高強自密實清水混凝土在橋梁預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

尹軼

（國能黃大鐵路有限責(zé)任公司，山東 東營 257000）

0 引言

自密實清水混凝土是一種新型的綠色混凝土，兼具自密實混凝土和清水混凝土的優(yōu)勢。自密實混凝土為了達到大流動特性，往往需要較大的膠凝材料用量和大砂率支撐，但這也會造成混凝土漿體黏度過大、難以消除氣泡的富集現(xiàn)象，對其表觀質(zhì)量不利，清水混凝土對表觀質(zhì)量要求較高，在施工時往往需要進行振搗，將漿體內(nèi)的氣泡排除，但是振搗又極易引起泌水現(xiàn)象，因此自密實混凝土與清水混凝土之間是存在一定的矛盾性的[1-8]。為了提升高性能自密實清水混凝土的整體性能，有必要開展系列試驗研究。

北方大部分地區(qū)處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季氣溫普遍較低，晝夜溫差較大，無霜期較短，夏季氣候干燥炎熱，并時常伴有大風(fēng)。本文依托于某預(yù)制自密實清水混凝土橋梁工程為例，該工程項目年平均氣溫為7.8℃，夏季平均氣溫22.4℃，冬季平均氣溫-10.7℃，年平均風(fēng)速1.9m/s，凍土深度為17cm，年平均降雨量為443 mm，工程建設(shè)所處的環(huán)境十分復(fù)雜。工程共設(shè)計700余根C50自密實清水混凝土墩柱以及380余根C60自密實清水混凝土蓋梁，為了保證蓋梁和墩柱良好的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能，同時保證施工外觀色澤質(zhì)量基本一致，對自密實清水混凝土的配制和施工提出了更高的要求。

本文對C50墩柱和C60蓋梁2種高強自密實清水混凝土展開室內(nèi)試驗研究，從工作性能入手對混凝土配合比進行優(yōu)化，同時對優(yōu)化后的混凝土進行力學(xué)性能和耐久性測試，驗證最佳配合比下混凝土是否具有良好的服役性能，以期為工程的建設(shè)和施工提供借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：墩柱采用P·O42.5水泥，蓋梁選用P·O52.5水泥，主要技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粉煤灰：平均燒失量6.7%，含水率0.3%，需水量比95%，細(xì)度（45μm篩篩余）20%。

礦粉：密度2.95 g/cm3，比表面積410 m2/kg，7、28 d活性指數(shù)分別為80%、98%，含水量0.5%，平均燒失量2.5%，SO3含量3.1%。

石：粒徑5～20 mm，壓碎指標(biāo)8%，含泥量0.1%，泥塊含量0，針片狀含量5%，松散堆積孔隙率39%。

砂：天然河砂，含泥量1.1%，泥塊含量0.1%，云母含量0.2%，輕物質(zhì)含量0.1%。

外加劑：聚羧酸系高性能防凍減水劑，固含量18%，減水率30%。

水：自來水。

1.2 試驗配合比

橋梁墩柱自密實混凝土設(shè)計強度等級為C50，要求水膠比＜0.33，含氣量2%～4%，壓力泌水率＜10%，擴展度為660～755 mm且4 h內(nèi)無損失，倒坍時間3～5 s，7 d抗壓強度需達到標(biāo)準(zhǔn)值的80%，28 d抗壓強度需達到標(biāo)準(zhǔn)值的120%～135%，氯離子含量不超過總膠凝材料的0.1%，堿含量不超過1.8 kg/m3。橋梁蓋梁自密實混凝土設(shè)計強度等級為C60，要求水膠比＜0.31，其余要求與C50一致[9-10]。按照上述要求，確定了墩柱C50和蓋梁C60自密實清水混凝土的初步配合比見表2，砂的細(xì)度模數(shù)均為2.7。

表2 自密實清水混凝土的初步配合比 kg/m3

1.3 試驗內(nèi)容

按照J(rèn)GJ/T283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行試驗設(shè)計：（1）通過不同膠凝材料用量、礦物摻合料配比、砂細(xì)度模數(shù)以及砂率下的工作性能試驗，工作性能指標(biāo)包括：坍落度、擴展度、T500、L型儀填充比、倒坍時間等5項指標(biāo)對2種強度等級自密實清水混凝土的配合比進行優(yōu)化設(shè)計。（2）測試最佳配合比下2種強度等級自密實清水混凝土不同齡期的強度。（3）測試最佳配合比下2種強度等級自密實清水混凝土的耐久性，主要包括：抗凍性（-20℃下凍結(jié)4 h，8℃下融化2 h，每6 h為1個凍融循環(huán)）、抗裂性（風(fēng)速5 m/s，溫度8℃，相對濕度52%，24 h后測量裂縫數(shù)量）以及抗氯離子滲透性（電通量法，NaCl溶液質(zhì)量濃度3%，NaOH溶液摩爾濃度為0.3%，試驗時間6 h）。

2 工作性能試驗結(jié)果分析

2.1 膠凝材料用量對自密實清水混凝土工作性能的影響

固定水泥、礦粉和粉煤灰的比例以及膠砂比，其余材料用量與表2相同，研究膠凝材料用量對清水混凝土工作性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 膠凝材料用量對自密實清水混凝土工作性能的影響

由表3可知：隨著膠凝材料用量的增加，自密實清水混凝土的漿體體積增大，填充性能得到有效提高，混凝土的坍落度、擴展度逐漸增大，倒坍時間延長，T500先縮短后延長。當(dāng)膠凝材料用量分別為580、540 kg/m3時，C50、C60混凝土的T500最短。按照J(rèn)GJ/T 283—2012及設(shè)計要求，自密實清水混凝土的擴展度應(yīng)為660～755 mm，因此，C50混凝土中膠凝材料用量大于560 kg/m3即可，C60混凝土中膠凝材料用量大于500 kg/m3即可。綜合試驗結(jié)果：在滿足擴展度要求的基礎(chǔ)上，C50的最佳膠凝材料用量應(yīng)在560～580 kg/m3，C60的最佳膠凝材料用量應(yīng)在540～560 kg/m3，本試驗取570、550 kg/m3分別作為C50、C60自密實清水混凝土的最佳膠凝材料用量。

2.2 礦物摻合料配比對自密實清水混凝土工作性能的影響

在最佳膠凝材料用量下，其余試驗條件不變，僅改變粉煤灰與礦粉的配比，得到不同礦物摻合料配比下自密實清水混凝土的工作性能，結(jié)果見表4。

表4 礦物摻合料配比對自密實清水混凝土工作性能的影響

由表4可知：隨著礦粉用量的增加，自密實清水混凝土的擴展度逐漸增大，倒坍時間延長，這說明礦粉摻入后提高了混凝土的黏度和剪切力，但對混凝土的自密實性能可能會產(chǎn)生不利影響。因此，礦粉摻量不宜過高，根據(jù)試驗結(jié)果，認(rèn)為自密實清水混凝土應(yīng)采用單摻粉煤灰或粉煤灰與礦粉按2∶1的質(zhì)量比復(fù)摻進行拌制。綜合考慮，后續(xù)試驗中，C50混凝土中粉煤灰、礦粉用量分別為120、60 kg/m3，C60混凝土中粉煤灰、礦粉用量分別為100、50 kg/m3。

2.3 砂細(xì)度模數(shù)對自密實清水混凝土工作性能的影響

按上述試驗得出的最佳配比，其余試驗條件不變，僅改變砂的細(xì)度模數(shù)，研究自密實混凝土工作性能的變化，結(jié)果見表5。

由表5可知，隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大，C50和C60自密實清水混凝土的坍落度、擴展度先增大后減小；C50的倒坍時間先縮短后延長，C60的倒坍時間逐漸縮短。表明隨著砂細(xì)度模數(shù)的增大，混凝土的自密實性能呈先增強后變?nèi)醯奶卣?。?dāng)砂的細(xì)度模數(shù)小于2.7時，砂中細(xì)顆粒含量較多，導(dǎo)致混凝土漿體的黏度增大，流動性能減弱，當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)大于3.0后，由于粗顆粒含量較多，可能導(dǎo)致拌合不均勻，也會導(dǎo)致漿體的流動性減弱，均不利于混凝土的施工。通過對比可知，砂的細(xì)度模數(shù)為2.7時混凝土的綜合工作性能最佳。

表5 砂細(xì)度模數(shù)對自密實清水混凝土工作性能的影響

2.4 砂率對自密實清水混凝土工作性能的影響

按上述試驗得出的最佳配比，其余試驗條件不變，僅改變砂率，研究自密實混凝土工作性能的變化，結(jié)果見表6。

表6 砂率對自密實清水混凝土工作性能的影響

由表6可知：隨著砂率的增大，C50和C60自密實清水混凝土的坍落度、擴展度先增大后減小，倒坍時間大致呈先縮短后延長的趨勢，當(dāng)砂率為44%～48%時，2種強度等級混凝土均具有較好的流動性和黏聚性，因此，最終確定C50、C60混凝土的最佳砂率分別為44%、46%。

2.5 最佳配合比確定

按照上述試驗得到的自密實清水混凝土最佳配合比見表7。對最佳配比下拌合物工作性能和力學(xué)性能進行測試，結(jié)果見表8。

表7 2種強度等級混凝土的最佳配合比 kg/m3

表8 自密實清水混凝土的工作性能和力學(xué)性能

由表8可知，C50和C60自密實清水混凝土的擴展度分別為675、700 mm，倒坍時間分別為3.5、3.3 s，含氣量分別為2.5%、2.6%；C50自密實清水混凝土的7 d、28 d抗壓強度分別為標(biāo)準(zhǔn)值的86%、156%，C60自密實清水混凝土的7 d、28 d抗壓強度分別為標(biāo)準(zhǔn)值的88%、132%。本文設(shè)計的C50和C60自密實清水混凝土工作性能和力學(xué)性能均符合JGJ/T 283—2012和設(shè)計要求，工作性能優(yōu)異。

3 耐久性能試驗結(jié)果與分析

3.1 抗凍性試驗結(jié)果

C50和C60自密實清水混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率和相對動彈性模量變化趨勢見圖1。

圖1 自密實清水混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗凍性

由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，自密實清水混凝土的質(zhì)量先增大后減小，相對動彈性模量逐漸減小。在凍融循環(huán)初期，由于試件內(nèi)部存在少量的孔隙間隙，吸水結(jié)冰后質(zhì)量反而有所增加，但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部在結(jié)冰膨脹力作用下不斷損傷，最終膨脹力會大于骨料之間的抗拉強度，因而骨料之間的相互剝落，膠結(jié)程度降低，造成結(jié)構(gòu)損傷。250次凍融循環(huán)時，C50、C60混凝土的質(zhì)量損失率分別為2.20%、1.71%，均未超過5%的限值，但是C50混凝土在250次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量僅為58%，低于60%的限值，C60混凝土相對動彈性模量為72%，因此本文設(shè)計的C50混凝土抗凍等級可達到F200，C60混凝土抗凍等級可達F250，抗凍性能均較佳，滿足工程需求。

3.2 抗裂性試驗結(jié)果

通過平板裂縫試驗得到了C50和C60自密實清水混凝土的開裂參數(shù)，結(jié)果見表9。

表9 自密實清水混凝土的抗裂性

由表9可知，2種強度等級混凝土在經(jīng)歷早期風(fēng)吹之后，平均開裂面積＜1 mm2/根，單位面積內(nèi)的裂縫數(shù)量＜1根/m2，單位面積的開裂面積＜0.5 mm2/m2，表明本文設(shè)計的高強自密實清水混凝土雖然水泥用量較多，但通過合理砂率控制和最緊密堆積配比的設(shè)計手段，可以很好地降低混凝土的開裂敏感性，可以在多風(fēng)地區(qū)延長橋梁的服役年限[11-12]。

3.3 抗氯離子滲透試驗結(jié)果

不同齡期下2種強度等級自密實清水混凝土的電通量見表10。

表10 自密實清水混凝土的電通量

由表10可知，本文設(shè)計的C50和C60高強自密實清水混凝土28 d電通量可控制在800 C以內(nèi)，56 d電通量可控制在500 C以內(nèi)，具有較強的抗氯離子滲透性能，可以大大降低混凝土因鋼筋銹蝕而引起的開裂概率，使得橋梁的服役年限進一步延長[13-14]。

4 結(jié)語

（1）通過工作性能試驗，確定了C50墩柱自密實清水混凝土的最佳膠凝材料用量為570 kg/m3，其中粉煤灰和礦粉的用量分別為120、60 kg/m3，砂的細(xì)度模數(shù)為2.7，砂率為44%；C60蓋梁自密實清水混凝土的最佳膠凝材料用量為550kg/m3，其中粉煤灰和礦粉的用量分別為100、50 kg/m3，砂的細(xì)度模數(shù)為2.7，砂率為46%。

（2）設(shè)計的C50自密實清水混凝土的7 d、28 d抗壓強度分別為標(biāo)準(zhǔn)值的86%、156%，C60自密實清水混凝土的7 d、28 d抗壓強度分別為標(biāo)準(zhǔn)值的88%、132%，工作性能和力學(xué)性能均符合JGJ/T283—2012和設(shè)計要求。

（3）C50、C60混凝土的抗凍性分別可達到F200、F250；平均開裂面積＜1 mm2/根，單位面積內(nèi)的裂縫數(shù)量＜1根/m2，單位面積的開裂面積＜0.5 mm2/m2；28、56 d電通量分別可控制在800、500 C以內(nèi)，可在一定程度上延長橋梁的服役年限。