無預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土單摻礦粉配合比技術(shù)應(yīng)用

張旭光，楊維國，游建華，姜鴻鵠，周 燦

（中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

江陰市芙蓉大道快速化改造工程中海港互通立交 H 匝道橋采用無預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，縱橫向均按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。施工前對(duì)周邊城市同種互通立交匝道橋進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)箱梁采用普通混凝土澆筑后極易出現(xiàn)裂縫，尤以頂板橫向裂縫最為突出，且裂縫寬度大于0.20mm也存在多條，其中部分為貫通列縫。貫通裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性，更嚴(yán)重可能造成結(jié)構(gòu)的安全性。針對(duì)此種現(xiàn)象，對(duì)其原因進(jìn)行了排查分析，主要原因是水泥水化熱過大，兩次澆筑混凝土收縮限制及養(yǎng)護(hù)保濕不到位等。針對(duì)此弊端，在混凝土配合比中摻加礦粉進(jìn)行研究應(yīng)用，并通過工程實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)。

礦渣是煉鐵過程中排出的工業(yè)廢料，其主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂等，其中玻璃體含量多，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，潛在活性大，經(jīng)細(xì)磨后才能使其潛在性能發(fā)揮出來。考慮到 H 匝道箱梁是無預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，對(duì)于早期強(qiáng)度沒有特別要求，對(duì)于礦粉摻和具有可行性。礦粉膠凝系數(shù)高、強(qiáng)度發(fā)展比粉煤灰快，摻入礦粉能改善混凝土和易性和工作性，這種改善與表面特性和比表面積有關(guān)。這種表面特性使得水泥漿體之間形成光滑的移動(dòng)面，礦粉顆粒與水泥顆粒在微觀狀態(tài)下形成較好的微觀顆粒級(jí)配，從而提高混凝土的密實(shí)性、和易性。同時(shí)，礦粉與水泥存在一定的價(jià)差，等量取代后經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，并且可以降低水化熱，延遲熱峰的出現(xiàn)，減少溫度應(yīng)力而造成的混凝土裂縫。

1 工藝原理

礦渣微粉的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，在取代了部分水泥以后，這些小顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中，使膠凝材料具有更好的級(jí)配，形成了密實(shí)充填結(jié)構(gòu)和細(xì)觀層次的自緊密堆積體系。同時(shí)還能降低標(biāo)準(zhǔn)稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動(dòng)度，因此改善了和易性。填充作用的另一好處是增加了粘聚性，防止了泌水離析，改善了可泵性。在水泥水化初期，放熱集中，會(huì)造成坍落度損失，礦渣微粉加入后，由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的堿性條件下二次水化，因而它能延緩水化放熱，初始坍落度保持時(shí)間可以長一些，減少了由于溫升帶來的溫度裂縫。

2 原材料性能試驗(yàn)

2.1 礦粉性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用 S 95 礦渣微粉［1］，經(jīng)過檢測，其各項(xiàng)性能如表 1 所示。

表1 礦粉性能指標(biāo)

2.2 礦粉對(duì)水泥流動(dòng)度的影響

以不摻和礦粉的 52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥作為比較基點(diǎn)，以不同摻量礦粉等量代替水泥進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)度對(duì)比試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖 1 所示。從圖 1 可以看出，在相同外加劑摻量與用水量下，摻加礦粉能明顯提高水泥凈漿流動(dòng)度，并且隨著摻量的增加，流動(dòng)度不斷增大，且達(dá)到一定程度后呈減緩趨勢。

圖1 礦粉對(duì)水泥流動(dòng)度的影響

2.3 礦粉對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

以不摻和礦粉的 52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥作為比較基點(diǎn)，以不同摻量礦粉等量代替水泥進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 礦粉對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖 2 可見，摻入礦粉可延長水泥凝結(jié)時(shí)間，適當(dāng)延長水泥凝結(jié)時(shí)間，對(duì)大體積混凝土的施工非常有利，可防止水化熱集中釋放。特別是高強(qiáng)度混凝土，水泥用量大，水化放熱速度快，混凝土有開裂危險(xiǎn)，摻入礦粉對(duì)控制混凝土溫升有顯著作用。

2.4 礦粉對(duì)抗?jié)B性能的影響

為驗(yàn)證摻礦粉混凝土的抗?jié)B性能，采用水膠比為 0.32，礦粉摻量為 0 和 10 % 的配合比各成型了一組 6 個(gè)混凝土抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)養(yǎng) 28 d 后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。試驗(yàn)水壓從 0.1 MPa 開始，每隔 8 h 增加 0.1 MPa，逐級(jí)加壓至 1.4 MPa，并持壓 8 h 后停機(jī)。此時(shí)兩組試件頂面均無滲水現(xiàn)象，劈開后觀察滲水情況，不摻礦粉的試件滲水高度在 30～50 mm 之間，礦粉摻量 10 % 的試件滲水高度在 10～20 mm 之間。說明用礦渣微粉配制的混凝土密實(shí)性好，抗?jié)B透能力強(qiáng)，適用于鋼筋混凝土防水結(jié)構(gòu)。

2.5 礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

為了驗(yàn)證摻礦粉混凝土的力學(xué)性能，采用相同原材而不同摻量的礦粉進(jìn)行了試配，不同摻量的礦粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

表2 礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響匯總表

表 2 采用相同原材料而不同摻量的礦粉進(jìn)行了試配，其結(jié)果：礦渣微粉摻量為 5、10、15、20 % 的混凝土 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為 62.8、60.9、58.1、57.8 MPa，與不摻礦粉的強(qiáng)度基本無波動(dòng)，3 d 強(qiáng)度較不摻礦粉略微下降；而 28 d 以后，礦粉對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)則更大些；隨著礦粉的遞增，水膠比降低，和易性提高，但從早期強(qiáng)度考慮，以摻量不超過 15 % 為宜。

3 配合比設(shè)計(jì)及確定

通過礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，進(jìn)行基準(zhǔn)混凝土配合比的設(shè)計(jì)［2］，確定各材料的用量來滿足混凝土性能的要求。

3.1 基礎(chǔ)資料

詳細(xì)的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 計(jì)算步驟

3.2.1 計(jì)算配制強(qiáng)度

fcu，0≥fcu，k＋1.645σ≥50＋1.645×6＝59.9 MPa。式中：fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；σ 為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa，標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù) JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》表 4.0.2 取值。

3.2.2 計(jì)算水膠比

式中：W/B為混凝土水膠比；ɑɑɑb為回歸系數(shù)，根據(jù) JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》表 5.1.2 碎石取值，ɑɑ取值 0.53，ɑb取值 0.2；fb為膠凝材料 28 d 膠砂強(qiáng)度，MPa，經(jīng)實(shí)測取值。

考慮不同地區(qū)原材料特性及本工程提高強(qiáng)度富余量，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取水膠比為 0.32。

3.2.3 計(jì)算用水量

依據(jù) JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，查表 5.2.1-2 及經(jīng)驗(yàn)值，未摻減水劑時(shí)推定滿足坍落度的單位用水量 mwo=244 kg。

使用減水劑（該減水劑減水率為 28.4 %），摻量為1.3 %，則用水量為：

式中：mwo為滿足實(shí)際塌落度要求的每立方米混凝土用水量，kg/m3；mwo’為未摻外加劑推定滿足實(shí)際塌落度要求的每立方米混凝土用水量，kg/m3；β為外加劑減水率。

3.2.4 計(jì)算膠凝材料用量和減水劑用量

式中：mb0為計(jì)算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mw0為計(jì)算配合比每 m3混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

則減水劑用量：m外=480×1.3%=6.24kg/m3；

礦粉用量為：K=480×0.10=50 kg/m3（其中礦粉取代膠凝材料總用量的 10 %）；

水泥用量為：C=480-50=430 kg/m3。

3.2.5 計(jì)算砂石用量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取砂率 β s：3 8 %；混凝土質(zhì)量為2 450 kg/m3；

經(jīng)計(jì)算，砂用量 ms=710 kg/m3；碎石用量 mg=1 111 kg/m3。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果確定 C50 混凝土試拌配合比如表 4 所示（水膠比 0.32）。

表4 混凝土試拌配合比 kg/m3

3.3 調(diào)整水膠比確定兩種試拌配合比

通過在基準(zhǔn)水膠比 0.32 的基礎(chǔ)上，上浮和下浮0.02，驗(yàn)證不同配合比下混凝土的各種性能和狀態(tài)，以確定最優(yōu)的配合比作為施工配合比的依據(jù)。

3.3.1 基準(zhǔn)水膠比上浮 0.02（0.34）配合比計(jì)算（見表 5）

1）用水量保持不變：mw=154 kg/m3。

2）膠凝材料用量：

式中：mb0為計(jì)算配合比每 m3混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mw0為計(jì)算配合比每 m3混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

礦粉用量為：K=453×0.10=45 kg/m3，其中礦粉取代膠凝材料總用量的10%

水泥用量為：C=453-45=408 kg/m3。

3）減水劑用量：m外=453×1.3 %=5.89 kg/m3。

4）采用假定容重法計(jì)算粗、細(xì)骨料用量。

砂率選用 39 %，混凝土質(zhì)量為 2 450 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，砂用量 ms=719 kg/m3；碎石用量 mg=1 124 kg/m3。

表5 水灰比增加 0.02 的配合比（水灰比 0.34） kg/m3

3.3.2 基準(zhǔn)水膠比下浮 0.02（0.30）的配合比計(jì)算（見表 6）

1）用水量保持不變：mw=154 kg/m3；

2）膠凝材料用量：

式中：mbo為計(jì)算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mwo為計(jì)算配合比每立方米混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

礦粉用量為：K=513×0.10=51 kg/m3，其中礦粉取代膠凝材料總用量的 10 %；

水泥用量為：mc=513-51=462 kg/m3。

3）減水劑用量：m外=513×1.3 %=6.67 kg/m3。

4）采用假定容重法計(jì)算粗、細(xì)骨料用量。

砂率選用 39 %，混凝土質(zhì)量為 2 450 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，砂用量 ms=678 kg/m3；碎石用量mg=1 088 kg/m3。

表6 水灰比減少 0.02 的配合比（水灰比 0.30） kg/m3

3.4 試拌結(jié)果對(duì)比

通過 0.30、0.32、0.34 三種不同水灰比的試拌試驗(yàn)，得出 3 種不同水膠比下拌合物的各項(xiàng)參數(shù)如表 7 所示。

經(jīng)檢測混凝土拌合物表觀密度實(shí)測值與計(jì)算值之差的絕對(duì)值均不超過計(jì)算值的 2 %；根據(jù)混凝土強(qiáng)度實(shí)測值選用水膠比為 0.32 時(shí)的混凝土配合比為試驗(yàn)室配合比。確定的試驗(yàn)室配合比如表 8 所示。

表7 不同水灰比下拌合物性能對(duì)照表

表8 確定的試驗(yàn)室配合比

4 施工質(zhì)量控制

4.1 施工配合比控制

1）混凝土生產(chǎn)前，及時(shí)檢測材料含水率，根據(jù)含水率計(jì)算施工配合比，保證混凝土的水膠比，保證混凝土的強(qiáng)度。

2）定期檢查物料稱重系統(tǒng)，保證拌和材料質(zhì)量偏差在允許范圍之內(nèi)。

4.2 原材料質(zhì)量控制

1）生產(chǎn)混凝土前對(duì)混凝土原材及時(shí)抽檢，保證材料合格后投入使用；

2）控制砂的細(xì)度模數(shù)在 2.6～2.9 之間；

3）石子的壓碎值在 20 以內(nèi)；

4）礦粉質(zhì)量滿足 S95 要求；

5）水泥 3 d 強(qiáng)度滿足 52.5 級(jí)水泥要求。

4.3 控制生產(chǎn)施工過程

1）對(duì)混凝土進(jìn)行拌和時(shí)，嚴(yán)格控制拌和時(shí)間，不得小于 90 s。

2）保證振搗充分，不漏振，不過振，確保混凝土的密實(shí)性。

3）及時(shí)對(duì)澆筑部件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，土工布覆蓋到位，不間斷灑水養(yǎng)護(hù)。

5 實(shí)施效果

5.1 強(qiáng)度檢測

對(duì)同條件試塊進(jìn)行 28 d 抗壓強(qiáng)度檢測，檢測結(jié)果分別為 58.7、59.4、58.2、58.8、58.1 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求；并且對(duì) 3 個(gè)箱室進(jìn)行回彈檢測，隨機(jī)抽取 30 個(gè)測區(qū)，評(píng)定結(jié)果分別為 54.2、55.1、54.8 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 裂縫分析

H 匝道第一聯(lián)拆模后，對(duì)實(shí)體外觀進(jìn)行檢測，共發(fā)現(xiàn) 3 道橫向裂縫，裂縫寬度分別為 0.12、0.06、0.07 mm，裂縫深度分別為 28、17、19 mm。裂縫情況較類似互通匝道有明顯改觀。

6 結(jié)語

本工程通過對(duì)礦粉混凝土的試驗(yàn)及應(yīng)用，降低了混凝土的水化熱，延遲了熱峰的出現(xiàn)，成功改善了鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的裂縫問題，且 7 d 及 28 d 強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求并有一定的富余量；該工程的 H 匝道橋施工質(zhì)量顯示，無預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)混凝土配比摻加礦粉基本達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)今后此類箱梁澆筑有一定的借鑒作用。