夏季炎熱氣候條件下高性能混凝土試驗研究及應用

王憶寧,楊遠明,李 建

(中鐵五局集團有限公司,貴陽 550003)

夏季炎熱氣候條件下高性能混凝土試驗研究及應用

王憶寧,楊遠明,李 建

(中鐵五局集團有限公司,貴陽 550003)

通過大幅度調整混凝土水泥用量,減少水化熱,降低水泥的水化速度,從混凝土自身內因上最大限度降低和緩解了高性能混凝土夏季施工所產生的問題。

炎熱氣候;高性能混凝土;粉煤灰;耐久性

1 概述

武廣鐵路客運專線是我國首條設計時速 350 k m,線路里程最長,投資規模最大的客運專線。它有著建設標準高、技術要求高、質量目標高的三大特點。要實現質量零缺陷,達到設計使用年限 100年的目標,混凝土結構的耐久性是工程的關鍵,而高性能混凝土又是保證混凝土結構長期耐久性的關鍵技術措施。武廣鐵路客運專線地處湖南、湖北境界,該地區夏季炎熱少雨,高溫持續時間長,7～8月平均氣溫在 35℃以上,最高氣溫達 45℃;在高溫環境條件下拌和、運輸、澆筑混凝土,水泥水化速度快,水化熱集中,一是混凝土熱量聚積,不易散發,升溫過快,溫峰過高,溫差大,早期強度增長過快,造成混凝土出現收縮裂紋、溫度裂紋和混凝土內部大量肉眼不可見的細小裂紋,從而嚴重影響混凝土的質量和耐久性;二是在高氣溫下進行混凝土施工,混凝土中的水蒸發快,水泥水化速度快,凝結快,導致混凝土坍落度經時損失大,極易造成混凝土泵送時堵管,嚴重影響施工進度和質量,特別是對大體積混凝土和現澆墩臺施工尤其重要。如采用液氮、冰塊降溫,成本太高,難以承受,如何采用經濟合理的措施,解決炎熱夏季高性能耐久混凝土施工問題,具有十分重要的意義。

通過大幅度調整混凝土中的水泥用量和粉煤灰用量,減少和降低水泥的水化速率和水化熱,同時充分利用粉煤灰摻加到一定比例時產生的減水作用,進一步降低混凝土的水膠比,保證了混凝土緩凝性能,混凝土早期強度也滿足了正常施工的要求,從混凝土自身內因上最大限度降低和緩解了夏季施工所產生的危害;同時采取降低原材料溫度,減少混凝土在拌和、運輸過程中的吸熱,加強混凝土的養護等措施,成功解決了炎熱季節大體積墩臺高性能混凝土經時損失大、泵送時易堵管、澆筑困難、混凝土入模溫度高,易產生溫度裂縫等難題,既保證了高性能耐久混凝土質量,又加快了施工進度,還降低了混凝土成本。

2 大摻量粉煤灰高性能混凝土

目前,國內對大摻量粉煤灰高性能混凝土尚沒有統一的定義,有些研究者認為,當混凝土膠凝材料中粉煤灰用量超過水泥用量時,即粉煤灰摻量大于 50%時,便定義為大摻量粉煤灰高性能混凝土。在試驗中所采用的粉煤灰摻量為 50%～70%。

3 大摻量粉煤灰高性能混凝土試驗分析

通過配制和施工橋梁墩臺等大體積混凝土,對大摻量粉煤灰高性能混凝土的拌和物性能和硬化后的力學、耐久性能進行試驗分析。

試驗中選取 3種粉煤灰摻量(50%、55%、70%)配合比(表 1)進行試驗分析。

表1 混凝土配合比

3.1 試驗原材料

采用郴州東江金 P.O42.5水泥;耒陽大唐電廠風選 F類粉煤灰,燒失量 4.79%,需水量比 95%,細度13.9%;湘潭華強磨細礦粉,需水量比 98%,28 d活性指數 112%;仙嶺石場 5～31.5 m m連續級配碎石,三級摻配,含泥量 0.4%,泥塊含量 0.1%;耒陽銀州中砂,細度模數 2.9,含泥量 0.6%,泥塊含量 0.1%;山西凱迪 K D S P聚羧酸鹽高性能減水劑;拌和用水,p H值7.52。

選用表 1中 1--2、2--2、3--2、4--1配合比檢測在不同溫度條件下的初凝時間,試驗結果見圖 1。

3.2 混凝土拌和物性能試驗

3.2.1 凝結時間

圖 1 混凝土初凝時間與環境溫度關系曲線

從圖 1中可以看出,在環境溫度 20℃時,各配合比混凝土的初凝時間在 700～850 m i n,但隨著環境溫度的升高,各混凝土間的初凝時間差逐漸變大。在 40℃時,粉煤灰摻量 70%混凝土拌和物的初凝時間與摻量 50%的相差約 100 m i n,與參照配合比相比,相差250 m i n以上,由圖示中的結果進而說明大摻量粉煤灰混凝土在外部環境溫升較大時,其初凝時間的變化幅度較參照配合比小得多。主要原因是較大的粉煤灰摻量,能降低混凝土的水化速率,延長水化時間,即使在較高的環境溫度下,混凝土也具有較長的凝結時間。大摻量粉煤灰混凝土的這種特點,在夏季施工是非常有利的,特別對大體積混凝土工程,能避免施工冷縫的形成,降低混凝土塑性開裂的可能性,使混凝土表面不易產生裂縫,耐久性得以保證。

3.2.2 流動度(坍落度)損失

選取表 1中 1--2、2--2、3--2、4--1配合比檢測在環境溫度 40℃時混凝土拌和物的坍落度損失,試驗結果如圖 2所示。

圖 2 混凝土坍落度與時間關系曲線

由圖 2可知,在高環境溫度時,大摻量粉煤灰混凝土坍落度損失比參照配合比小,參照配合比混凝土拌和物 1h坍落度損失達 70 m m,2 h高達 140 m m,而大摻量粉煤灰混凝土 1h坍落度損失僅 20 m m左右,2 h損失亦不超過 70 m m,這對夏季混凝土的正常連續泵送施工是很有利的,還有利于混凝土的較遠距離和較長時間運輸。

按表 1中 2--2、3--2、4--1配合比分別澆筑尺寸150 c m×150 c m×150 c m混凝土試驗塊,預埋測溫元件,檢測混凝土在硬化過程中的溫度變化情況,測試結果詳見表 2和圖 3。

3.2.3 混凝土溫度

表2 混凝土試驗塊實測溫度

圖 3 混凝土試驗塊芯部溫度變化曲線

從表 2列的測量數據并結合圖 3可以看出,混凝土硬化過程中,大摻量粉煤灰混凝土溫峰出現時間較參照配合比混凝土溫峰出現時間晚,粉煤灰摻量 55%的溫峰出現時間 4～5d左右,溫度峰值 45～46℃,粉煤灰摻量 70%的溫峰出現時間 6～7 d左右,溫度峰值42～44℃,而參照配合比溫峰出現時間在 3 d左右,溫度峰值 52～55℃。隨著粉煤灰摻量的增大,混凝土芯部溫度變化曲線變得平緩,大摻量粉煤灰混凝土的溫度升降梯度明顯小于參照配合比混凝土的溫度升降梯度,從而可有效控制由于溫度應力而產生的溫度裂紋。

3.3 硬化混凝土的力學及耐久性能

按表 1中的混凝土配合比成型試件,測試混凝土的力學和耐久性能,結果見表 3和表 4。

3.3.1 力學性能

由表 3的數據可知,大摻量粉煤灰高性能混凝土在低水膠比(一般小于 0.35)的條件下,同樣具有良好的力學性能。立方體抗壓強度 56 d有 37～47 M P a,6個月高達 48～62 M P a,其 4個月和 6個月齡期的抗壓強度大部分高于參照配合比混凝土的抗壓強度,特別是大摻量粉煤灰高性能混凝土后期強度增長空間大,6個月較 56 d的增長幅度約為 30%以上,而參照配合比混凝土的增長幅度卻不到 20%,并且大摻量粉煤灰高性能混凝土有同參照配合比混凝土相近的彈性模量和劈裂抗拉強度,具有較好的抗變形和抗拉能力。通過對試驗數據的進一步分析,可以得出,大摻量粉煤灰高性能混凝土的抗壓強度受水膠比和粉煤灰摻量的影響較大,粉煤灰摻量在 50%～70%的大摻量粉煤灰混凝土水膠比低的,粉煤灰摻量低的,抗壓強度相對較高。

表3 混凝土力學性能試驗結果匯總

表4 混凝土耐久性能試驗結果匯總

3.3.2 耐久性能

從表 4所列的試驗結果可以看出,大摻量粉煤灰高性能混凝土 14d電通量高達3000～4 700 C,28 d亦有1400～2500C,而 6個月電通量僅為 350～500 C。因早期粉煤灰在混凝土中僅起填充作用,混凝土內部結構還不夠密實,有許多孔隙存在,從而導致混凝土的抗電離子滲透能力低,電通量值偏大,到后期由于粉煤灰的“微集料效應”和“火山灰效應”作用使混凝土變得更加致密,故其抗離子滲透和抗水滲透性能得到很大程度的提高。同時由試驗結果可知,大摻量粉煤灰混凝土電通量的大小主要取決于水膠比和粉煤灰摻量的高低,在一定的粉煤灰摻量范圍內,水膠比低的,粉煤灰摻量低的電通量值普遍偏小,特別在 56 d齡期以前更為明顯。

武廣鐵路客運專線中鐵五局施工段內的仙嶺、雷大橋、下鄧家灣、鄧家灣、顏家等特大橋的承臺均為大體積混凝土(單個承臺混凝土數量 200～400 m3不等),配筋較密,正常情況下混凝土運輸時間需 0.5～2 h。夏季施工期間,為保證混凝土的工程質量,除在施工工藝上采取了有效可行的措施外,同時使用了大摻量粉煤灰高性能混凝土配合比(表 1中 2--2配合比,粉煤灰摻量 55%,水膠比 0.34)。

施工中,混凝土拌和物工作性良好,各項指標均符合要求,泵送順暢,易振搗,混凝土均系連續一次性澆筑成型。承臺成品外觀色澤均勻、無蜂窩麻面、無施工冷縫,未出現有害裂紋,混凝土的強度和耐久性指標均滿足要求,結果見表 5。

另外,4個月齡期時,經觀測抗裂環形試件的側面無肉眼可見裂紋,碳化深度值為 0,膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕系數均大于 0.80。綜上所述,說明大摻量粉煤灰高性能混凝土在一定摻量范圍內具有良好的抗離子滲透、抗裂、抗碳化、抗水滲透、抗化學侵蝕等能力,耐久性能良好。

4 夏季施工應用實例

表5 承臺混凝土試件強度及電通量試驗結果匯總

5 結語

大摻量粉煤灰高性能混凝土由于其大摻量粉煤灰和低水泥用量的典型特點,使混凝土的水化速率和溫度升降梯度大幅降低,故夏季施工中,能有效避免坍落度損失過大、損失過快、凝固硬化過快,使混凝土具有良好的工作性,利于澆筑施工;而且還會減小混凝土的體積變化,防止混凝土早期開裂和溫度裂縫的產生,增強混凝土的抗裂性,同時使混凝土內部結構更加密實,保證了混凝土的力學和耐久性能。

但是,大摻量粉煤灰高性能混凝土也存在一定的局限性,在大量的試驗中發現:

(1)粉煤灰的摻量并不是越大越好,應根據原材料的性能和施工要求通過試配來確定合理的摻量;

(2)大摻量粉煤灰高性能混凝土拌和物的含氣量損失較其他混凝土快,施工中應重點控制;

(3)在低溫季節和冬期施工階段不宜采用大摻量粉煤灰高性能混凝土。

U 238;U444

B

1004-2954(2010)01-0113-03

2009-11-30

王憶寧(1963—),男,高級工程師。