CN108002776A - 一种适用于低温大温差环境下的混凝土 - Google Patents

一种适用于低温大温差环境下的混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，至少由以下重量份的组份制成：水泥、粗集料、细集料、矿物掺合料、外加剂；该混凝土中，凝胶材料用量为350kg/m3～500kg/m3，C40强度等级混凝土胶凝材料用量为420kg/m3，C50混凝土胶凝材料用量为500kg/m3；砂率为33‑42％；矿物掺合料掺量为0‑30％；外加剂的掺量为1.0～1.4％；水胶比为0.34‑0.48。该混凝土原料来源丰富、制备工艺简单、成本低廉，能够适应低温、大温差环境下实用，大大增强了混凝土强度，提高了混凝土寿命。

Description

一种适用于低温大温差环境下的混凝土
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，特别涉及一种适用于低温大温差环境下的混凝土。
背景技术
由于地处青藏高原腹地的高墩大跨径连续刚构桥常常受到低温、大温差(日夜温差大和年均温差大)、冰雪、冻土和大风干燥天气的影响，工程环境条件恶劣。复杂的气候条件对桥梁工程建设形成了特殊的技术难题，需要在材料质量、施工工艺、施工监控等方面进行专项研究，提出适宜高海拔低温大温差环境条件的高墩大跨径连续刚构桥施工控制技术和方法，保证工程质量和安全。
低温、大温差、干燥环境下，混凝土以两种形式剥落(Ⅰ型和Ⅱ型剥落)，其病害机理为：Ⅰ型剥落是因混凝土阴阳面温度梯度产生的。由于阴阳面存在较大温差，致使混凝土内产生不均匀热变形，而混凝土中各组分的热膨胀系数具有差异性，大温差使得该差异性加大，经过长时间积累，使得混凝土内的微小损伤逐步发展成宏观的损伤。Ⅱ型剥落损伤发生在靠近桥墩底部与水或潮湿土壤接触的部位。混凝土中的孔隙吸收水分后因为日夜大温差，造成孔隙中的水在液态和固态结冰状态之间转换，混凝土遭受冻融循环而胀裂。
由于因环境日夜大温差和混凝土阴阳面大温差引起的混凝土损伤机理不同，因此，有必要采取不同的应对措施：
(1)提高矿物掺和料比例，降低混凝土各组分的热膨胀系数。由矿物掺合料带来的火山灰效应、微集料效应等可以改善混凝土的微观结构，增加结构密实度，降低热膨胀系数，改善混凝土内部的热相容性，提高混凝土抗冻能力。
(2)使用引气剂，降低混凝土的孔隙率和孔径。引气剂的加入使得混凝土拌合过程中引入的空气，由于憎水基和亲水基的定向吸附作用，产生大量包裹的微小气泡，气泡间彼此封闭不连通，从而减小混凝土内的孔隙体积，降低因孔隙中水结冰膨胀导致的混凝土胀裂。
(3)使用外部防护措施提高混凝土的抗侵蚀能力。为降低环境下水分的入侵，隔断或降低混凝土界面内外的水分交换，可以在混凝土结构外表面涂刷防腐蚀材料，如：水泥基渗透结晶防水涂料，防止侵蚀性离子向内部的扩散。
然而，现有方法效果均不佳。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种适用于低温大温差环境下的混凝土。
技术方案：本发明提供的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，至少由以下重量份的组份制成：水泥、粗集料、细集料、矿物掺合料、外加剂；该混凝土中，
凝胶材料用量为350kg/m3～500kg/m3，优选地，凝胶材料用量为400kg/m3～500kg/m3，更优选地， C30强度等级混凝土胶凝材料用量为380kg/m3，C40强度等级混凝土胶凝材料用量为420kg/m3，C50 混凝土胶凝材料用量为500kg/m3；
砂率为33-42％，优选地，砂率为39-41％，更优选地，砂率为39％；
矿物掺合料掺量为0-30％，优选地，矿物掺合料掺量为0-15％，更优选地，矿物掺合料掺量为 15％；
外加剂的掺量为1.0～1.4％，优选1.0％；
水胶比为0.34-0.48，优选地，水胶比为0.34-0.40，更优选地，C30混凝土水胶比为0.45，C40 混凝土的水胶比为0.40，C50混凝土水胶比为0.34。
作为优选，所述水泥为硅酸盐水泥、普硅水泥、KS-矿渣水泥、FS-粉煤灰水泥，优选KS-矿渣水泥；所述水泥的细度为280～402m2/kg，优选335～402m2/kg。
作为另一种优选，所述粗集料的粒径在20-40mm之间，粗集料针片状含量为5-14％。
作为另一种优选，所述细集料的粒径在0.16～5mm之间，其细度模数为2.5-3.2，含泥量为 1.5-3.5％，优选地，细度模数为3.0，含泥量为2％。
作为另一种优选，所述矿物掺合料为粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉、硅灰、沸石岩粉、石灰石粉、天然火山灰中的一种或几种，优选低钙粉煤灰或高钙粉煤灰，更优选高钙粉煤灰，最优选I级高钙粉煤灰。
作为另一种优选，所述外加剂包括减水剂、调凝剂、防水剂、引气剂中的一种或几种；所述减水剂包括聚羧酸减水剂、萘系减水剂，优选聚羧酸减水剂；所述减水剂的掺量为1.0～1.4％，优选 1.0％。
作为另一种优选，所述混凝土的配合比：砂率为0.39；对于C30强度等级混凝土，水胶比为0.45，胶凝材料控制在380kg/m3以内；对于C40强度等级混凝土，水胶比为0.40，胶凝材料控制在420kg/m3以内；对于C50强度等级混凝土，水胶比为0.34，胶凝材料控制在500kg/m3以内。
有益效果：本发明提供的混凝土原料来源丰富、制备工艺简单、成本低廉，能够适应低温、大温差环境下实用，大大增强了混凝土强度，提高了混凝土寿命。
附图说明
图1不同水泥品种混凝土抗压强度与养护龄期的关系图；图2不同水泥品种混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图3水泥品种对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图4水泥品种对混凝土抗冻性能的影响图；图5不同水泥颗粒细度混凝土抗压强度与养护龄期的关系图；图6不同水泥细度混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图7水泥细度对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图8水泥细度对混凝土抗冻性能的影响图；图9不同粉煤灰混凝土抗压强度与养护龄期的关系图；图10不同粉煤灰混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图11不同粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图12不同粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响图；图13不同品质粉煤灰混凝土抗压强度与养护龄期的关系图；图14不同品质粉煤灰混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图15粉煤灰品质对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图16不同品质粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响图；图17不同减水剂的混凝土抗压强度与养护龄期的关系图；图18不同减水剂混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图 19不同减水剂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图20不同减水剂对混凝土抗冻性能的影响图；图21减水剂掺量对混凝土流动性影响图；图22减水剂掺量对不同养护龄期混凝土抗压强度影响图；图23减水剂掺量对混凝土碳化时间与碳化深度关系图；图24减水剂掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响图；图25减水剂掺量对混凝土抗冻性能的影响图；图26细度模数对C30坍落度的影响图；图27细度模数对C30混凝土强度的影响图；图28 细度模数对C50混凝土强度的影响图；图29细度模数对C50坍落度的影响图；图30含泥量对C30 混凝土强度的影响图；图31含泥量对C30坍落度的影响图；图32含泥量对C50混凝土强度的影响图；图33含泥量对C50坍落度的影响图；图34水胶比对混凝土工作性能的影响图；图35水胶比对混凝土抗压强度的影响图；图36水胶比对混凝土28d抗折强度的影响图；图37水胶比对混凝土动弹性模量的影响图；图38水胶比对混凝土抗裂性能的影响图；图39水胶比对混凝土抗冻性能的影响图；图40胶凝材料用量对混凝土抗压强度的影响图；图41胶凝材料用量对混凝土动弹性模量的影响图；图42胶凝材料用量对混凝土抗裂性能的影响图；图43胶凝材料用量对混凝土抗冻性能的影响图；图44不同养护制度下C50混凝土抗压强度图；图45标准养护制度下C50混凝土抗折强度图；图46不同粉煤灰掺量下混凝土动弹性模量发展图；图47粉煤灰对混凝土抗裂性能的影响图；图48粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响图；图49砂率对混凝土抗压强度的影响图；图50 砂率对混凝土抗折强度的影响图；图51砂率对混凝土动弹性模量的影响图；图52砂率对混凝土抗裂性能的影响图；图53砂率对混凝土抗冻性能的影响图；图54水胶比对自收缩的影响图；图55 水灰比对干燥收缩的影响图；图56水胶比对混凝土徐变度的影响图；图57粉煤灰对自收缩的影响图；图58粉煤灰对干燥收缩的影响图；图59粉煤灰掺量对混凝土徐变的影响图；图60砂率对混凝土自收缩的影响图；图61砂率对混凝土干燥收缩的影响图；图62砂率对混凝土徐变度的影响图。
具体实施方式
本发明中各项性能测试方法如下：
1、工作性能：按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)进行混凝土试验。坍落度是利用坍落度筒进行测试，并观察混凝土黏聚性和保水性。
2、力学性能：按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行混凝土抗压性能研究。
采用100×100×100mm试件浇筑成型，拆模后进行标准条件养护，测试混凝土相应龄期(3d、 7d和28d)抗压强度。
采用150×150×150mm试件浇筑成型，拆模后进行标准条件养护，测试混凝土相应龄期的抗压强度，抗折强度、动弹性模量。
本试验采用超声测定混凝土的动弹性模量。试件尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体。试件分5组，每组4个试件，共20个试件。将换能器轻轻地压在试件两个端面，接触面涂一层黄油为耦合剂，将测得的声时通过下式转换为声速，通过比较声速来比较动弹模量的变化：式中：Vr——超声声速，km/s；l——超声声距，即两换能器辐射面间试件的长度，mm；t——超声波传播的时间，us。
3、耐久性能：本耐久性性能试验研究主要包括：碳化性能、抗氯离子性能和抗冻性能。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行相应耐久性试验研究。
(1)碳化试验：混凝土试件尺寸为100mm×100mm×100mm，置于碳化箱内(二氧化碳浓度保持在20±3％、相对湿度控制在70±5％、温度为20±5℃)，到相应的碳化龄期(3d、7d、14d和28d) 时，取出试件并在岩石切割机上劈成两半，在劈开的表面喷涂1％酚酞酒精溶液，未碳化区域会显红色，测量变色区域长度即为碳化深度。
(2)抗氯离子试验：本试验首先采用RCM快速氯离子渗透试验方法，其具体操作步骤为：
1)试件切片、饱水：将Ф100mm×200mm试件从中间用岩石切割机切成相同尺寸的2部分，然后从两部分中各切取一个高度为50mm的试件，留下不含成型面的3个试件，使用打磨机磨掉棱角，并放入SBS型混凝土智能真空保水机中真空饱水1天。
2)快速氯离子渗透：试验时先将饱水后试件放入橡胶桶中，并用铁箍箍紧，确认不漏水之后，放入试验槽中；在橡胶桶外注入10％NaCl溶液，桶内注入0.3mol/LNaOH溶液，在橡胶桶内试件两端放入电极，加上直流电压，此时RCM-A型氯离子扩散系数测定仪上会显示初始串联电流、试验完成所需试件和电解液初始温度，试验结束时，阳极电解液最终温度会在仪器上显示。
3)渗透深度测定：取出试件并在压力试验机上劈成两半，在劈开的表面喷涂0.1mol/LAgNO3溶液，可观察到白色氯化银沉淀，测量显色分界线离底面的距离，取平均值作为显色深度。
4)氯离子扩散系数计算：氯离子扩散系数由下式计算：
式中：DRCM——氯离子扩散系数(m2/s)；T——阳极电解液初始和最终温度平均值(K)；h——试件高度(m)；xd——氯离子扩散深度(m)；t——通电试验时间(s)；α——辅助变量，等于
4、抗裂性能
平板开裂试验是评价混凝土(或砂浆)早期塑性开裂性能的试验方法。试验根据建材行业标准《水泥砂浆抗裂性能试验方法》(JC/T951-2005)进行。
试验用的模板底部为五合板，四周边框为硬木制成，模板底部和四周边框用木螺钉和白胶水固定好；模板内净尺寸(即试件尺寸)：长910mm±3mm、宽600mm±3mm、高20mm±1mm；模板底部衬有两层塑料薄膜，以减小底模对试件收缩变形的影响；模板四周、底部应保持平整状态，无翘曲、无凹坑的现象；模板内放置直径为8mm光圆钢筋的框架，框架的外围尺寸(包括钢筋在内)：长880mm±3mm、宽570mm±3mm，框架四角分别焊接四个竖向钢筋端头，钢筋端头离模板底部的高度为6mm；钢筋框架允许重复使用，但钢筋框架应保持清洁千净、没有明显的变形，无翘曲、无脱焊的现象，框架应处于同一个平面上，以保证下次使用时不露出砂浆表面。
(1)抗裂指数
以约束区内的裂缝作为本次实验评定依据。根据裂缝的宽度将裂缝分为五级，每一级对应一个权重值(如表12所示)，将每一条裂缝的长度乘以起对应的权重值，再相加起来所得到的总和称为开裂指数W，以此表示砂浆的开裂程度。
表12平板开裂实验的评价
开裂指数以mm计，按下式计算：W＝∑(Ai×li)；
式中：W——开裂指数，单位毫米(mm)；Ai——权重值；li——裂缝长度。
(2)裂缝开裂总面积
裂缝开裂总面积以mm2计，按下式计算：Acr＝∑(wi×li)；
式中：Acr——开裂面积，单位平方毫米(mm2)；wi——裂缝宽度；li——裂缝长度。
5、抗冻性能：本抗冻试验采用快冻法，采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，每组试件3块。用混凝土试件冻融循环300次后相对动弹性模量来表征混凝土抗冻性能。
实施例1原材料关键指标试验研究
一、水泥对混凝土性能的影响
1、水泥品种
(1)水泥品种对混凝土工作性能与力学性能影响
混凝土配合比和工作性能如表1所示，混凝土力学性能如图1所示。
表1混凝土配合比(注：S-纯硅酸盐水泥，PS-普硅水泥，KS-矿渣水泥，FS-粉煤灰水泥)
从表1可以看到，坍落度相同时，普硅水泥(PS)外加剂掺量最多达1.4％，矿渣水泥(KS)、粉煤灰水泥(FS)，外加剂掺量为1.2％-1.3％，这说明矿渣水泥、粉煤灰水泥中含有超细粉煤灰和矿渣微粉有一定减水作用，相同用水量情况下外加剂掺量较小时具有较大混凝土坍落度。
不同水泥品种混凝土力学性能经时变化如图1所示，7d龄期时混凝土强度为纯硅酸盐水泥>普硅水泥>矿渣水泥>粉煤灰水泥，28d时矿渣水泥混凝土强度高于同龄期纯硅酸盐水泥强度，粉煤灰水泥混凝土强度最小，粉煤灰水泥对混凝土强度影响主要体现在后期，粉煤灰水泥混凝土28d后混凝土强度增长率较大。
(2)水泥品种对混凝土碳化深度的影响
从图2可以看到，相同碳化时间里纯硅酸盐水泥(S)、普硅水泥(PS)、矿渣水泥(KS)、粉煤灰水泥(FS)混凝土中，粉煤灰水泥混凝土的碳化深度最大，7d碳化深度达到5.3mm，14d碳化深度达 6.97mm；纯硅酸盐水泥混凝土碳化深度最小，7d碳化深度达到0.07mm，14d碳化深度达1.8mm；普硅水泥、矿渣水泥的混凝土碳化深度相近，7d碳化深度分别为1.83mm、1.73mm，14d碳化深度达4.2mm、4.1mm。随着碳化时间增长四种水泥混凝土碳化深度增加，14d后混凝土试件碳化深度变化速度减缓，没有显著变化。
(3)水泥品种对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
四种不同水泥品种对混凝土抗氯离子渗透性能影响如图3所示。不同水泥混凝土抗氯离子渗透性能分别为矿渣水泥>普硅水泥>粉煤灰水泥>纯硅酸盐水泥。28d养护龄期普硅水泥和矿渣水泥混凝土有几乎相同孔隙率，但矿渣水泥中矿渣掺和料能吸附Cl-离子，矿渣水泥混凝土比普硅水泥混凝土有更好抗氯离子渗透能。28d粉煤灰水泥混凝土抗氯离子渗透能力小于普硅水泥混凝土抗氯离子渗透能力，主要原因是粉煤灰水泥中粉煤灰掺和料虽也能吸附Cl-离子，但普硅水泥混凝土比粉煤灰水泥混凝土孔隙率小，导致粉煤灰水泥混凝土抗氯离子渗透能力小于普硅水泥混凝土抗氯离子渗透能力。
(4)水泥品种对混凝土抗冻性能的影响
水泥品种对混凝土抗冻性能的影响如图4所示。从图中可见，冻融循环300次后，不同水泥品种的混凝土的相对动弹性模量均大于80％，各水泥品种混凝土的相对动弹性模量差别较小，可见水泥品种对混凝土抗冻性能影响不是很显著。
2、水泥细度
(1)水泥细度对混凝土工作性能与力学性能影响
水泥细度对混凝土工作性能影响如表3所示，随着球磨时间增加，普硅水泥颗粒细度逐渐减小，即比表面积增加，混凝土拌和物流动性逐渐降低，未磨细普硅水泥坍落度为200mm，球磨1500s的普硅水泥坍落度为185mm。
不同水泥细度混凝土力学性能经时变化如图5所示，由图可知，不同细度水泥混凝土随着养护时间增长水化程度逐渐加大，混凝土抗压强度逐渐增加，相同养护7d龄期时随着水泥颗粒细度增加混凝土抗压强度逐渐增加，球磨1500s水泥混凝土强度高于未磨细水泥混凝土强度，混凝土养护后期随着养护时间增长水泥颗粒越细混凝土后期强度增长越缓慢，水泥颗粒细度粗对混凝土强度的影响主要体现在后期。
表2混凝土配合比
注：其中14.958um为未磨细水泥(335m2/kg)，13.145um为球磨600s的水泥(373m2/kg)，12.076um 为球磨1500s的水泥(402m2/kg)。
(2)水泥细度对混凝土碳化深度影响
水泥细度对混凝土碳化深度的影响如图6所示：随着碳化时间增长不同水泥细度混凝土碳化深度都增加，未磨细水泥混凝土碳化深度最大，7d碳化深度达到2.13mm，14d碳化深度达2.76mm，28d碳化深度达4.26mm；球磨600s的水泥混凝土7d碳化深度达到1.54mm，14d碳化深度达2.17mm， 28d碳化深度达4.04mm，球磨1500s水泥混凝土7d碳化深度达到0.2mm，14d碳化深度达0.96mm， 28d碳化深度达2.5mm，相同碳化时间里随着水泥颗粒细度增加，混凝土碳化深度不断减少。
(3)水泥细度对混凝土氯离子扩散系数影响
不同细度水泥混凝土抗氯离子渗透性能如图7所示，随着水泥颗粒细度增加混凝土氯离子扩散系数降低程度不明显，混凝土氯离子扩散系数保持在5×10-12m2/s，混凝土养护28d龄期时，随着水泥颗粒细度增加混凝土抗压强度逐渐增加，硬化混凝土孔隙率减少，导致随着水泥细度增加混凝土抗氯离子渗透性能不断增加。
(4)水泥细度对混凝土抗冻性能的影响
不同细度水泥混凝土抗冻性能如图8所示。从图中可知，经300次冻融循环后，三种不同细度 (14.958um、13.145um和12.075um)水泥混凝土相对动弹性模量分别为86％、91％和86％。混凝土相对动弹性模量随着水泥细度的增加而呈现先增加后降低的趋势，即混凝土抗冻性能随着水泥细度的增加先增加后降低。因此，为了保证混凝土的耐久性，水泥细度的要控制在一定范围内。
二、矿物掺合料对混凝土性能的影响
本项试验研究了粉煤灰的不同品种(高钙、低钙)和不同等级(I级、II级)对混凝土工作性能、力学性能、碳化性能、抗氯离子性能以及抗冻性能的影响。
1、高钙、低钙粉煤灰
(1)高钙、低钙粉煤灰对混凝土工作性能与力学性能影响
从表3、图9看到，掺加低钙、高钙两种粉煤灰混凝土初始流动度都在190～200mm左右，低钙、高钙粉煤灰对混凝土工作性能影响不大。随着养护龄期增加，掺加低钙、高钙粉煤灰的混凝土抗压强度逐渐增加，相同养护龄期里，高钙粉煤灰混凝土力学性能经时变化大于低钙粉煤灰混凝土，高钙粉煤灰混凝土后期强度增长速度比低钙粉煤灰混凝土快。
表3混凝土配合比
(2)高钙、低钙粉煤灰对混凝土碳化深度影响
掺低钙、高钙粉煤灰的混凝土碳化深度如图10所示，随着碳化时间增长，掺低钙、高钙粉煤灰混凝土碳化深度都增加。高钙粉煤灰混凝土碳化深度最大，7d碳化深度达2.2mm，14d碳化深度达 2.76mm，28d碳化深度达5.58mm，低钙粉煤灰混凝土7d碳化深度达到1.542mm，14d碳化深度达 2.06mm，28d碳化深度达4.03mm。
(3)高钙、低钙粉煤灰对混凝土氯离子扩散系数影响
从图11可以看到，掺低钙、高钙粉煤灰对混凝土氯离子扩散系数的影响不明显，混凝土氯离子扩散系数保持在5×10-12m2/s，低钙、高钙粉煤灰都能吸附Cl-离子降低混凝土氯离子扩散系数，28d 龄期时掺加高钙粉煤灰的混凝土比掺低钙粉煤灰孔隙率小，导致掺加高钙粉煤灰的混凝土氯离子扩散系数相对较小。
(4)高钙、低钙粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响
掺低钙、高钙粉煤灰混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量的结果如图12所示：掺加高钙粉煤灰比低钙粉煤灰的相对动弹性模量的值均大于80％，且掺加高钙粉煤灰混凝土较掺加低钙灰的高，即掺加高钙粉煤灰混凝土的抗冻性优于低钙灰，这主要是高钙粉煤灰的二次水化程度大于低钙灰，从而导致掺加高钙粉煤灰的混凝土比掺低钙粉煤灰孔隙率小，因而其抗冻性较优。
2、I级、II级粉煤灰
(1)粉煤灰品质(I级、II级)对混凝土工作性能与力学性能影响
保持胶凝材料用量、水胶比、外加剂掺量配合比参数、混凝土拌合物坍落度不变情况下，I级、 II级粉煤灰对混凝土工作性能及力学性能影响，如表4、图13所示。掺加I级、II级粉煤灰两种不同品质粉煤灰混凝土初始流动度都在195mm左右，粉煤灰品质对混凝土工作性能影响没有影响。掺加I级、II级粉煤灰混凝土力学性能经时变化如图13所示，随着养护龄期增加掺加不同品质粉煤灰混凝土抗压强度逐渐增加，相同养护龄期里I级粉煤灰混凝土的力学性能经时变化大于II级粉煤灰混凝土，但相差不大。
表4混凝土配合比
(2)粉煤灰品质(I级、II级)对混凝土碳化深度影响
掺加I级、II级两种粉煤灰的混凝土碳化深度如图14所示，随着碳化时间增长掺加I级、II级两种粉煤灰混凝土碳化深度都增加，相同碳化时间里，掺加I级、II级两种粉煤灰的混凝土的碳化深度几乎没有变化，7d碳化深度分别为0.35mm、0.4mm，14d碳化深度分别为1.067mm、1.167mm， 28d碳化深度分别为4.6mm、4.7mm。
(3)粉煤灰品质(I级、II级)对混凝土氯离子扩散系数影响
从图15可以看到，掺加I级、II级两种粉煤灰对混凝土氯离子扩散系数的影响不明显，混凝土氯离子扩散系数保持在(3.5-4)×10-12m2/s之间，粉煤灰吸附Cl-离子降低混凝土氯离子扩散系数，导致掺加I级、II级两种粉煤灰的混凝土氯离子扩散系数相对较小。
(4)粉煤灰品质(I级、II级)对混凝土抗冻性能的影响
掺I级、II级粉煤灰混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量的结果如图16所示：掺加I级粉煤灰和II级粉煤灰混凝土相对动弹性模量的值分别为93.5％和84.3％，很明显可以看出掺I级粉煤灰混凝土的抗冻性大于掺II级粉煤灰的混凝土。这是由于I级粉煤灰活性比II级粉煤灰大，后期二次水化程度较大，使得混凝土密实性增加，孔隙率降低，从而使得混凝土的抗冻性能增加。
三、外加剂对混凝土性能的影响
外加剂对混凝土不仅对混凝土的工作性能有重要的影响，而且对混凝土的耐久性也有着极其重要的影响。本项试验研究了外加剂的不同品种和不同掺量对混凝土工作性能、力学性能、碳化性能、抗氯离子性能以及抗冻性能的影响。
1、外加剂品种
(1)外加剂品种对混凝土工作性能与力学性能影响
从表5可以看到，聚羧酸高效减水剂掺量最小为1.4％(合计粉剂为0.28％)，高浓萘系减水剂掺量达到1.0％，低浓萘系减水剂掺量达到2.3％，才能保持混凝土初始流动度为180-220mm。聚羧酸 (PCA)减水剂对混凝土坍落度保持性最好，1h以后混凝土流动度有195cm左右，萘系(高浓、低浓) 高效减水剂1h以后混凝土流动度在150cm左右。聚羧酸(PCA)高效减水剂具有掺量低和减水效果好特点，混凝土的出机时和易性好，无离析、泌水现象出现。
表5混凝土配合比
如图17所示，掺加不同种类高效减水剂混凝土不同龄期抗压强度都增加，掺PCA高效减水剂混凝土抗压强度为32.3MPa，45.9MPa，56.6MPa，掺高浓萘系减水剂混凝土抗压强度为27.7MPa、 43.70MPa、52.2MPa，掺低浓萘系减水剂混凝土抗压强度为27.5MPa、42.5MPa和49.0MPa，掺加不同种类减水剂混凝土3d强度可达到28d强度50％～90％，混凝土后期强度也有增长趋势。不同高效减水剂混凝土早期强度发展快慢为聚羧酸减水剂>高浓萘系减水剂>低浓萘系减水剂。
(2)外加剂品种对混凝土碳化性能影响
掺加不同减水剂混凝土碳化深度如图18所示，随着碳化时间增长不同高效减水剂混凝土碳化深度都增加。低浓萘系减水剂混凝土碳化深度最大，7d碳化深度达到2.43mm，14d碳化深度达3.53mm，28d碳化深度达5.07mm；高浓萘系减水剂混凝土7d碳化深度达到0.73mm，14d碳化深度达2.13mm， 28d碳化深度达4.33mm，掺聚羧酸减水剂混凝土碳化深度最小，7d碳化深度达到0.23mm，14d碳化深度达1.8mm，28d碳化深度达3.97mm。
(3)外加剂品种对混凝土氯离子扩散系数影响
从图19可以看到，掺低浓萘系减水剂混凝土氯离子渗透扩散系数最大为2.67×10-11m2/s，掺高浓萘系减水剂混凝土氯离子渗透扩散系数为6.58×10-12m2/s，掺聚羧酸减水剂混凝土氯离子渗透扩散系数为2.196×10-12m2/s。养护28d龄期时，掺加聚羧酸混凝土抗压强度比掺萘系(低浓、高浓)减水剂混凝土抗压强度高，混凝土孔隙率小，氯离子扩散系数更小。
(4)外加剂品种对混凝土抗冻性能的影响
掺加三种不同外加剂混凝土经300次冻融循环后，各混凝土相对动弹性模量如图20所示。从图中可看出，掺加聚羧酸混凝土的相对动弹性模量最大，掺入萘系(低浓)混凝土相对动弹性模量最小，萘系(高)介于之间，即掺入不同外加剂混凝土的抗冻性为：聚羧酸>萘系(高)>萘系(低)。
2、外加剂掺量
(1)外加剂掺量对混凝土工作性能与力学性能影响
从表6、图21可以看出，随着PCA聚羧酸高效减水剂掺量增大，混凝土坍落度有成比例增加的趋势，掺量1.0％PCA聚羧酸高效减水剂时，混凝土坍落度为100mm，随着高效减水剂掺量增加， PCA聚羧酸高效减水剂掺量为1.2％时，掺PCA的混凝土坍落度从100mm增加到190mm，继续增加PCA聚羧酸高效减水剂掺量，掺量大于1.4％时，PCA聚羧酸高效减水剂对于水泥颗粒的分散性改善不明显，主要原因是掺量到1.4％后阴离子表面活性在水泥颗粒表面上的吸附已经基本完全，到达了饱和吸附点。聚羧酸(PCA)高效减水剂具有掺量低和减水效果好的特点，掺PCA聚羧酸高效减水剂的混凝土和易性良好，不离析、不泌水。
表6混凝土配合比
如图22所示，掺加不同掺量高效减水剂混凝土不同龄期抗压强度都增加，掺1.0％PCA高效减水剂混凝土抗压强度为30、36.4、53.0MPa，掺1.2％PCA高效减水剂混凝土抗压强度为26.7、35.7、 49.5MPa，掺1.4％PCA高效减水剂混凝土抗压强度为24.2，31.5，45.3MPa，不同掺量PCA高效减水剂混凝土早期强度发展很快，3d强度可以达到28d强度50％-90％，混凝土后期强度也有增长趋势。随着PCA高效减水剂掺量增加，在相同养护龄期里混凝土抗压强度有下降趋势，其主要原因是随着 PCA高效减水剂掺量增加，PCA高效减水剂对混凝土的缓凝作用增加，对水泥水化过程产生了较大的抑制作用。
(2)外加剂掺量对混凝土碳化性能影响
掺加不同掺量的PCA高效减水剂的混凝土碳化深度如图23所示，随着碳化时间增长，不同掺量PCA高效减水剂的混凝土碳化深度都增加。掺1.4％PCA高效减水剂混凝土碳化深度最大，7d碳化深度达4.6mm，14d碳化深度达9.4mm，28d碳化深度达11.17mm；掺1.0％PCA高效减水剂混凝土碳化深度最小，7d碳化深度达到1.32mm，14d碳化深度达5.1mm，28d碳化深度达7.2mm，随着 PCA高效减水剂掺量增加，混凝土碳化深度逐渐增加，主要原因是随PCA高效减水剂掺量增加，混凝土缓凝作用增加，水泥水化过程产生了抑制，硬化混凝土孔隙率增加。
(3)外加剂掺量对混凝土氯离子扩散系数影响
从图24可以看到，随着PCA高效减水剂掺量增加，混凝土的氯离子渗透扩散系数逐渐增加，掺1.0％PCA高效减水剂混凝土氯离子渗透扩散系数最小，为4.18×10-12m2/s，PCA减水剂掺量为1.4％时，混凝土氯离子渗透扩散系数为7.09×10-12m2/s。不同掺量PCA高效减水剂混凝土养护28d龄期时，随着PCA高效减水剂掺量减小，混凝土的缓凝作用减小，混凝土孔隙率小，氯离子渗透扩散系数更小。
(4)外加剂掺量对混凝土抗冻性能的影响
不同掺量外加剂的混凝土经300次冻融循环后，相对动弹性模量如图25所示。从图中可看出，当外加剂掺量分别为1.0％、1.1％、1.2％和1.4％时，混凝土相对动弹性模量分别为85％、92％、89％和81％，即混凝土相对动弹性模量随着外加剂掺量的增加而呈现先增加后降低的趋势。因此，为了保证混凝土抗冻性能，外加剂的掺量需控制在适当的范围内，外加剂掺量的增加会增加混凝土分层离析的风险，影响到混凝土的密实性，从而降低混凝土的抗冻性能。
四、粗集料对混凝土性能的影响
(1)粗集料粒径对混凝土性能的影响。从表7可以看到，粗集料的最大粒径越大混凝土坍落度 一般也越大，这是由于粗集料粒径较大时其表面积相对越小，包裹在粗集料表面的砂浆层更厚，从 而有利于混凝土的流动性；从另一个角度分析，集料的粒径越大，其比表面积相应减小，所需的水 泥浆量相应减少，在一定的和易性和水泥用量下，则能减少用水量而提高混凝土强度。从这个意义 上说，集料的粒径应尽量选用大一些的，但也并非越大越好，粒径越大颗粒内部存在缺陷的几率越 大，同时颗粒在混凝土拌合过程中下沉的速度越快，浇筑和运输过程中易于产生离析增加其不均匀 性，振捣成型的难度会加大，影响到混凝土的综合性能，这一点从表中可以看到，最大粒径增加时 混凝土抗压强度反而有下降的趋势；同时，粗集料最大粒径的增加也有助于减少水泥和水的用量， 降低水化热和体积变化，从而提高混凝土密实度且能降低开裂危险(对于大体积混凝土)。从表7可以 看到，随着粗集料粒径增加，混凝土的干燥收缩变小，这是由于粗集料作为混凝土的骨架，粒径增加时更有利于混凝土的整体抗收缩性。
因此粗集料最大粒径的选择得根据实际情况而定，当结构物体积较大(如承台)，且钢筋不密时，粗集料最大粒径可选择31.5-40mm，而当结构混凝土强度较高时，为提升混凝土的综合性能，粗集料最大粒径可选择25mm。
表7粗集料粒径对混凝土性能的影响
(2)表8是粗集料针片状含量对混凝土工作性、力学性能的影响规律。
表8粗集料针片状含量对混凝土性能的影响
随着针片状含量的提高，混凝土工作性能变差，抗压强度呈下降趋势，而混凝土经过100次冻融循环后相对弹性模量也有所降低(但是不明显，影响程度较小)。针片状含量达到19％时，新拌混凝土坍落度、保水性以及粘聚性较5％时都大大降低，且出现了离析泌水现象；针片状含量为5-14％时，混凝土抗压强度变化不大，针片状含量达到19％时，抗压强度下降了10％左右。
粗集料针片状含量对混凝土的工作性能影响很大，这是因为粗集料越圆，粒形越规则，摩擦阻力越小，混凝土的坍落度及扩展度也就越大，便于泵送及施工。
针片状含量越高，混凝土强度越低，这是由于混凝土振捣过程中，水分易于从长条和扁平状的粗大集料附近泌出，界面区水泥石缺陷较多，且易形成裂缝。针片状的粗集料越高，混凝土中易聚集水膜的部位越多，原始裂缝也越多，此外针片状粗集料自身的强度也较低，因此针片状颗粒含量越高，混凝土抗压强度越低。
而从抗冻性能来看，各组混凝土经过100次冻融循环后相对动弹性模量有所差异，但是相对来看差别不大，由此可见粗集料针片状含量对混凝土抗冻性能的影响较小。而粗集料中针片状颗粒含量越多，混凝土早期收缩越大。这是由于相对于多棱角、近球形粗集料而言，针片状粗集料的强度较低，对水泥石收缩的抑制能力亦越低。
(3)粗集料的级配对混凝土的力学性能有非常明显的影响，级配良好的集料具有较大的堆积密度和较小的空隙率。在其它条件相同的情况下，堆积密度大、空隙率小的集料，所配制混凝土可以获得较高的强度和密实度。根据最大密度曲线理论，固体颗粒按粒度大小，有规则的组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。因此。石子的堆积密度存在一个合适的粗细集料比例，在这个比例的集料可以得到最大的堆积密度和最小的空隙率，获得最高的混凝土强度。
(4)碎石、卵石以及破碎砾石对于混凝土的性能有着明显的区别。本试验中采用级配、含泥量、针片状含量等指标相近的碎石、卵石及碎砾石进行相应的研究，具体见表9。
表9粗集料品种对混凝土性能的影响
注：碎砾石(55％)代表破碎砾石达到2个及以上破碎面的比例为55％。
从表9可以看到，相对碎石，卵石混凝土的工作性能更好，坍落度明显提高，但是其强度较低， 28d抗压强度减少了约12％。而卵石经过破碎后，所拌制混凝土的力学性能得到了改善，其中破碎面达到85％时候，28d抗压强度、抗折强度提升了越10％。而从耐久性能来看，破碎砾石与碎石混凝土经过100次冻融后相对弹性模量差别也较小。因此，只要破碎面达到一定的比例，碎砾石混凝土与普通碎石混凝土差别较小，完全能够满足要求。
(5)通过以上试验，主要有以下结论：
①粗集料的最大粒径越大混凝土坍落度越大，但是其粒径的选择需要结合实际情况而定，当结构物体积较大(如承台)，粗集料最大粒径可选31.5-40mm，而当结构混凝土强度较高时，为提升混凝土的综合性能，粗集料最大粒径可取25mm甚至20mm；
②粗集料针片状含量直接关系到混凝土的工作性和力学性能，结合相应标准规范，混凝土针片状含量应控制在15％以内，而高性能混凝土针片状含量应尽量控制在10％以内；
③当资源有限时，可以考虑破碎砾石取代碎石应用于中低强度等级混凝土中，但是需要严格控制其破碎面以及粒形，以保证混凝土的性能。
五、细集料对混凝土性能的影响
图26至29是砂子的细度模数以及含泥量对混凝土性能的影响规律，其中细度模数取2.5、2.7、 2.9、3.2，砂子含泥量取1.5％、2.3％、2.8％及3.5％。
从工作性分析，总体来看随着砂子细度模数的提高，混凝土坍落度越大，这是由于砂子越细其表面积越大，在水泥浆用量一定的情况下，包裹在砂子表面的浆体越薄混凝土容易变的干稠，坍落度也越小。而从力学性能来看，砂子细度模数对C30混凝土的影响较小，而对C50混凝土的强度则有明显的影响，砂子越细，混凝土的抗压强度越小，当细度模数从2.9减少到2.5时，混凝土28d抗压强度降低了3.8MPa。
因此，砂子细度模数越大混凝土强度往往越高，坍落度也越大，但是细度模数不宜过大。从本试验来看，配制C50混凝土时细度模数从2.9到3.2时，其坍落度、力学性能已无明显变化(细度模数过大，砂子空隙率会增加，填充空隙需要的浆体量也会明显增加)，而混凝土粘聚性和保水性往往会变差，因此在高原地区配制混凝土时，综合考虑混凝土的工作性、力学性以及耐久性能，砂子细度模数以控制在3.0左右为宜。
表10含泥量对C50混凝土耐久性能影响
图30至33是砂子含泥量对混凝土性能的影响，其影响规律与石子含泥量对混凝土性能的影响较为相似。当砂子含泥量为1.5％时的混凝土坍落度较含泥量3.5％时提高20％左右。这是由于聚羧酸高效减水剂，属于表面活性剂，活性很强，而骨料中的泥土具有层间结构，能够大量吸附聚羧酸盐减水剂分子，从而使减水剂失去活性，而聚梭酸减水剂的掺量又很小，所以对骨料中的泥含量显得尤为敏感。有研究表明，使用含泥量较高的集料时，要达到相同的流动度，聚羧酸减水剂的掺量要比使用含泥量低的集料提高30～50％。
而砂子含泥量越高，混凝土的强度也越低，从图中可以看到，对于C50混凝土，含泥量达到3.5％时候抗压强度仅为53.6MPa，相对含泥量为1.5％时降低了12％左右。这是因为天然砂中的泥粒径很小，易包裹在集料表面，妨碍集料与水泥石之间的粘结，形成软弱的界面层，成为混凝土中的薄弱区，在受到外力破坏时混凝土的薄弱区极易被破坏，导致混凝土的强度性能降低。
另外，从表10中可以看到，随着含泥量的提高，混凝土耐久性逐渐变差，含泥量为1.5％时，经过300次冻融循环后混凝土相对动弹模仍有68.5％，可见其抗冻性可以达到F300的标准，而含泥量达到3.5％时，经过300次冻融循环后混凝土相对动弹模仅为47.5％，抗冻性能明显下降。而从60d 干燥收缩来看，含泥量3.5％相对1.5％时增加了37％左右。这主要是由于含泥量越高，混凝土的结构越不密实，混凝土内部的粘结性越差，因此耐久性也越差。
(3)通过以上试验，主要有以下结论：
砂石的含泥量将直接影响到混凝土的工作性、力学性能乃至耐久性能，当砂子含泥量达到3.5％，混凝土的工作性、力学性以及耐久性能都下降明显，从高性能混凝土的配制角度，砂子含泥量宜控制在2％以内，以保证混凝土的耐久性能；
砂子的细度模数对混凝土的工作性、力学性能的影响相对较大。砂子越粗，混凝土坍落度越大，强度也越高。因此高原地区高性能混凝土砂子细度模数宜控制在3.0左右，不宜过大或过小。普通混凝土所用砂子的细度模数范围可适当放宽，一般可以考虑取2.5-3.0。
六、低温大温差环境下混凝土配合比优化设计研究
本分项结合青海地区实际情况设计C30、C40、C50三个强度等级下多组配合比，主要研究水胶比(0.31-0.48)、胶凝材料(350-530kg/m3)、粉煤灰掺量(0-30％)、砂率(36-42％)等关键指标对混凝土性能的影响，具体配合比见表11所示。主要考察混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能。
表11低温、大温差环境下混凝土配合比优化设计配合比
(一)水胶比对混凝土性能的影响
在不掺粉煤灰的情况下，主要考察了0.48、0.45、0.40、0.37和0.34五种水胶比对混凝土性能的影响。
1、水胶比对工作性能的影响
不同水胶比混凝土的坍落度如图34所示。由图34可看出，各组混凝土坍落度均大于170mm以上，可见不同强度等级混凝土的工作性能均满足施工要求。另外，从图34中还可看出，混凝土坍落度随着水胶比的增加而有所增加，这主要是混凝土中自由水的增加而使得混凝土流动性能增加。
2、水胶比对力学性能的影响
水胶比对混凝土力学性能的影响如图35所示，由图可看出，相同水胶比的条件下，混凝土抗压强度随着养护龄期的增加而增加，而且呈现前期增长速度快，后期增加速度慢的规律。当水胶比分别为0.48、0.45、0.40、0.37和0.34时，7d抗压强分别为28d抗压强度的70.7％、72.0％、74.6％、 76.9％和72.5％，28d抗压强度分别为59.9MPa、54.2MPa、47.6MPa、40MPa和34.8MPa，均能满足混凝土设计强度。
另外，由图还可看出，在相同龄期条件下，混凝土抗压强度、抗折强度以及动弹性模量均随着水胶比的增加而降低，这主要是由于水胶比增加会增加硬化后混凝土的孔隙率，从而降低混凝土密实性，从而混凝土强度呈现下降的规律。其中C30混凝土水灰比以0.45左右为宜，C40混凝土以0.40 左右为宜，而C50则以0.34左右为宜。
3、水胶比对抗裂性能的影响
水胶比对混凝土抗裂性能的影响如图38所示。从图可看出，开裂指数和开裂面积这两种评价指标有很好的相关性，开裂指数和开裂面积均随着水灰比的增加而增加，即混凝土的抗裂性随着水胶比的增加而呈现降低的趋势。另外，由图还可看出，随着水灰比的减小，开裂指数和开裂面积评价指标降低幅度减小。
4、水胶比对抗冻性能的影响
采用不同水胶比的混凝土经300次冻融循环后，各相对动弹性模量如图39所示。由图可知，水胶比分别为0.48、0.45、0.40、0.37和0.34时，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量分别为 65％、72.1％、77％、83.5％和88.3％，即随着水胶比的增加，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量呈现显著降低趋势，这是由于水胶比的增加降低混凝土密实性，从而有更多自由水进入混凝土内部，从而在冻融循环下，随着自由水的结晶膨胀，使得混凝土在反复的膨胀应力作用而劣化。因此，在青海省地区低温地区，经常与水接触的结构需采用低水胶比的混凝土。
(二)胶凝材料用量对混凝土性能的影响
使用粉煤灰作为掺和料，粉煤灰等量取代20％水泥，控制水胶比为0.34固定不变，通过胶凝材料用量从350kg/m3～500kg/m3变化对混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能的影响。
1、胶凝材料用量对混凝土工作性能与力学性能影响
胶凝材料用量对混凝土性能的研究配合比和混凝土工作性能如表13所示。由图可知，使用粉煤灰作为掺和料，粉煤灰取代水泥为20％，随着胶凝材料用量降低外加剂掺量逐渐减少，混凝土拌和物初始流动度保持在200-220mm，但混凝土工作状态变差。
粉煤灰作为掺和料，胶凝材料用量对混凝土力学性能影响如图40、41所示，随着养护龄期增加，水化程度逐渐加大，不同胶凝材料用量混凝土抗压强度逐渐增加，相同养护龄期里随着单方混凝土胶凝材料总用量增加混凝土抗压强度减少。而水胶比不变的情况下，随着胶凝材料用量的提高，混凝土动弹性模量变化相差不大。由此可见，混凝土的力学性能往往取决于水胶比，在水胶比不变的前提下，其与胶凝材料用量的关系不大。
表13混凝土配合比
2、胶凝材料用量对混凝土抗裂性能影响
胶凝材料用量对混凝土抗裂性能影响如图42所示。由图可知，从开裂指数和开裂面积两个评价指标都可以，明显看出，当胶凝材料为460kg/m3时，混凝土抗裂性能最佳，这主要是由于胶凝材料用量增加时，一方面混凝土中自由水量减少，这对混凝土抗裂性能是正效应；另一方面，胶凝材料增加混凝土材料化学收缩，这对混凝土抗裂性能是负效应，两方面综合下就出现最佳胶凝材料用量。因此，对于C50混凝土胶凝材料用量最好控制在500kg/m3以内，可降低混凝土早期开裂的风险。
3、胶凝材料用量对混凝土抗冻性能影响
胶凝材料用量对混凝土抗冻性能影响如图43所示。从图可明显看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量降低，当胶凝材料用量分别为500kg/m3、460kg/m3、 400kg/m3和350kg/m3时，相对动弹性模量分别为95％、92％、86％和82％，即随着胶凝材料用量的增加，混凝土抗冻性增加。这主要是胶凝材料水化后形成水化产物对混凝土填充密实作用的结果。
综合胶凝材料用量对混凝土性能的影响的研究，从胶凝材料用量来看，在设计混凝土配合比时严格按照高性能混凝土的设计方法进行，严格控制水胶比以及胶凝材料用量，C30强度等级混凝土胶凝材料控制在380kg/m3以内，C40强度等级混凝土胶凝材料控制在420kg/m3以内，而C50混凝土胶凝材料用量则不超过500kg/m3。随着胶凝材料用量的提高，混凝土强度不断提高。
(三)粉煤灰掺量对混凝土性能的影响
对三种不同强度等级混凝土，分别研究了用粉煤灰等量取代0％、15％和30％水泥的混凝土性能的影响规律。
1、粉煤灰掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响
各组混凝土工作性能如表14所示。从C30～C50混凝土工作性能来看，随着粉煤灰掺量的提高，混凝土砂率都可适当的降低，掺量达到30％较不掺组砂率可降低2～4个百分点，且完全不影响其工作性能。当粉煤灰掺量在15％时，由于粉煤灰的颗粒形态效应，混凝土工作性能良好，保水性和粘聚性都能得到明显的改善；当粉煤灰掺量达到30％以后，混凝土坍落度仍然有所提升，但是其保水性以及粘聚性能比起粉煤灰掺量为15％时却有所降低，甚至出现微量的泌水现象。由此可见，粉煤灰掺量并非越高越好，一般来说粉煤灰都有一个最佳掺量，从本项试验来看，粉煤灰的掺量应尽量控制在30％以内，一般来看以15％左右为宜。
表14低温、大温差环境下混凝土工作性能
各组混凝土工作性能如表15和表16所示。其中表15是标准养护条件下混凝土各龄期抗压强度，表17是针对工程现场实际环境，对C50混凝土同条件养护下各龄期抗压强度测试研究。
表15低温、大温差环境下混凝土抗压强度发展规律-标准养护
表16低温、大温差环境下混凝土抗压强度发展规律-同条件养护
注：1.括号中数据代表混凝土7d抗压强度占28d抗压强度的百分比；
2.前7天采用覆盖+洒水养护，后期采用室外养护。
从表16中可见，在标准养护环境下，当不掺粉煤灰时，混凝土7d强度能达到28d强度的75％，当粉煤灰掺量达到30％时，7d强度仅能达到28d的65％。相比基准不掺粉煤灰组来看，粉煤灰掺量为15％时7d抗压强度降低了10％以内，掺量为30％时抗压强度降低了近20％。而从28d强度来看，粉煤灰掺量15％时混凝土强度降低5％左右，掺量30％时强度降低了5-10％。由此可见粉煤灰对于混凝土早期强度的影响是较大的，对后期强度影响相对较小，其后期强度的发展速度要明显高于不掺粉煤灰组，尤其是掺量在15％以内时混凝土都完全能够达到设计要求。从图45和图46也可以明显看到，粉煤灰的掺入对混凝土抗折强度以及动弹性模量有着明显的影响，掺量越大影响也越大，而越到后期影响则越小。
从表17以及图46中可见，同条件养护下混凝土28d强度与标准养护条件相比均有所降低。由于前7天为覆盖+浇水养护，基本保证了混凝土的温湿度，因此其强度发展较快，与标养下混凝土的强度相当。而后期由于为室外同条件养护，其强度发展缓慢，而相比标养则仅降低了5％-10％左右。由此可见早期养护对于混凝土的重要性，尤其是前7d，养生措施的加强可以加强混凝土前期强度的发展，从而保证混凝土的后期强度。尤其是对于高原地区，气候干燥、温度低，强度发展缓慢，因此早期养生显得格外重要，保证混凝土前期水化需要的温湿度能够大大促进其早期强度的发展，从而有利于保证混凝土结构最终的强度。
2、粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响
研究粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响，本试验选择水胶比为0.33，粉煤灰掺量分别为0％、 10％、15％和30％。具体配合比如表4.2-11所示，其中33KB、33F10、33F15和33F20分别表示粉煤灰掺量分别为0％、10％、15％和30％，33F10S10表示粉煤灰和磨细矿渣各取代10％，进行复掺。
不同粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响如图47所示。粉煤灰和磨细矿渣掺入后，能大幅提高混凝土的抗裂性能，但是随着粉煤灰掺量进一步增加，从15％增加到20％时，对混凝土抗裂性能的提升效果不明显。
表17粉煤灰对混凝土抗裂性能的影响配合比
3、粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响
对表17配合比中33KB、33F10、33F15和33F20四组混凝土抗冻性能进行试验研究，其结果如图48所示。从图可见，混凝土经300次冻融循环后，相对动弹性模量随着粉煤灰掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，其中粉煤灰掺量为15％最佳。这是由于粉煤灰掺量小于15％时，粉煤灰掺量的增加在二次水化的作用下，使得混凝土密实性增加；当粉煤灰掺量大于15％时，由于胶凝材料中水泥用量减少，混凝土早期水化产物减小，使得混凝土孔隙率增加，从而降低混凝土的抗冻性。
因此，在温度低、气候干燥的高原地区，考虑到混凝土早期强度有效发展，再结合考虑粉煤灰对混凝土抗裂和抗冻性能的影响规律，建议C50等级混凝土中粉煤灰掺量为15％左右。
(四)砂率对混凝土性能的影响
针对C50强度等级混凝土，固定水胶比为0.35，考虑采用33％、36％、39％和42％研究砂率对混凝土性能的影响。具体配合比如表18所示。
表18混凝土配合比
1、砂率对混凝土工作性能和力学性能的影响
砂率对混凝土工作性能见表19所示，砂率对混凝土力学性能的影响如图51所示。由表19可见，随砂率增大混凝土拌合物坍落度减少，混凝土拌和物和易性变好。随着养护龄期增加，不同砂率用量混凝土抗压强度增加，相同养护龄期里随着砂率增大混凝土抗压强度、抗折强度、动弹性模量先增大后减小变化趋势，存在一个最佳砂率值。
2、砂率对混凝土抗裂性能的影响
砂率对混凝土抗裂性能的影响如图52所示。由图可见，开裂指数和开裂面积两个抗裂评价指标均随着砂率增加呈现先降低后增加趋势，其中砂率为0.39最佳。存在一个最佳砂率使混凝土抗裂性能最优。
3、砂率对混凝土抗冻性能的影响
砂率对混凝土抗冻性能的影响如图53所示。由图可明显看出，混凝土相对动弹性模量随着砂率增加出现先增加后降低的趋势，当砂率为0.39时，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量最大，即抗冻性能最佳。
综合砂率对混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能的影响规律的试验研究分析，砂率过小或过大对混凝土性能均有不利的影响，存在最佳砂率。因此，在混凝土配合比设计时，要能够选择最佳砂率。对低温大温差环境下C50混凝土砂率而言，建议选择0.39左右，若工程中采用粗砂，则砂率可取到0.41，若采用细砂，则砂率不宜超过0.40。
(五)高原环境对混凝土性能的影响
高原地区气温低，温差大，冻融循环严重，因此有必要对混凝土的抗冻性进行研究。而高原气压较小，因此相比正常气压下其对混凝土中气泡的稳定性可能会产生一定的影响。
本分项采用C50强度等级的混凝土，配合比如表19。
表19混凝土配合比
注：其中外加剂1为聚羧酸减水剂，外加剂2为引气剂。
通过对混凝土工作性能测试结果见表20。
表20不同成型条件下混凝土的工作性能及抗冻性能
注：高原的成型条件为海拔约3500米。
从表20和15可以看到，混凝土中掺入了0.03％的引气剂后，混凝土的含气量都得到了明显的增加，而300次冻融循环后混凝土相对动弹性模量也是明显的提高，混凝土抗冻性能得到明显提升。
无论掺不掺入引气剂，高原条件下成型的混凝土含气量相对较小，以C50为例，其中对于不掺引气剂组C50-1，高原环境下混凝土含气量相比平原减小了22.2％，而掺引气剂组C50-2，高原环境下混凝土的含气量相比平原减小了27.1％。而含气量的减小同时也带来了混凝土抗冻性能的降低。这主要是由于引气剂作为一种表面活性剂，是通过降低液体的表面张力使气泡易于形成，而表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力，通常由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的.气压降低时，空气中的气体分子间距增大，吸引力减弱，而液体密度受气压的影响微乎其微，此时处于液-气界面上的分子受到液体分子的拉力显然要高于常压情况，即低压下液体的表面张力值偏大，这样就相当于削弱了引气剂的引气能力，从而导致引气效果下降，混凝土含气量降低。
(六)原料对混凝土收缩徐变的影响
(1)试验方案
考察混凝土强度等级为C50，通过改变混凝土的配合比参数，考察水灰比、粉煤灰掺量、砂率等因素对混凝土收缩徐变的影响规律。试验配合比如表21所示。本项是将现场原材料寄回南京进行试验研究。具体研究指标为28d自收缩、60d干燥收缩、180d徐变度和徐变系数。
表21低温大温差环境下混凝土收缩徐变配合比
(2)水胶比对混凝土收缩徐变的影响
水胶比对自收缩的影响：水胶比对自收缩的影响如图54所示。由图可知，水胶比从0.37分别减小到0.35、0.33、0.31和0.29，混凝土自收缩从104分别增加到122、165、196、204，即混凝土自收缩值随着水胶比的减小而增大。水胶比决定着水泥浆体系固相与液相的相对体积含量。随着胶材的水化，固相体积增加，液相体积减小，使水泥石结构的空隙减少而变得密实。水胶比越小需要固相填充的空隙也越小，相对于大水胶比的混凝土而言则细孔多、粗孔少，同时空隙的细化程度也愈高，混凝土临界半径便愈小，产生的自收缩便越大。
水胶比对干燥收缩的影响：水胶比对混凝土干燥收缩的影响如图55所示。由图可知，当水胶比从0.37分别减小到0.35、0.33、0.31和0.29，混凝干燥收缩从282分别减小到265、244、241、236，即混凝土干燥收缩随着水胶比的减小而减小。这是因为：干燥收缩主要是毛孔细中失水而导致的收缩，水胶比的增加，不仅增加了材料的孔隙率，而且增加孔的连通性，这样毛细孔水从内部向外部的迁移或蒸发速度就会增加，从而导致水泥基材料干燥收缩增加。
水胶比对徐变的影响：水胶比对混凝土徐变的影响如图56所示。按照国家规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82-8)测试混凝土的徐变度，混凝土水胶比分别为0.4、0.35、0.31。由图可知，混凝土水胶比越大，徐变度越大，水灰比为0.35时320d徐变度为48.94×10-6/MPa，水灰比为0.4时320d徐变度达到69.01×10-6/MPa，增加了41.0％。
表22不同水胶比混凝土180d徐变系数
水胶比 180d徐变系数
0.4 5.36
0.35 3.23
0.31 3.03
(3)粉煤灰掺量对混凝土收缩徐变的影响
粉煤灰对自收缩的影响：粉煤灰对自收缩的影响如图57所示。由图可知，各组试件早期自收缩值迅速增加，随着龄期的增长，各组自收缩值逐渐趋于平缓；粉煤灰的掺入，降低了混凝土的自收缩；粉煤灰掺量10％、15％和20％时，自收缩分别降低降低了13.3％、21.4％和31.0％，双掺粉煤灰和矿渣粉各10％时，自干燥收缩值降低了27.1％。
由于粉煤灰活性较低，完全反应需要很长时间，因此当用粉煤灰替代水泥时，将减少水化相数量、增加约束相数量，而且玻璃相的粉煤灰颗粒弹性模量较高，这些都对减少收缩有利。当替代率较低时，粉煤灰的稀释作用使水泥实际水灰比增大，水泥水化率提高，实际上对水化相的数量不会产生太大影响，即不会因粉煤灰的掺入而大量减少收缩。
粉煤灰对干燥收缩的影响：粉煤灰对干燥收缩的影响如图58所示。由图可知，粉煤灰的掺入，降低了混凝土的干燥收缩，且干缩随着粉煤灰掺量的增大而减小，粉煤灰掺量10％、15％和20％时，干燥收缩分别降低10％、17％和21％。双掺粉煤灰和矿渣粉各10％时，收缩值降低了20％。
粉煤灰对徐变的影响：粉煤灰对徐变的影响如图59所示。图为水胶比0.35，粉煤灰掺量为0％、 15％、30％时混凝土的徐变度变化规律，由图可知，当粉煤灰掺量为15％时，相比不掺时徐变度明显减少，然而掺量达到30％时，混凝土徐变度相对掺量15％时的徐变度则变化不大。原因是粉煤灰颗粒的弹性模量相对水泥颗粒更大，其掺量15％时，其微集料效应能够较好的发挥，从而抑制混凝土的徐变。而当粉煤灰掺量达到30％时，其对混凝土徐变的抑制作用则不明显，这可能是由于混凝土内部结构的密实度往往不会随着粉煤灰的掺量的提高而提高，其中存在着一个掺量的最优值，超过这个值后混凝土密实度不会提升甚至有所下降。有研究表明，粉煤灰掺量达到60％时，混凝土的徐变反而大大提高，这和粉煤灰与基体界面结合的情况有着直接的关系。
表23不同粉煤灰掺量混凝土180d徐变系数
FA％ 180d徐变系数
0 3.61
15 3.73
30 4.58
(4)砂率对混凝土收缩徐变的影响
针对C50强度等级混凝土，固定水胶比为0.35，考虑采用33％、36％、39％和42％研究砂率对混凝土性能的影响。具体配合比如表24所示。
表24混凝土配合比
砂率对自收缩的影响：砂率对混凝土自收缩的影响如图60所示。从图中可看出，当砂率从33％增加到36％、39％和42％时，混凝土180d自收缩值从217增加到238、265、284，即混凝土自收缩随着砂率的增加而增加，这主要是由于砂率增加导致粗集料的体积分数降低，从而对混凝土收缩的抑制效果减弱，最终表现为自收缩增加。
砂率对干燥收缩的影响：砂率对混凝土干燥收缩的影响如图61所示。从图可看出，当砂率从 33％增加到36％、39％和42％时，混凝土180d干燥收缩值从261增加到284、305、321，即混凝土干燥收缩随着砂率的增加而增加，这主要是由于砂率增加导致粗集料的体积分数降低，从而对混凝土收缩的抑制效果减弱，最终表现为干燥收缩增加。
砂率对徐变的影响：砂率对混凝土干燥收缩的影响如图62所示。图为水胶比0.35，砂率36％、 39％、42％时混凝土的徐变度发展规律。由此可见，砂率对混凝土的徐变度有着一定的影响，但是相对水胶比以及粉煤灰来说影响程度较小。其中砂率36％时混凝土徐变度最小，为44.8×10-6/MPa，而砂率达到42％时，徐变度则增加到51.37×10-6/MPa，这是由于砂率越小，混凝土中粗集料的比例相对越大，而粗集料作为混凝土的骨架，其含量越大，对混凝土收缩徐变的抑制作用也越大，因此砂率越大，混凝土徐变越大。
表25不同砂率混凝土180d徐变系数
Sp％ 180d徐变系数
36 3.46
39 3.73
42 3.96

Claims (6)

1.一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：至少由以下重量份的组份制成：水泥、粗集料、细集料、矿物掺合料、外加剂；该混凝土中，
凝胶材料用量为350kg/m3～500kg/m3，优选地，凝胶材料用量为400kg/m3～500kg/m3，更优选地，C30强度等级混凝土胶凝材料用量为380kg/m3，C40强度等级混凝土胶凝材料用量为420kg/m3，C50混凝土胶凝材料用量为500kg/m3；
砂率为33-42％，优选地，砂率为39-41％，更优选地，砂率为39％；
矿物掺合料掺量为0-30％，优选地，矿物掺合料掺量为0-15％，更优选地，矿物掺合料掺量为15％；
外加剂的掺量为1.0～1.4％，优选1.0％；
水胶比为0.34-0.48，优选地，水胶比为0.34-0.40，更优选地，C30混凝土水胶比为0.45，C40混凝土的水胶比为0.40，C50混凝土水胶比为0.34。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥、普硅水泥、KS-矿渣水泥、FS-粉煤灰水泥，优选KS-矿渣水泥；所述水泥的细度为280～402m2/kg，优选335～402m2/kg。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：所述粗集料的粒径在20-40mm之间，粗集料针片状含量为5-14％。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：所述细集料的粒径在0.16～5mm之间，其细度模数为2.5-3.2，含泥量为1.5-3.5％，优选地，细度模数为3.0，含泥量为2％。
5.根据权利要求1所述的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：所述矿物掺合料为粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉、硅灰、沸石岩粉、石灰石粉、天然火山灰中的一种或几种，优选低钙粉煤灰或高钙粉煤灰，更优选高钙粉煤灰，最优选I级高钙粉煤灰。
6.根据权利要求1所述的一种适用于低温大温差环境下的混凝土，其特征在于：所述外加剂包括减水剂、调凝剂、防水剂、引气剂中的一种或几种；所述减水剂包括聚羧酸减水剂、萘系减水剂，优选聚羧酸减水剂；所述减水剂的掺量为1.0～1.4％，优选1.0％。
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