橋梁用C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土性能研究

侯明揚(yáng)，孫志勇，李夢希，張新龍，鄧 毅，張國榮

(1.滇中新區(qū)嵩昆路建設(shè)指揮部， 云南 昆明 650211； 2.滇中新區(qū)管委會規(guī)建部， 云南 昆明 650000；3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 211112； 4.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211112)

嵩昆路軍長立交橋梁工程輔道橋采用C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土現(xiàn)澆施工，混凝土優(yōu)良的工作性能是施工澆筑、振搗過程中混凝土密實(shí)性的前提；而混凝土力學(xué)性能和耐久性能是混凝土結(jié)構(gòu)適用性和安全性的保障[1-2]。因此，有必要對C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，以便對混凝土配合比關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

目前，主要集中在對補(bǔ)償收縮混凝土的變形性能和抗裂性能的研究[3-12]，且研究基本針對中低強(qiáng)度補(bǔ)償收縮混凝土[13-16]，對高強(qiáng)度補(bǔ)償收縮混凝土性能的研究較少，對本工程中C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土的制備缺乏指導(dǎo)性，因此，有必要針對嵩昆路軍長立交橋梁工程當(dāng)?shù)卦牧咸匦?，開展配合比關(guān)鍵參數(shù)對混凝土性能的影響規(guī)律研究，對C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土的制備有重要的指導(dǎo)意義。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究水膠比、砂率、礦物摻合料、膨脹劑摻量等配合比關(guān)鍵參數(shù)對C60補(bǔ)償收縮混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能影響規(guī)律。其中工作性能主要測試初始坍落度和1 h坍落度損失，力學(xué)性能主要測試抗壓強(qiáng)度(7 d、28 d)和彈性模量(28 d)，耐久性主要測試氯離子擴(kuò)散系數(shù)(28 d)和電通量(56 d)。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件要求，同時(shí)考慮橋梁工程所處的環(huán)境類別為I類環(huán)境(一般環(huán)境或碳化環(huán)境)，為保證工程混凝土密實(shí)性，按照IV-D(氯離子環(huán)境類別，作用等級D級)來控制，即C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土關(guān)鍵性能指標(biāo)具體要求如表1所示。研究成果可有效指導(dǎo)實(shí)際工程中C60補(bǔ)償收縮混凝土的制備過程，有效保證依托工程的經(jīng)久耐用。

表1 C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土關(guān)鍵性能指標(biāo)要求

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1) 水泥(C)。云南東駿生產(chǎn)的P.O 52.5水泥，其初凝時(shí)間為236 min，終凝時(shí)間為359 min，比表面積為342 m2/kg，安定性合格。

(2) 粉煤灰(FA)。I級，燒失量為4.5%，需水量比為90%，細(xì)度(45 um篩余)為10.2%。

(3) 磨細(xì)礦渣(SL)。S75級，比表面積為354 m2/kg，燒失量為1.11%，7 d活性指數(shù)為67%，28 d活性指數(shù)為82%。

(4) 細(xì)集料(S)：普通河砂，細(xì)度模數(shù)為3.1，含泥量為2.4%，堅(jiān)固性為3%。

(5) 粗集料(G)：玄武巖碎石，采用10 mm～20 mm和5 mm～10 mm兩種級配石子按照8∶2比例進(jìn)行混合時(shí)，滿足混凝土用碎石5 mm～20 mm連續(xù)粒級要求，壓碎值為8.3%，針片狀含量為3.1%，含泥量為0.5%，泥塊含量為0.1%。

許昌市位于東經(jīng) 113°03′-114°19′，北緯 33°42′-34°24′，地處河南省中部，伏牛山余脈向豫東平原過渡地帶，地勢西北高，東南低，平均海拔70米左右。建成區(qū)內(nèi)地形平坦，流經(jīng)市區(qū)的清河、清泥河、飲馬河、運(yùn)糧河、護(hù)城河、天寶河、許扶運(yùn)河等7條河，市區(qū)及周圍的北海、芙蓉湖、鹿鳴湖、東湖、小西湖、灞陵湖、雙龍湖、秋湖濕地8大湖泊。本研究主要以許昌市建成區(qū)為主，主要涉及許昌市的四個(gè)區(qū)：魏都區(qū)、東城區(qū)、建安區(qū)、高新區(qū)。魏都區(qū)位于許昌市中心城區(qū)，東城位于許昌市區(qū)東部，建安區(qū)位于許昌市中部，環(huán)抱許昌市魏都區(qū)，高新區(qū)位于許昌市區(qū)西南部，與市區(qū)緊密相鄰。

(6) 減水劑(A)。云南建投高分子公司生產(chǎn)的聚羧酸PCA型，減水率為26%，泌水率比為65%，固含量為12.17%。

(7) 膨脹劑(EA)。江蘇省博特公司生產(chǎn)的復(fù)合膨脹劑，比表面積為210 m2/kg，堿含量為0.27%，氯離子含量為0.018%，水中7 d限制膨脹率為0.065%，空氣中21 d限制膨脹率為0.010%，7 d抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為45.2 MPa。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究水膠比、砂率、礦物摻合料、膨脹劑摻量四個(gè)配合比關(guān)鍵參數(shù)對C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。其中各影響因素設(shè)計(jì)值及編號如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 工作性能。混凝土拌合物流動(dòng)性用坍落度表示，坍落度和1 h坍落度損失率按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB/T 50080—2002)規(guī)定采用坍落度筒進(jìn)行測試，同時(shí)對混凝土拌合物黏聚性、保水性進(jìn)行觀察評價(jià)。

其中1 h坍落度損失率(%)按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：T1h為1 h后混凝土拌合物坍落度，mm；T0為混凝土拌合物初始坍落度，mm。

表2 影響因素設(shè)計(jì)值及編號

(2) 力學(xué)性能?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB/T 50081—2002)進(jìn)行。其中混凝土抗壓強(qiáng)度采用邊長為150 mm立方體試塊，彈性模量采用150 mm×150 mm×300 mm試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期分別測試混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

(3) 耐久性能。主要測試混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量耐久性指標(biāo)，具體按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB/T 50082—2009)?；炷猎嚰跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)的齡期，將試件進(jìn)行切割打磨加工，混凝土試件采用直徑為100 mm，高度為50 mm的圓柱體試件。

2 結(jié)果分析

2.1 水膠比的影響

不同水膠比混凝土工作性能和力學(xué)性能見表3。由表3可知，各組混凝土初始坍落度和1 h坍落度損失率均滿足指標(biāo)控制要求。其中隨著水膠比的增加，抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)明顯下降趨勢，將結(jié)果和28 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量的技術(shù)要求對比可知，三組均滿足工程要求。

表3 不同水膠比混凝土工作性能和力學(xué)性能

不同水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可看出，三組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均滿足設(shè)計(jì)要求，處于較低的水平，即混凝土密實(shí)性能均優(yōu)異。隨著水膠比的增加，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均呈現(xiàn)增加趨勢，這主要是由于水膠比的增加，使得混凝土密實(shí)性能略有降低。

圖1 水膠比對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖2水膠比對電通量的影響

水膠比越低，力學(xué)性能越大，但水膠比越低，膠凝材料用量增加，對補(bǔ)償收縮混凝土是負(fù)效應(yīng)，增加開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，綜合水膠比對混凝土耐久性能的影響規(guī)律，確定最佳水膠比為0.26。

2.2 砂率的影響

不同砂率混凝土工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，各組混凝土工作性能和力學(xué)性能均滿足指標(biāo)控制要求，且隨著砂率從39%增加到43%，抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，存在最佳砂率，這主要是由于砂率變化對混凝土顆粒堆積密實(shí)性的影響。

表4 不同砂率混凝土工作性能和力學(xué)性能

不同砂率混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可看出，隨著砂率從39%增加到43%，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，即存在最佳砂率。因此，砂率選擇41%為宜。

圖3砂率對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

2.3 礦物摻合料對耐久性能的影響

摻入不同礦物摻合料混凝土的工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可見，各組混凝土工作性能和力學(xué)性能均滿足指標(biāo)控制要求，礦物摻合料的摻入對抗壓強(qiáng)度略有增加，對彈性模量略有降低；當(dāng)總摻量控制為20%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，28 d抗壓強(qiáng)度略有降低，彈性模量略有降低，這主要由于與粉煤灰相比，磨細(xì)礦渣對早期強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。

圖4 砂率對電通量的影響

摻入不同礦物摻合料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。由圖5、圖6可看出當(dāng)不摻礦物摻合料時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量分別為11.3×10-12m2/s和1560C，均超過指標(biāo)控制要求。摻入摻合料的混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量顯著降低，這主要是由于礦物摻合料二次水化反應(yīng)和微集料填充效應(yīng)使混凝土密實(shí)性顯著提升，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性能[20-21]。

圖5礦物摻合料對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

因此，制備高性能混凝土須摻入適量的礦物摻合料，以提高混凝土密實(shí)性和耐久性。本工程宜根據(jù)周邊礦物摻合料的供應(yīng)情況，選擇質(zhì)量優(yōu)良、穩(wěn)定摻合料制備C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土。

圖6礦物摻合料對電通量的影響

2.4 膨脹劑對耐久性能的影響

不同膨脹劑摻量混凝土的工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。各組混凝土工作性能和力學(xué)性能均滿足指標(biāo)控制要求，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，這主要由于膨脹劑采用等量取代膠凝材料的內(nèi)摻方式。一方面，等量取代的膨脹劑活性不及水泥活性；另一方面，膨脹劑摻量增加時(shí)，水泥用量相應(yīng)的降低，導(dǎo)致水化產(chǎn)物量降低，密實(shí)性降低。因此，膨脹劑對混凝土力學(xué)性能有不利的影響。但彈性模量出現(xiàn)先增加后降低趨勢，與理論分析規(guī)律不一致，這種小范圍的波動(dòng)可以認(rèn)為是試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的。

表6 不同膨脹劑摻量混凝土工作性能和力學(xué)性能

不同膨脹劑摻量混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7膨脹劑對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

由圖7、圖8可看出隨著膨脹劑的增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，這主要是由于膨脹劑摻量的增加，一方面混凝土膨脹率增加，這對混凝土密實(shí)性是正效應(yīng)；另一方面，膨脹劑摻量的增加，水泥用量降低，導(dǎo)致生成的水化產(chǎn)物量降低，這對混凝土密實(shí)性是負(fù)效應(yīng)。因此，正負(fù)效應(yīng)疊加的效果就出現(xiàn)一個(gè)最佳摻量值。綜合考慮混凝土各性能影響規(guī)律，膨脹劑的最佳摻量為8%。

圖8膨脹劑對電通量的影響

3 結(jié) 論

(1) 隨著水膠比的增加，抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)明顯下降趨勢，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均呈現(xiàn)增加趨勢，考慮到水膠比越低，膠凝材料用量增加，對補(bǔ)償收縮混凝土是負(fù)效應(yīng)，增加開裂風(fēng)險(xiǎn)，推薦最佳水膠比為0.26。

(2) 當(dāng)砂率從39%增加到43%，混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量呈現(xiàn)先減后增趨勢，推薦最佳砂率為41%。

(3) 礦物摻合料的摻入對抗壓強(qiáng)度略有增加，對彈性模量略有降低，但滿足工程要求；礦物摻合料的摻入顯著降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量，建議工程根據(jù)周邊礦物摻合料的供應(yīng)情況，選擇質(zhì)量優(yōu)良、穩(wěn)定摻合料制備C60高性能補(bǔ)償收縮混凝土。

(4) 膨脹劑的摻入使混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，這主要由于膨脹劑采用等量取代膠凝材料的內(nèi)摻方式。