大橋箱梁流態(tài)混凝土的試配及性能試驗(yàn)

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摘要：公路橋涵箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般為C50?C60，施工上采用泵送工藝，要求混凝土具有較大坍落度，并且經(jīng)時(shí)坍落度損失小。著重探討了配制流態(tài)箱梁混凝土?xí)r原材料的選用及對(duì)混凝土性能的影響，坍落度損失的控制方法。還介紹了流態(tài)箱梁混凝土的物理力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：流態(tài)混凝土；配合比；箱梁；坍落度；力學(xué)性能

公路上橋梁箱梁強(qiáng)度等級(jí)為C50～C60高性能混凝土的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多，在以往的施工中都采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌和吊斗運(yùn)輸,工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種方法存在施工速度慢，混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。集中預(yù)拌和泵送工藝具有機(jī)械化程度高、速度快、工效高、混凝土質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以解決橋梁高性能混凝土施工中出現(xiàn)的上述問(wèn)題。混凝土的泵送工藝要求混凝土呈流態(tài)，具有較大的坍落度，一般為150-200 mm。

配制流態(tài)箱梁混凝土可以通過(guò)摻加高效減水劑、活性摻合料以及選用優(yōu)質(zhì)原材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文中著重探討了配制流態(tài)箱梁混凝土?xí)r原材料的選用及對(duì)混凝土性能的影響，坍落度損失的控制方法，流態(tài)箱梁混凝土的部分物理力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕能力。

1 流態(tài)箱梁混凝土的試配

1.1 原材料選擇

1.1.1 粗骨料

與試配低坍落度箱梁混凝土相比，流態(tài)箱梁混凝土對(duì)原材料的要求更高，盡可能地減少對(duì)強(qiáng)度和流動(dòng)性的不良影響。從粗骨料的顆粒級(jí)配、含泥量、針片狀顆粒含量3個(gè)性能指標(biāo)看，含泥量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響最大，針片狀顆粒含量次之。由于流態(tài)箱梁混凝土中含有較多的水泥砂漿，粗骨料的級(jí)配對(duì)工作性和強(qiáng)度的影響相對(duì)要小。試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 粗骨料性能對(duì)強(qiáng)度的影響

注：混凝土配合比例為：水泥：粉煤灰：礦渣：砂：碎石：水：外加劑=320：60：120：659：1076：150：5.0

1.1.2 細(xì)骨料

細(xì)骨料應(yīng)選用含泥量小的河砂。砂的細(xì)度模數(shù)直接影響混凝土的用水量，為了在不降低流動(dòng)度的情況下減少混凝土的用水量，降低混凝土的水灰比，細(xì)度模數(shù)為2.8?3.1之間的砂較合適。

1.1.3 水泥

水泥的強(qiáng)度是確定混凝土強(qiáng)度的一個(gè)主要因素。配制流態(tài)箱梁混凝土，必須保證混凝土強(qiáng)度，所以選擇強(qiáng)度較高的水泥尤為重要。一般來(lái)說(shuō)，水泥強(qiáng)度不宜小于所配制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

1.2 水灰比的確定

混凝土的強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)于普通碎石混凝土可以用直線(xiàn)方程表示：

fcu=0.46fce( c/w-0.07) ⑴

從理論上講，流態(tài)箱梁混凝土的強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系也可從這條直線(xiàn)上延伸而得到。但高強(qiáng)度等級(jí)混凝土與普通混凝土水灰比相差很大,低強(qiáng)度等級(jí)混凝土水灰比較大，水泥的水化反應(yīng)進(jìn)行充分，高強(qiáng)度混凝土水灰比低，其中一部分水泥顆粒未能水化，只起到填充作用，所以按式計(jì)算出的強(qiáng)度比對(duì)應(yīng)灰水比試驗(yàn)檢測(cè)的強(qiáng)度高。因此水灰比必須由試驗(yàn)或參照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

1.3 摻合料

流態(tài)箱梁混凝土水泥用量較大，此時(shí)再繼續(xù)增大水泥用量對(duì)混凝土后期的耐久性能會(huì)造成不利影響。在混凝土中摻入部分活性摻合料，不僅可以起充填作用，其活性組分還可與Ca(OH)2反應(yīng)生成CSH凝膠，提高混凝土強(qiáng)度。對(duì)于流態(tài)箱梁混凝土，摻合料還能改善混凝土的拌和性能，減少混凝土的泌水，提高可泵性，減緩混凝土的坍落度損失。對(duì)于跨海大橋的箱梁還能夠降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)體積較大構(gòu)件可以有效降低混凝土的水化熱。

目前，常用的摻合料是粉煤灰、磨細(xì)礦渣，粉煤灰和磨細(xì)礦渣均含有較多的活性組分，主要成分是SiO2和Al2O3。磨細(xì)礦渣含有較高的CaO，見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰和磨細(xì)礦潦的化學(xué)成分

經(jīng)過(guò)粉煤灰、磨細(xì)礦渣摻入混凝土對(duì)比試驗(yàn)，可以看出，摻合料不僅可以提高混凝土的強(qiáng)度，還可以改善混凝土拌和物性能。試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3不同摻合料混凝土性能

注：混凝土基準(zhǔn)配合比為：水泥：砂：碎石：水：外加劑=500：659：1076：150：5.0

1.4 外加劑與坍落度損失的控制

配制流態(tài)箱梁混凝土為了達(dá)到低用水量，又具有大坍落度的要求，一般要通過(guò)摻聚羧酸系高性能減水劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚羧酸系高性能減水劑的減水率可以達(dá)到25%?35%。以聚羧酸系高性能減水劑配制的流態(tài)箱梁混凝土要想應(yīng)用于施工,必須解決坍落度損失問(wèn)題。從攪拌站生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)焦さ兀话阋?0-60min，到工地時(shí)混凝土應(yīng)有140-160 mm的坍落度，才能進(jìn)行泵送。

控制混凝土的坍落度損失可以從以下4方面進(jìn)行。

1.4.1 載體流化劑

載體流化劑就是用活性載體(如粉煤灰)吸附外加劑制成一定粒徑的顆粒,加入流態(tài)混凝土中，讓外加劑慢慢溶解而逐漸釋放出來(lái),使液相中保持有一定濃度的外加劑，從而使坍落度長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

在試驗(yàn)中以粉煤灰作為外加劑的載體。將粉煤灰與一定量外加劑(比例為1:1)加水混合攪拌成泥漿狀，然后搓成直徑1-2 cm左右的小顆粒，放入烘箱中烘干，變成粉脆的球體，按2%的摻量加入混凝土中，試驗(yàn)結(jié)果示于表4。

表4 載體流化劑控制坍落度損失效果

由此可見(jiàn)，加入載體流化劑后，混凝土坍落度經(jīng)過(guò)120min只有稍降低，而對(duì)照組60min坍落度損失達(dá)40%，載體流化劑的方法可以有效控制混凝土的坍落度損失。

1.4.2 復(fù)合減水劑

復(fù)合減水劑是指通過(guò)機(jī)械混合的方法，將幾種不同的外加劑均勻地復(fù)合成一體。沒(méi)有緩凝成分的減水劑試配出的流態(tài)箱梁混凝土，坍落度損失很快，一般60 min 損失60%-70%。使用緩凝減水劑可以抑制水泥的早期水化，從而減緩流態(tài)箱梁混凝土的坍落度損失。試驗(yàn)結(jié)果列于表5。

表5 復(fù)合外加劑控制坍落度損失的效果

注：混凝土配合比例為：水泥：粉煤灰：礦渣：砂：碎石：水：外加劑=320：60：120：659：1076：150：5.0

1.4.3 摻合料的固體流化劑作用

優(yōu)質(zhì)粉煤灰中含有大量的微珠，這些微珠顆粒細(xì)小，表面光滑呈球狀。當(dāng)混凝土具有大流動(dòng)度的情況下，水泥漿體中凝絮結(jié)構(gòu)已被完全破壞并分散，再添加外加劑已無(wú)法使坍落度繼續(xù)增大。這時(shí)加入細(xì)小光滑的微珠球體，嵌于水泥顆粒之間，起到滾珠潤(rùn)滑作用，增加混凝土的流動(dòng)度。而且由于粉煤灰的水化速度很慢，由微球的滾珠潤(rùn)滑作用產(chǎn)生的流動(dòng)性增加，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)降低，可以達(dá)到延緩坍落度經(jīng)時(shí)損失的目的，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 粉煤灰對(duì)坍落度損失的影響

注：混凝土基準(zhǔn)配合比為：水泥：砂：碎石：水：外加劑=500：659：1076：150：5.0

　　試驗(yàn)結(jié)果表明摻入的粉煤灰具有固體流化劑的作用，同時(shí)粉煤灰的加入使混凝土拌和物的和易性、可泵性、保水性得到改善。而且混凝土內(nèi)部的空隙減少，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度有所提高。

　　在混凝土中復(fù)摻一定比例的磨細(xì)礦渣可以改善新拌混凝土工作性能，磨細(xì)礦渣的分散作用，使混凝土流動(dòng)度增大。

　　1.4.4 改變混凝土攪拌順序

　　在水泥含有的幾種礦物(C3S 、C2S、 C3A、 C4AF)中，以C3A對(duì)外加劑的吸附量最大，隨著C3A的水化,液相中外加劑殘余量大量減少。C3A具有很快的水化速度，如果能預(yù)先讓C3A先進(jìn)行部分水化，而后再加入外加劑，就能減少外加劑損失，也降低了混凝土坍落度損失。為此可以改變混凝土的投料順序，將砂、水泥與部分水混合，讓水與水泥先接觸，C3A開(kāi)始水化，隔2～3min后再投入碎石和余下的水以及外加劑、摻合料。這樣混凝土的攪拌時(shí)間雖有延長(zhǎng)，卻可以使混凝土的坍落度損失降低，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同攪拌順序?qū)μ涠葥p失的影響

　注：混凝土配合比例為：水泥：粉煤灰：礦渣：砂：碎石：水：外加劑=320：60：120：659：1076：150：5.0

　　2 流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)性能及耐久性能

　　2.1 試驗(yàn)混凝土配合比

　　水泥采用閩福52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強(qiáng)度為55.7Mpa;粗骨料為粒徑5～25mm的連續(xù)級(jí)配碎石，符合I類(lèi)碎石技術(shù)要求；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.9的龍海河砂,符合I類(lèi)砂技術(shù)要求。減水劑為福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的Point-S聚羧酸系緩凝高性能減水劑，摻量1%；磨細(xì)礦渣是福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉，摻量24%；粉煤灰為漳州益材建材有限公司生產(chǎn)的I級(jí)灰，摻量12%?；炷了冶葹?.30，砂率為38%。配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55箱梁混凝土，坍落度達(dá)200～220mm。

2.2 流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)性能

　　流態(tài)箱梁混凝土由于摻入了粉煤灰和聚羧酸系緩凝髙性能減水劑,與低坍落度高強(qiáng)混凝土相比，早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，3d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的48%，7d強(qiáng)度達(dá)28d強(qiáng)度的66%，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，180d強(qiáng)度比28d強(qiáng)度增長(zhǎng)28%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，其他力學(xué)性能見(jiàn)表9。

表8 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

表9 流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)特性

　　2.3 流態(tài)箱梁混凝土的收縮性能和氯離子滲透系數(shù)性能

　　試驗(yàn)采用100mm×100mm×515mm棱柱體試件(集料最大粒徑為25mm)，采用混凝土收縮儀，試件兩端預(yù)埋測(cè)頭。試件帶模養(yǎng)護(hù)1d,拆模后應(yīng)立即檢測(cè)預(yù)埋測(cè)頭的距離。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，在要求齡期后移入室溫為℃，濕度%的恒溫恒濕室內(nèi)開(kāi)始定期測(cè)量長(zhǎng)度。長(zhǎng)度測(cè)量采用外徑千分卡，測(cè)量精度0.01mm。齡期28d收縮值與6個(gè)月時(shí)之比為72%，混凝土早期收縮開(kāi)展較完全，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10和圖1。

表10 流態(tài)箱梁混凝土各齡期收縮率

圖1 流態(tài)箱梁混凝土經(jīng)時(shí)收縮率

分別采用電通量法和RCM法對(duì)28d和56d混凝土試樣進(jìn)行試驗(yàn)。由于使用適量的磨細(xì)礦渣和粉煤灰，混凝土中火山灰效應(yīng)形成致密水化產(chǎn)物,改善了混凝土的微結(jié)構(gòu)。只要水灰比比較低，通過(guò)火山灰效應(yīng)，混凝土抗氯離子滲透性能得到了提高。結(jié)果見(jiàn)表11。

表11流態(tài)箱梁通緩?fù)谅入x子擴(kuò)散系數(shù)和電通量

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　(1)原材料的性能對(duì)配置流態(tài)髙強(qiáng)混凝土有重要的影響，含泥量和針片狀含量較大的粗骨料可使混凝土強(qiáng)度明顯降低，細(xì)骨料應(yīng)選用細(xì)度模數(shù)2.8～3.1的潔凈的砂，水泥強(qiáng)度不宜低于混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

　　(2)聚羧酸系緩凝高性能減水劑和摻合料是配制流態(tài)箱梁混凝土不可缺少的組分，它可以提高混凝土強(qiáng)度，改善混凝土性能，有利于泵送施工。

　　(3)通過(guò)使用緩凝型高性能減水劑、摻入一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰及磨細(xì)礦渣和改變混凝土的攪拌順序等簡(jiǎn)便易行的方法，可以有效地控制流態(tài)箱梁混凝土的坍落度損失，使1h損失率不大于30%。但在有彈性模量要求的箱梁混凝土中，粉煤灰摻量不宜過(guò)髙。

　　(4)流態(tài)箱梁混凝土的部分力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能能夠滿(mǎn)足箱梁的技術(shù)要求，混凝土的收縮在28d齡期大部分開(kāi)展完成，因此控制混凝土早期裂縫十分重要，養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度應(yīng)得到有效控制。

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