青藏高原环境下高性能混凝土制备与优化技术研究

论文总字数：34402字

摘 要

青藏高原地区大气环境干燥、少雨、风力强劲、日温差大、风蚀、风化现象严重。环境中存在较多氯离子、硫酸根离子等有害离子，会对混凝土产生很强的腐蚀作用。冻融循环是当地混凝土破坏的主要因素之一,为了适应当地恶劣的自然条件，确保混凝土的强度和耐久性，掺入粉煤灰改善混凝土工作性和耐久性，通过引气技术来提高混凝土的抗冻性能，通过优化配合比保证混凝土强度增长性能。本文就此类问题开展了高原环境下高性能混凝土的制备与优化技术研究。

通过对青藏高原环境条件下的高性能混凝土的制备，进行原材料的测试，设计出不同混凝土的配合比参数，重点研究了水胶比、粉煤灰掺量、含气量对高性能混凝土的工作性、力学性能以及耐久性的影响，试验对混凝土水化产物进行微观分析，并且对其产物进行热重分析。

制备的混凝土和易性均较好，试验中粉煤灰的掺入可显著改善浆体的粘聚性,引气剂的加入可以增强混凝土的保水性，含气量在一定范围内可以增大混凝土流动性。配制混凝土3天强度均较高，适应于青藏高原环境的需要；试验28天强度均达到设计标准，加入粉煤灰组性能更为优良。对C30与C50组，其动弹模与抗压强度发展规律一致。

冻融过程中，混凝土试件质量不断下降，而动弹性模量随着冻融循环次数的增加而不断降低。而含气量、强度都对混凝土抗冻性能影响很大，适当的含气量与较高的配制强度，均可以增强抗冻性。混凝土致密性、矿物掺合料、含气量均对其抗氯离子渗透性有影响，当混凝土越致密时，离子越不容易渗入。

SEM分析表明，C50混凝土明显较C30致密；且从SEM图片中证实粉煤灰存在活性效应，掺粉煤灰组的混凝土中有大量未反应的粉煤灰颗粒作为填料填充在水泥石中，在14d时，部分粉煤灰颗粒已经参与二次水化反应，此时C-S-H凝胶发生转变。热重分析结果表明，混凝土水化产物中有少量Ca(OH)₂及CaCO₃，增加粉煤灰掺量有助于降低混凝土水化产生的Ca(OH)₂。

关键词：高原高性能混凝土；工作性；耐久性；微结构；热重分析

ABSTRACT

The environment of Tibetan Plateau is drying atmosphere, little rain, strong wind, large temperature difference, wind erosion, weathering serious. There are chloride ion, sulfate ion and other harmful ions which has a strong corrosive effect on concrete. Freeze-thaw cycle is a major factor in the local concrete damage. In order to adapt to the local adverse natural conditions, ensure the strength and durability of concrete, adding fly ash to improve the workability and durability, by introducing gas to improve the frost resistance of concrete, with the ratio by optimizing performance to ensure that concrete strength growing. This paper conducted research on such issues preparation and optimization of high performance concrete at high altitude environment.

By preparative high performance concrete in plateau environmental conditions, tested raw materials and design parameters with different concrete mix, focusing on the influence of water-cement ratio, fly ash, gas content of high performance concrete on workability mechanical properties and durability of the impact test on concrete hydration products microscopic analysis, and thermal gravimetric analysis of cement production.

The workability of Every group concrete are good, adding fly ash can significantly improve the cohesiveness of concrete. Air-entraining agent is added in the slurry can enhance retention of concrete, air content of can increase flow ability of concrete. The three-days strength is much higher , which adapted to the need of plateau environment.28 days strength to meet the design standards, the performance of adding fly ash group is more excellent. To C30 and C50 group, consistent with its dynamic elastic modulus compressive strength development.

During freezing and thawing process, the weight of concrete is declining, and dynamic elastic modulus decrease with number of freeze-thaw cycles. The gas content have a great influence on the strength of concrete frost resistance, high gas content appropriate preparation strength, frost resistance can be enhanced. Concrete density, mineral admixtures, gas content of its resistance to chloride ion permeability are affected, when the more dense concrete is, the more difficult into penetrate.

SEM analysis shows C50 concrete was significantly higher than C30 compact. Confirmed the presence of active effect of fly ash concrete with fly ash in a large group of unreached fly ash particles as fillers in cement from SEM picture, at when the 14d, the second part of the fly ash particles have been involved in the hydration reaction, then the CSH gel shift. TG results show that there is little Ca (OH) ₂ and CaCO₃ in hydration productions, fly ash can reduce Ca(OH)₂in hydration productions.

KEYWORDS: HPC; workability; durability; microstructure; TGamp;DSC

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 高原条件环境及其对混凝土的要求 2

1.3.2 高原环境下高性能混凝土的研究现状 2

1.3.3 高原环境下高性能混凝土的施工研究 5

1.4 研究内容及方法 5

第二章 原材料性能及试验方法 7

2.1 原材料性能及评估 7

2.1.1 水泥 7

2.1.2 粉煤灰 9

2.1.3 集料 11

2.1.4 外加剂 11

2.2 试验方法 12

2.2.1 工作性能试验方法 12

2.2.2 力学性能试验方法 12

2.2.3 耐久性能试验方法 13

2.2.4 微观分析试验方法 16

第三章 高原环境下高性能混凝土制备与性能研究 18

3.1 高原环境下高性能混凝土配合比设计 18

3.1.1 高原环境下高性能混凝土的设计要求 18

3.1.2 高原环境下高性能混凝土的制备技术 18

3.1.3 高原环境下高性能混凝土配合比试验 19

3.2 高原条件下高性能混凝土的性能与分析 21

3.2.1高性能混凝土配合比 19

3.2.2 高性能混凝土的工作性能及力学性能 20

3.2.3高原环境下高性能混凝土性能研究 21

3.2.4 高原条件下高性能混凝土微观及产物分析 28

3.3 高原环境高性能混凝土技术经济性分析 32

第四章 结论与展望 34

4.1结论 34

4.2展望 34

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1 引言

随着我国西部开发战略的实施，特别是基础设施建设的加快，要求混凝土所服役的环境也越来越严酷，在一些特殊环境的地区进行土木工程施工建设，就要求根据不同的环境特征配制不同性能的混凝土。否则极易由于环境因素导致混凝土产生不同程度的破坏，从而影响其结构的安全与服役寿命。

从硅酸盐水泥自1824年由Joseph Aspdin发明，经过使用并发展了将近两个世纪，成为世界上用量最大的人造材料^[1]。上个世纪以来，混凝土技术经历了从大流动性、塑性、半干硬与干硬、高流态到高强度、高耐久性、无污染绿色高性能混凝土的发展过程^[2]。而进入新世纪，混凝土材料的主要发展方向之一就是增强混凝土的耐久性。所谓混凝土耐久性，是指混凝土经过长年的服役使用而不毁坏，能够继续服役并且对环境有一定抵抗能力，保持其适用性。根据相关资料显示，美国混凝土基础设施建设工程总价值为6万亿美元,而每年用于相关工程的维修与重建费用便高达3000亿美元，占到其工程价值总量的5%；而每年用于结构维修的费用占建筑总投资的40%^[3]以上。在我国,混凝土工程的劣化病害也十分严重,铁道部每年用于维修铁路隧道衬砌裂损渗水的费用便高达1亿元,且这个数值随着铁路建设逐年递增^[4]。所以对实际工程来说，混凝土结构的耐久性与其力学性能、工程造价拥有同样重要的位置。

由于混凝土构件在服役过程中处于不同的自然环境，因此根据所处环境不同，一般对混凝土耐久性指标要求也不同。本文依托实际工程项目，针对青藏高原环境条件，对高性能混凝土进行制备与优化技术研究。

1.2 研究目的及意义

青藏高原地区大气环境为干燥，少雨，风力强劲，太阳辐射强，日温差大，风蚀、风化现象严重。环境中存在较高的氯离子、硫酸根离子等有害离子，会对混凝土具有很强的腐蚀作用^[5]。冻融循环是当地混凝土破坏的主要因素之一^[6]。为了适应当地恶劣的自然条件，确保混凝土的耐久性，可以掺入引气剂来提高混凝土的抗冻性能^[7]。而且为了减少混凝土水化热升温对多年冻土的热扰动，并加快施工进度，混凝土必须具有良好的早强、低温强度增长性能，在当地实际施工中，是否使用粉煤灰作为掺合料还有待争议。因此，研究施工期间的混凝土受到温度变化、干湿变化、自生体积变形等作用的影响和高性能混凝土制备技术和性能有着非常重要的意义。

本文研究目的是制备出适应于高原环境下高工作性、强度达标、抗裂性能好和高耐久性能的混凝土，探究其工作性与耐久性规律，并以指导实际工程施工与应用。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 高原条件环境及其对混凝土的要求

青藏高原环境特征十分严酷，根据谢永江^[8]等人对青藏铁路格拉段沿线的环境研究，除格尔木和拉萨外，年平均气温为-6至-2℃，极端最高气温25℃，极端最低气温-45℃，且昼夜温差大，年负温天数约180天左右，此外，沿线气候干燥，干湿交替频繁，一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀危害，部分路段还面临着强烈的风沙磨蚀。另外，郝迎军^[9]等人对青藏铁路16号标段土壤中侵蚀离子含量的研究如下表1-1：

表1-1 土壤中侵蚀离子含量

通过对离子含量进行检查可以发现，高原环境同内地工程相比，条件十分恶劣，侵蚀离子含量明显高于内地，属于中等程度的含量。此外，青藏高原存在大范围的多年冻土区，混凝土施工过程中将面临负温、冻土以及环境保护等多种难题，黄直久^[10]等人以青藏铁路为工程背景，阐述了用于高原多年冻土区耐久混凝土的原材料选择、配制方法、施工操作与质量控制要点，高原环境混凝土，除了面临低温、冻融、大温差外，环境特有的低湿干燥同样会产生严重的破坏。

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