西北戈壁地区高性能混凝土耐久性研究

摘要

西北戈壁地区具有大风、干燥、大温差的气候特点,既有高速铁路高性能混凝土的经验,不能完全适用于戈壁环境。随着西北地区高速铁路大规模建设的开展,研究戈壁环境下高性能混凝土耐久性的实现途径,成为高性能混凝土在戈壁地区得以推广应用迫切需要解决的问题。本文解决戈壁地区高性能混凝土的耐久性问题主要采用“三优化”方法:优化掺合料、优化集料、优化养护技术。
　　 首先,矿物掺合料的使用是高性能混凝土实现耐久性所必须的,本文采用Aim和Goff堆积密实模型及扫描电镜,分析了矿物掺合料在水泥基胶凝材料颗粒体系中的作用效应。并且,基于灰色系统理论,分析了矿物掺合料粒度分布、颗粒细度与其胶砂性能之间的相关性,建立了相应的灰色系统模型。
　　 本文基于灰系统理论对混凝土所用矿物掺合料进行优化配伍选择,分析了孔结构对混凝土性能的影响规律,并建立了混凝土强度与孔径分布之间的灰系统模型。基于回归方法,建立了孔结构主要参数与混凝土后期强度之间的多元线性数学模型。结果表明:对强度及耐久性要求较低的混凝土可采用单掺粉煤灰；对强度及耐久性要求较高的混凝土可采用粉煤灰和硅灰双掺,考虑经济性则可以采用粉煤灰和矿粉双掺；对强度及耐久性要求高的混凝土可采用粉煤灰、矿粉和硅灰的三掺方式进行配制。
　　 其次,现行相关规范对人工集料的使用没有提出明确的指导意见,特别是对碎卵石使用过程中必须要考虑的破碎面问题,说明太过笼统。本文系统研究了碎卵石混凝土的宏观性能,并建立了混凝土强度及耐久性与碎卵石破碎面比例之间的数学关系式。研究表明:高水胶比混凝土可将破碎面控制在40％～60％左右,低水胶比混凝土必须将破碎面控制到60％～80％左右。另外,采用计算机仿真技术建立了卵石粒径与碎卵石破碎面比例之间的模型。结果表明:粒径20mm以下的卵石不可用于破碎碎卵石,粒径30～80mm卵石经一定破碎次数后可获得40～60％左右的破碎面,而粒径在90mm以上的卵石破碎后即可获得70％以上的破碎面。
　　 再次,本文采用MIDAS有限元分析软件对桥墩混凝土的温度场进行了模拟,以寻求适宜于戈壁环境的混凝土养护技术。分析表明:采用保温保湿膜养护的桥墩混凝土,可以降低混凝土内外最高温差,使表面及中心应力低于允许抗拉强度,避免了温度裂缝的产生。对这一理论研究又采用室内试验进行了验证。为了研究环境对混凝土孔结构的影响规律,本文模拟了大风、干燥、大温差的戈壁环境,采用压汞法测试了混凝土的孔结构分布。结果表明:大风、干燥、大温差对混凝土内部孔隙分布影响显著,会大量增加大的有害孔含量,提高孔隙率,显著增大平均孔径和最可几孔径；若采用保温保湿膜养护,就可显著降低以上危害的程度。
　　 本文以兰新二线(新疆段)为依托工程,在具有典型戈壁环境的沿线标段,现场浇筑实体混凝土桥墩。进行了现场实体桥墩的温度场测试及混凝土宏观性能测试。最终,采用实体试验充分说明了戈壁环境下采用保温保湿养护技术的有效性。