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超细粉煤灰高性能混凝土的研究与应用

谢友均  
【摘要】: 论文针对我国铁路预应力混凝土预制构件存在的关键技术问题和当前高速铁路建设中对预应力混凝土预制构件的重大需求,研究了超细粉煤灰(Ultrafine FlyAsh,UFA)在低水胶比浆体和混凝土中的作用效应,系统探讨了超细粉煤灰高性能混凝土(High Performance Concrete with Ultrafine Fly Ash,UFA-HPC)的制备技术及其性能特点,深入分析了UFA-HPC对铁路预应力混凝土预制构件结构性能的影响规律。研究成果已纳入相关技术规范并在实际工程中推广应用,取得了显著的技术经济效益和社会效应。 本文取得的主要创新成果如下: 1、论文系统研究了低水胶比条件下UFA的作用效应。提出了以浆体相对密实度和浆体最小用水量为指标,评价UFA在低水胶比浆体和混凝土中密实填充效应的新方法。通过对水泥—粉煤灰体系水化过程、微观结构以及强度等性能的测试分析,揭示了粉煤灰细度对其物理特性及其火山灰活性的影响规律,表明UFA物理化学密实填充作用有利于改善水泥水化特性、孔结构和界面过渡区;水胶比的降低对水泥粉煤灰复合胶凝材料硬化浆体抗压强度的贡献比纯水泥浆体的贡献要大;UFA与高效减水剂之间具有叠加作用效应。 2、试验研究发现大掺量粉煤灰高强混凝土蒸养适应性差。合理控制粉煤灰的细度及其掺量、粉煤灰与适量磨细矿渣复合和适当降低混凝土的水胶比等可有效改善大掺量粉煤灰高强混凝土蒸养适应性。在此基础上,成功研制出了适合铁路预应力预制构件用蒸养高强混凝土的超细粉煤灰复合矿物掺合料(Ultrafine FlyAsh Composite,UFAC)。 3、在对UFA-HPC性能系统试验研究和UFA对蒸养混凝土作用效应理论分析的基础上,提出了UFA和UFAC的合理细度范围及最大掺量限值。在现行的生产工艺条件下,配制C50~C60铁路预应力预制构件用蒸养粉煤灰高性能混凝土,UFA和UFAC合适的细度范围约为550 m~2/kg~700m~2/kg,UFA和UFAC等量取代水泥率宜分别控制在30%和40%以内。通过优选混凝土配合比主要设计参数,研制的UFA-HPC具有良好的成型性能、力学性能以及长期性能:同时,有效地解决了较大掺量粉煤灰蒸养混凝土早期脱模强度与后期性能平衡发展的关键技术难题。 4、首次采用蒸养UFA-HPC制备了预应力混凝土轨枕并实现了大规模生产应用。研制的UFA-HPCⅢ型轨枕其轨中和轨下截面静力抗裂荷载、极限承载力、轨端局部承压性能、疲劳性能和长期承载力等构件性能均比普通混凝土Ⅲ型轨枕有较大改善,满足相应规范要求且具有较高的安全储备。掺入UFA或UFAC有效地提高了蒸养混凝土密实程度,减小了蒸养混凝土内部的损伤积累。UFA-HPC在轨枕生产中的推广应用具有明显的技术经济效益和良好的社会效应。 5、系统对比研究了UFA-HPC和普通混凝土的徐变特性及其对预应力混凝土简支梁桥徐变上拱的影响规律,提出了UFA影响高性能混凝土徐变特性的机理,建立了UFA-HPC长期徐变度预测的改进数学模型。研究结果表明,C50强度等级的UFA-HPC与C50普通混凝土相比,徐变系数降低40%;特别是UFA-HPC干燥徐变的降低,从而导致UFA-HPC预应力简支梁体徐变上拱度对环境湿度的敏感性显著降低;与28天龄期加载的混凝土徐变变形相比,10天龄期时加载所导致混凝土的徐变变形增量基本上发生在持荷2个月以内;与C50普通混凝土梁体相比,UFA-HPC梁体的徐变上拱度显著降低。在试验研究和理论分析的基础上,提出了控制无碴轨道预应力混凝土简支梁桥徐变残余上拱的有效技术措施。 6、相关研究成果分别纳入《矿物掺合料应用技术规范》(国标送审稿),《自密实混凝土设计与施工指南》(CCES02-2004)和铁道部《青藏铁路高原冻土区混凝土耐久性技术条件》【科技基函(2002)56号】、《客运专线无碴轨道铁路设计指南》【铁建设函(2005)754号】等4本技术规范或指南。


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