐證明效果良好。4.4振搗工藝優化振搗工藝是混凝土成型過程的重要環節，振搗不足時，混凝土內部不實，直接影響混凝土的質量，甚至構件表面會出現“蜂窩”、“狗洞”等缺陷。過振會導致混凝土分層、表面灰斑等。因此振搗工藝和方法優化是混凝土高性能化的重要步驟。本項目在實施過程中主要針對以下工藝、方法進行了優化：1.分層振搗優化。分層振搗優化是指每層混凝土澆注時，振搗時間大致相同，上層混凝土澆注時，振搗器插入下層混凝土表面10cm左右。2.逐層加強振搗。所謂逐層加強振搗是指每層混凝土澆注時，振搗器都插入到底，振搗時間逐步增加。一般預制C50梁體腹板分三層澆注，第一層振搗時間最短，然后每層相應增加，每層澆注時振搗棒均插入底部進行振搗。3.采用高頻振搗棒。項目研究還采用高頻振搗棒替代普通振搗棒進行試驗，采用高頻振搗棒有利于提高振搗效率。4.采用附著式振搗器振搗。項目研究分別采用電動附著式振搗器和氣動附著式振搗器進行試驗。5.采用組合振搗。組合振搗即人工振搗加上附著式振搗器振搗。4.5澆注工藝優化預制C50梁體長25m，每片梁需要澆注混凝土28m3左右，目前通常采用攪拌車運輸到現場，然后用吊斗進行轉運澆注。正常情況下，澆注時間為5h左右。由于施工時間長，混凝土澆注工藝不恰當，會導致梁體表面冷縫、色差等質量缺陷。本項目主要研究了兩種澆注工藝：1.先底板后腹板，斜向分層，縱向分段。該工藝先澆注一段底板，并將內模底板密封，然后再澆注腹板，實行分層分段的澆注方法。此法適應性強，即使混凝土的工作狀態發生變化，流動性較小也能保證底板填充密實，但費時費力。2.直接由腹板澆注，斜向分層，縱向分段。該工藝要求混凝土有較好的流動性，腹板混凝土振搗后可流入底板并填充密實。此方法澆注速度快，但混凝土工作性發生變化時，底板有可能會出現空洞、填充不實等缺陷。4.6脫模劑優化脫模劑是影響混凝土表面質量的重要因素，傳統使用的脫模劑多為機油和柴油按不同比例混合，甚至有用廢機油進行混合。這種脫模劑有助于混凝土脫模，但不利于混凝土表面質量，混凝土表面可能出現油斑、黑點等缺陷，直接影響外觀。本項目研究對多種脫模劑進行了嘗試，并不斷探索新的脫模劑品種，其中包括：1.光亮劑：選用汽車光亮劑對模板進行打光，這種方法成本高，速度慢，拆模后混凝土表面光澤度不好。2.液體石蠟：通過將地板蠟加熱融化后均勻涂于模板表面，風干后即可澆注。這種方法速度快，混凝土表面光澤性好。缺點是冬天溫度低，液體石蠟凝固快，不便于施工。3.自制脫膜劑：為了保證低溫施工時混凝土的表面質量，項目組自行研制脫模劑。以機油和柴油為基體，通過乳化劑對基本進行乳化，降低基本粘度，有利于氣泡排出。目前該脫模劑的缺點是不穩定，長時間靜置后會分層，但攪拌均勻后不影響使用效果。五、結果分析5.1力學性能混凝土抗壓強度是混凝土最常用，最基本的力學性能指標，本項目對混凝土配合比進行優化后，首先研究混凝土的抗壓強度變化情況。優化前后混凝土強度見表3。表3可以看出，用粉煤灰取代一部分水泥后，混凝土的強度基本不變，滿足施工需要。表3主要配合比抗壓強度編號強度等級標準養護回彈強度7d28d7d28dP-1C25水下28.635.427.934.6G-1C25水下28.236.729.133.2P-6C2529.638.827.531.7G-6C2530.537.430.234.1P-2C3036.643.333.940.8G-2C3035.841.435.039.6P-3C30泵送34.240.6//G-3C30泵送32.238.3//P-4C5062.771.8＞60＞60G-4C5061.770.8＞60＞60G-42C5063.271.7＞60＞60P-5C6068.276.0//G-5C6066.573.3//對于預制梁體混凝土，力學性能除了混凝土抗強強度以后，彈性模量也是一個較為重要的指標。彈性模量是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力，是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，也就是在一定應力作用下，發生彈性變形越小通過采用日本最新研制的實體彈性模量測定儀現場測定預制梁體的彈性模量，結果表明優化后混凝土的彈性模量沒有大的改變。2-3#梁體采用優化前配合比澆注，48d時測得彈性模量為33.3Gpa，4-3#梁體采用PO52.5水泥優化的配合比澆注，28d時測得的彈性模量為35.2Gpa，4-4#梁體采用PO42.5水泥優化的配合比進行澆注，24d時測得的彈性模量為35.0Gpa。5.2耐久性能主要配合比的部分耐久性指標測試結果見圖5。從現有氯離子擴散系數測試結果看（圖6為測試方法），優化后的混凝土配合比滲透性有所降低，由于測試齡其不同，降低幅度不明顯，如2-3#梁體混凝土采用原配合比澆注，對應標養試塊48d的氯離子擴散系數（NEL法）為0.92×10-12m2/s，而4-3#和4-4#梁體分別采用PO52.5水泥、PO42.5水泥優化后的配合比，4-3#梁體對應標養試塊28d時的氯離子擴散系數（NEL法）為0.87×10-12m2/s，4-4#梁體對應標養試塊24d時的氯離子擴散系數（NEL法）為0.85×10-12m2/s。圖5(a)NEL法測定28d齡期氯離子擴散系數結果圖5(b)NEL法測定56d齡期氯離子擴散系數結果圖6氯離子擴散系數試驗（NEL法）根據混凝土水化過程分析，優化后的混凝土配合比隨著齡期的增長，混凝土氯離子擴散系數降低，到達56d齡期時，優化后的混凝土氯離子擴散系數均低于優化前的混凝土?，F場檢測混凝土的透氣性結果（圖7為測試方法）同樣表明優化后的混凝土配合比抵抗氣體侵入性能明顯優于優化前的配合比。結果如圖8所示，評價標準見表4。圖7梁體透氣性檢測圖8圖8表4AutoClam透氣性測試結果評價標準混凝土質量等級空氣滲透性系數（Ln(mbar)/min）很好A≤0.10好B>0.1,≤0.50差C>0.5,≤0.90很差D>0.95.3經濟性通過配合比優化，混凝土工作性有了較大的提高，而且降低了成本，不同強度等級配合比成本變化情況如圖5所示。圖5優化前后混凝土成本變化圖5可以看出，從C25到C60強度等級混凝土，配合比經過優化后，單方原材料成本大大降低，降低的幅度從7元/m3到30元/m3不等，混凝土強度等級越高，配合比優化后，成本降低越多。對于C50、C60高強度等級混凝土，目前多采用P·O52.5水泥進行配制，我們提出采用P·O42.5水泥進行優化配合比的技術方案，試驗證明此方案完全可行，若采用此方案，每方混凝土的材料成本將降低70元以上。5.4外觀效果本項目開展一個多月來，梁體的外觀有了很大程度的改善（圖6）表面質量缺陷明顯減少，特別是色差、冷縫問題得到了較好的解決。圖6(a)優化前梁體外觀圖6(b)優化后梁體的外觀通過配合比高性能化，混凝土外觀有了很大改善，冷縫、色差問題基本已經解決，梁體表面色澤均勻。除此之外，保證了梁體的完整性，邊角完好，無破損。六、總結1、配合比優化過程中，大膽創新，不局限于標準規范，《公路橋梁施工技術規范》（JTJ041-2000）（以下簡稱“《橋規》”）建議高強混凝土（C50~C80）混凝土砂率宜在28%~34%，項目組根據原材料實際品質情況，調整砂率在36~40%之間，混凝土工作性有了較大的提高。2、目前公路行業預制梁體多采用純水泥進行配合比設計，這樣不僅造成經濟上的巨大浪費，同時混凝土水化熱較高對控制混凝土開裂不利，本項目在配合比優化過程中用大量的礦物摻合料來取代水泥，不僅降低了成本，而且極大程度上提高了混凝土的工作性和耐久性。3、配合比優化過程中能不拘泥傳統的施工觀念。通常認為預制梁體澆注時混凝土的坍落度控制在90~120mm較為理想，項目組根據實際情況，調整混凝土的坍澆度在170~200mm，混凝土的流動性好，工作性提高。4、為了改善混凝土實體外觀，項目組采用“系統論”的觀點，從混凝土配合比入手，綜合考慮模板、脫模劑、澆注順序、振搗方式、養護等綜合因素，對每個因素進行研究，并最終形成成套技術。5、對比試驗結果表明，雖然優化前后的混凝土配合比處于不同齡期，但優化后的混凝土強度明顯優于優化前，無論是優化后的PO52.5水泥配合比，還是優化后的PO42.5配合比，其強度均優于優化前。對于梁體混凝土來說，其另一關鍵指標是彈性模量，試驗結果表明，優化后的混凝土彈性模量高于優化前的混凝土彈性模量。6、根據已經取得的混凝土耐久性試驗結果，優化后的混凝土配合比的氯離子擴散系數和低抗氣體侵入的性能均優于優化前。根據大摻量摻合料混凝土滲透性能發展規律可預測，隨著混凝土齡期地增長，其滲透性能還會近一步降低。若采用同齡期的試件進行比較，效果更明顯。7、通過對混凝土配合比的優化，每方混凝土材料成本大大降低。以14標段預制梁混凝土配合比為例，采用PO42.5水泥優化后的配合比每立方米混凝土節省材料成本77元，每片梁按30立方米計算，每片梁可節省材料成本2310元，經濟效益顯著。

附件表1堅固PO52.5水泥性能指標序號項目單位檢測結果1比表面積m2/kg3882燒失量%3篩余%4標準稠度用水量%27.85安定性-0.56堿含量%0.537氯離子含量%0.0228SO3%0.399fCaO%10Mg