全天然卵石C50箱梁混凝土力學特性研究

王 薇,秦明強,葉志坤

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司,武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室,武漢 430040)

塞爾維亞多瑙河大橋為中國進出口銀行貸款項目，中國單位設計施工總承包，為變截面預應力混凝土連續梁橋，2014年12月建成通車。該工程一個顯著的特點為采用天然卵石來配制全橋的樁基、承臺、墩身和預應力梁等結構混凝土。在塞爾維亞國內，礦山資源較少，但流經塞爾維亞的多瑙河底有豐富的卵石資源可打撈供使用。為保護生態環境，該國一直使用天然卵石來配制水泥混凝土，服役70余年的柏系卡橋為公鐵兩用橋，至今仍然發揮著重要作用，其混凝土骨料均采用天然卵石。

目前，絕大部分混凝土采用碎石或破碎卵石作為粗骨料。有研究表明[1,2]，與碎石相比，天然卵石顆粒級配差、空隙率高、表面棱角少、與水泥漿體結合性差，因而對于高強或有抗滲要求的混凝土，天然卵石應用較少。但由于近年來大規模土木工程建設，良好的石材資源日益枯竭；國家對環境保護日益重視，提倡可持續發展，走“綠色經濟、綠色產業、綠色建筑”之路。基于此，研究以多瑙河大橋為工程依托，探討使用全天然卵石配制C50箱梁混凝土，對比研究全天然卵石混凝土與碎石混凝土力學特性的差異。

1 試驗原材料

擬配制的箱梁混凝土抗壓強度等級為C50，坍落度要求為160～220 mm，初凝時間不小于10 h，混凝土所用骨料粒徑為0～16 mm。試驗用原材料如下：

1)水泥：拉法基PC42.5R水泥，比表面積400 m3/kg，28 d抗壓強度57.8 MPa。

2)細集料：河砂，細度模數2.3，表觀密度2 667 kg/m3，堆積密度1 840 kg/m3，含泥量0.92%，泥塊含量0.1%。

3)外加劑：西卡聚羧酸外加劑，固含量27.4%，減水率34.3%。

4)卵石：5～10 mm、10～20 mm兩種粒徑，經試驗室級配篩分試驗，按3∶7混合后獲得孔隙率最低的卵石級配。試驗用卵石物理性能指標如表1所示。

5)對比試驗用碎石。武漢江夏采石場5～20 cm連續級配碎石。物理性能指標如表1所示。

表1 試驗卵石物理性能指標

2 同水膠比條件下的不同骨料混凝土性能差異對比

為對比卵石與碎石作為粗骨料配制混凝土的差異，選取固定膠凝材料用量和比例，不同水膠比混凝土，通過調節單方用水量和外加劑摻量達到接近的坍落度，測試配合比的擴展度、含氣量、容重以及7 d和28 d抗壓強度。試驗用配合比見表2，各配合比混凝土的性能見表3。

表2 卵石與碎石混凝土性能對比試驗用配合比

表3 卵石與碎石混凝土性能對比

2.1 工作性能

在其他配合比參數相同的情況下，僅改變外加劑摻量時，碎石與卵石混凝土在水膠比為0.44情況下，卵石混凝土外加劑摻量較少時基本能達到與碎石相同的工作強度；在水膠比為0.40和0.36時與水膠比為0.44時規律一致，即在相同配合比下，卵石混凝土工作性能優于碎石混凝土，主要有兩方面的原因：其一，卵石表面光滑、粒形圓潤，漿體流動性較好，而碎石多棱角，漿體流動時摩擦阻力大，流動性較差；其二，卵石的吸水率小于碎石，在相同混凝土單方用水量情況下，卵石混凝土自由水量多于碎石混凝土。

對比其他配合比參數相同情況下，卵石混凝土的含氣量、容重與碎石混凝土無明顯差異。

2.2 力學性能

圖1為同水膠比下碎石混凝土與卵石混凝土7 d、28 d抗壓強度。由圖可知，分別選用碎石、卵石兩種骨料時，在配合比相同情況下(水膠比分別為0.44、0.40和0.36)，碎石組(LS01、LS04、LS07)7 d和28 d抗壓強度均高于卵石組(LS02、LS05、LS08)抗壓強度。分析原因為：碎石的比表面積大于卵石、碎石表面粗糙而卵石表面較為光滑，使得水泥水化產物與碎石骨料顆粒間更好接觸，并且水泥水化產生的氫氧化鈣更容易與碎石表面反應成生成水化硅酸鈣并附著在表面粗糙的碎石上，從而使膠凝材料跟骨料更好地粘接[3-5]。

從表3可以看出，對比LS01、LS02、LS03、LS06組，當卵石混凝土水膠比相比碎石混凝土降低0.06時兩者28 d抗壓強度基本相當；對比LS04、LS05、LS06、LS09組與LS07、LS08、LS09、LS10組，水膠比分別降低0.06與0.04時兩者28 d抗壓強度基本相當；橋梁混凝土常用的強度等級一般為C35～C50，與該研究所示的抗壓強度范圍一致，為配制相同的抗壓強度混凝土，卵石混凝土與碎石混凝土相比，水膠比需有一定程度的降低，降低幅度約為0.04～0.06。

3 同抗壓強度條件下骨料類型對混凝土力學特性的影響

同水膠比條件下，卵石混凝土抗壓強度低于碎石混凝土；而通過使用高性能減水劑、改善水膠比及提高膠凝材料用量，混凝土抗壓強度可大幅提高。通過配合比調整優化，使用卵石配制出與碎石混凝土抗壓強度相同，滿足設計要求的箱梁混凝土。同抗壓強度混凝土配合比如表4所示。

表4 同強度混凝土試驗配合比

使用LS11、LS12配合比進行抗壓強度、抗折強度、軸心抗壓強度和彈性模量試驗，以研究同抗壓強度條件下，碎石與天然卵石混凝土的力學特性。試驗結果對比如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可見，不同齡期的碎石混凝土抗壓強度、軸心抗壓強度與卵石混凝土相近，屬于同強度配合比。而同強度條件下卵石混凝土的抗折強度、彈性模量均稍低于碎石混凝土，相比碎石混凝土分別降低為4.8%和6.3%，兩者差異基本可忽略。

使用LS11、LS12配合比，針對卵石混凝土和碎石混凝土，分別開展10組抗壓強度試驗，以研究不同骨料對混凝土力學性能離散性影響，并對比不同骨料混凝土的拉壓比。試驗結果見圖6、圖7。

試驗配合比的28 d抗壓強度最大值、最小值、均值與標準差以及平均拉壓比如表5所示。

表5 抗壓強度值、標準差及平均拉壓比

由表5可見，在抗壓強度相近的情況下，碎石混凝土的標準偏差大于卵石混凝土，表明卵石混凝土的抗壓強度離散性更小，有利于混凝土質量控制。

4 結 語

a. 配制卵石混凝土時水膠比較碎石混凝土有一定程度的降低，對于C50箱梁混凝土而言，水膠比約降低0.04～0.06；容重根據骨料的松散堆積密度或容重實測值進行調整。

b.同抗壓強度情況下，卵石混凝土的抗折強度、軸心抗壓強度、彈性模量基本與碎石混凝土相當、拉壓比低于碎石混凝土，抗壓強度偏差小于碎石混凝土。

[1] 徐 欣,劉金才,顏萬軍,等.用卵石配制高強高性能混凝土的探討[J].混凝土,2001(5):51-53.

[2] 陳積光,肖四喜,曾文德,等.碎石混凝土與卵石混凝土雙向拉伸強度研究[J].混凝土,2007(8):61-64.

[3] 李樹山,高丹盈.粗骨料粒徑對卵石混凝土抗壓強度影響的試驗研究[J].混凝土,2013(2):59-63.

[4] 秦明強,陳夢義,葉志坤,等. 天然卵石集料配制C50梁混凝土研究[J].建材世界,2015, 36(6):25-28.

[5] 邢 斌,張戎令.高性能混凝土粗骨料碎卵石破碎面研究[J].混凝土,2011(12):90-93.