橋梁用高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土配制試驗(yàn)研究

鄭 麗 陳露一 黃有強(qiáng) 張志豪

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸朝著復(fù)雜化、高強(qiáng)度、高性能的方向邁進(jìn)，各種大跨和新型結(jié)構(gòu)橋梁不斷出現(xiàn)，對(duì)混凝土的性能也提出了更高的要求。一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為了保證較好的穩(wěn)定性，往往需要配筋稠密且復(fù)雜，然而這種環(huán)境下混凝土難以振搗，有的特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細(xì)結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu)，振搗可操作空間有限，施工非常困難，施工質(zhì)量也難以保證。因此，這一類混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時(shí)需要混凝土具有好的施工性能和自填充性能，能夠通過鋼筋密集、結(jié)構(gòu)截面比較復(fù)雜的工程部位。

自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete，SCC)，是指在澆筑過程中無需施加任何振搗，僅依靠混凝土自重就能完全填充至模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙的高性能混凝土[1]。利用其自密實(shí)的工作特性，自密實(shí)混凝土可以在不利的施工條件下密實(shí)成型，避免因振搗不足而造成空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷，同時(shí)有效提高了澆筑速度，簡(jiǎn)化了混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝，降低了施工噪聲，節(jié)約了施工成本和勞動(dòng)力，也改善施工環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境[2]。

目前自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法有很多，其中可概括為固定砂石體積含量法、骨料比表面積法，以及全計(jì)算方法、改進(jìn)全計(jì)算法4種方法。但是大量試驗(yàn)證明，采用現(xiàn)有的配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的自密實(shí)混凝土的配合比，往往都需要先經(jīng)過試拌，查看其工作性能，再進(jìn)一步根據(jù)其強(qiáng)度來確認(rèn)最終配合比，其配合比設(shè)計(jì)的工作量往往是普通混凝土的好幾倍，難以快速準(zhǔn)確配制出滿足要求的自密實(shí)混凝土，同時(shí)原材料的變動(dòng)，也會(huì)對(duì)自密實(shí)混凝土產(chǎn)生很大的影響，甚至可能需要重新確定混凝土的配合比。因此，合理控制自密實(shí)混凝土原材料品質(zhì)，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)方法，對(duì)自密實(shí)混凝土的配制具有重要意義。

1 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

1.1 骨料比表面積法

骨料比表面積法是王海娜等[3]在原材料基礎(chǔ)上，建立骨料比表面積計(jì)算方法及富余漿量計(jì)算模型，理論研究原材料條件下的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，提出的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟。此方法提出了砂富余系數(shù)說法，認(rèn)為砂子填充完石子空隙后，若無富余量，則石子接觸面上無砂子起“滾珠”作用，則混凝土流動(dòng)性不能滿足，因此砂子一定有富余。與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土砂率應(yīng)更高，因此砂的富余系數(shù)一般取上限1.20～1.25。

1.2 固定砂石體積含量法

目前JGJ/T 283-2012 《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中所采用了固定砂石體積含量法，此方法給出了單位體積(m3)混凝土中砂石的體積含量范圍，認(rèn)為粗骨料的體積含量和砂在砂漿中的體積含量是影響拌合物流動(dòng)性的重要參數(shù)，這與普通混凝土有著明顯的區(qū)別。由于砂石參數(shù)取值的確定過于經(jīng)驗(yàn)化，也未考慮到原材料質(zhì)量變化對(duì)自密實(shí)混凝土的影響，因此，設(shè)計(jì)出的配合比均需要進(jìn)行適配調(diào)整。

1.3 全計(jì)算法

全計(jì)算法是由陳建奎[4]提出的，將推導(dǎo)出的高性能混凝土單位體積(m3)用水量和砂率的計(jì)算公式，與傳統(tǒng)水膠比定則結(jié)合，計(jì)算出混凝土各組分用量的計(jì)算方法。全計(jì)算法的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，混凝土各組分具有體積加和性，干砂漿填充石子空隙，水填充干砂漿空隙，而干砂漿由膠凝材料、砂和空隙組成。

由于高流變性能要求，自密實(shí)混凝土配合比需要有較小的粗骨料體積含量和足夠的砂漿，而全計(jì)算法計(jì)算出的漿骨比不能滿足此要求。同時(shí)全計(jì)算法計(jì)算出的砂率會(huì)隨用水量的降低而降低，造成混凝土的砂率偏小、石子的松堆體積偏大、漿體含量較少的現(xiàn)象。因此，全計(jì)算法可以用于大多數(shù)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)，但用于自密實(shí)混凝土配合設(shè)計(jì)時(shí)，存在一定的缺陷。

1.4 改進(jìn)全計(jì)算法

改進(jìn)全計(jì)算法是由中南大學(xué)余志武等[5]結(jié)合固定砂石體積含量法的特點(diǎn)，對(duì)全計(jì)算法用于計(jì)算自密實(shí)混凝土配合比時(shí)進(jìn)行改進(jìn)而提出的配合比設(shè)計(jì)方法。此方法中混凝土的配制強(qiáng)度、水膠比、用水量和膠凝材料及礦物摻合料用量的計(jì)算方法沿用了全計(jì)算法中的計(jì)算公式，砂石用量則采用了固定砂石體積含量法的計(jì)算方法計(jì)算，最終計(jì)算出自密實(shí)混凝土的配合比。

改進(jìn)全計(jì)算法仍存在原本高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的一些缺點(diǎn)，一般高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)跟自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)有較大差別，其設(shè)計(jì)方法中通常對(duì)混凝土拌合物工作性能體現(xiàn)不足，因此無法保證一次性成功配制。

由于設(shè)計(jì)理念的不同，4種自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的自密實(shí)混凝土差異性也較大，為了進(jìn)一步了解骨料比表面積法、固定砂石體積含量法、全計(jì)算方法，以及改進(jìn)全計(jì)算法在制備高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土?xí)r的準(zhǔn)確性，擬采用這4種配合比設(shè)計(jì)方法配制C50、C60強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土，得到適用于配制高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。

2 自密實(shí)混凝土的配制實(shí)例

2.1 原材料

配制自密實(shí)混凝土所用原材料信息，見表1。

表1 混凝土原材料基本信息

2.2 C50、C60自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)

根據(jù)4種配合比設(shè)計(jì)計(jì)算公式，計(jì)算出C50、C60等級(jí)強(qiáng)度自密實(shí)混凝土配合比，具體配合比見表2。其中：A為采用骨料比表面積法計(jì)算出的配合比；B為采用固定砂石體積含量法計(jì)算出的配合比；C為采用全計(jì)算法計(jì)算出的配合比；D為采用改進(jìn)全計(jì)算法計(jì)算出的配合比。表3為自密實(shí)混凝土工作性能指標(biāo)要求，對(duì)8組混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表4。

表2 不同配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的C50、C60配合比

表3 自密實(shí)混凝土拌合物工作性能指標(biāo)要求

表4 配制的自密實(shí)混凝土工作性能和強(qiáng)度

由表3和表4可知，4種計(jì)算方法設(shè)計(jì)出的混凝土配合比，總膠凝材料用量及砂率有較大差異，尤其是全計(jì)算法計(jì)算出的配合比，砂率偏小，沒有充足的砂漿來包裹石子，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生了泌漿的現(xiàn)象，另外3種計(jì)算方法設(shè)計(jì)的混凝土，工作性能差異較大，但基本都可以達(dá)到規(guī)定的性能要求。在混凝土力學(xué)性能方面，4種計(jì)算方法設(shè)計(jì)出的混凝土水灰比偏大，強(qiáng)度偏低，無法達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)，因此需要對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，在保證自密實(shí)混凝土工作性能的前提下，提高混凝土的強(qiáng)度。

為了確定出滿足要求的C50、C60自密實(shí)混凝土配合比，綜合考慮以上8組配合比的工作性能和力學(xué)性能，1B和2B 2組混凝土的28 d強(qiáng)度最高，因此以這2組配合比為基準(zhǔn)，進(jìn)行優(yōu)化。增加膠凝材料用量或降低水膠比是提高混凝土強(qiáng)度的有效途徑。1B和2B 2組配合比中，考慮到膠凝材料用量較大，因此，采用降低混凝土水膠比的方式來提高混凝土的強(qiáng)度。為了使混凝土中的石子能夠完全被砂漿包裹，同時(shí)又有適量的漿體可作為石子間的“潤(rùn)滑劑”，以保證混凝土的高流動(dòng)性和填充性，在降低水膠比后，需要相應(yīng)的提高砂率，以確保混凝土中的漿體總量。相較于水泥，礦粉粒徑更小，活性更高，具有較好的黏聚性，在C50混凝土配合比中，由于水膠比和砂率較大，混凝土容易產(chǎn)生離析、泌漿的現(xiàn)象，通過提高礦粉的摻量，改善混凝土工作性能的同時(shí)，也保證了混凝土的強(qiáng)度。

優(yōu)化后的配合比見表5。分別采用SC50、SC60表示C50、C60自密實(shí)混凝土，其工作性能和抗壓強(qiáng)度見6。

表5 優(yōu)化后的C50、C60自密實(shí)混凝土配合比

表6 優(yōu)化后的的C50、C60自密實(shí)混凝土工作性能和強(qiáng)度

由表6可知，通過優(yōu)化配合比，配制出的C50、C60自密實(shí)混凝土其工作性能和力學(xué)性能均滿足了配制要求。圖1、圖2分別為C50、C60自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度圖。由圖1、圖2可知，2組混凝土工作狀態(tài)優(yōu)良，工作性能更穩(wěn)定。

圖1 C50自密實(shí)混凝土工作狀態(tài)

圖2 C60自密實(shí)混凝土工作狀態(tài)

通過以上C50、C60自密實(shí)混凝土配合比試驗(yàn)，可以得到以下2個(gè)結(jié)論：①采用4種自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法配制高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土?xí)r，混凝土強(qiáng)度是主要難點(diǎn)，為了達(dá)到配制要求，需要對(duì)初始配合比進(jìn)行優(yōu)化。相對(duì)而言，宜采用固定砂石體積含量法配制高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土，設(shè)計(jì)出的混凝土最接近最優(yōu)配合比，可減少適配的工作量；②配制C50、C60自密實(shí)混凝土?xí)r，需要對(duì)混凝土的膠凝材料總量、水膠比及砂率進(jìn)行控制，以確保混凝土的工作性能和強(qiáng)度。C50等級(jí)混凝土的膠凝材料用量宜控制在(520±10) kg/m3，水膠比控制在0.30左右；C60等級(jí)混凝土的膠凝材料用量宜控制在(540±10) kg/m3，水膠比控制在0.28左右，2種等級(jí)混凝土的砂率皆控制在0.52左右，可有效保證混凝土的工作性能和強(qiáng)度，提高C50、C60自密實(shí)混凝土的配制成功率。

2.3 自密實(shí)混凝土的耐久性及體積穩(wěn)定性

按照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性測(cè)試方法》中的電通量法和快凍法，對(duì)配合比優(yōu)化后的C50、C60自密實(shí)混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性進(jìn)行測(cè)試，抗氯離子滲透性試驗(yàn)結(jié)果見表7、抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見圖3；按照接觸法，對(duì)混凝土的土干燥收縮率性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖4。

表7 氯離子電通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 混凝土抗凍性能

圖4 自密實(shí)混凝土干燥收縮性能

由表7試驗(yàn)結(jié)果可知，C50、C60自密實(shí)混凝土的電通量都在1 000 C以下，抗氯離子滲透性評(píng)價(jià)均為“極低”等級(jí)，可以滿足一般鐵路、公路施工規(guī)范的要求。

由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率逐漸增加，C50自密實(shí)混凝土抗凍性能夠達(dá)到F300等級(jí)，C60自密實(shí)混凝土抗凍性能夠達(dá)到F400等級(jí)，抗凍性能優(yōu)異，高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土具有較高的耐久性。

由圖4可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土的收縮率逐漸增大，早期收縮較劇烈，當(dāng)養(yǎng)護(hù)至60 d時(shí)，收縮速率逐漸趨于0，混凝土基本不再收縮，SC50、SC60的60 d最終收縮率分別為314×10-6，272×10-6，文獻(xiàn)[6-9]調(diào)研顯示，普通C50、C60的60 d干燥收縮率一般在(200～300)×10-6之間。相較于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，自密實(shí)混凝土膠凝材料用量大，但干燥收縮率與普通混凝土差別不大，說明優(yōu)化配制的C50、C60自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性與同強(qiáng)度等級(jí)下的普通混凝土相當(dāng)。

3 結(jié)語

自密實(shí)混凝土相對(duì)于普通混凝土，工作性能要求高，原材料品質(zhì)要求嚴(yán)格，在進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)前，需要對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，尤其是砂石材料的選擇。本文通過配制C50、C60高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土及其性能研究，得到了以下結(jié)論。

1) 采用骨料比表面積法、固定砂石體積含量法、全計(jì)算方法，以及改進(jìn)全計(jì)算法4種的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法配制高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土?xí)r，設(shè)計(jì)出的混凝土水膠比偏低，相對(duì)而言，采用固定砂石體積含量法計(jì)算出的配合比更準(zhǔn)確，但還是需要對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化。

2) 配制高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土?xí)r，需要對(duì)混凝土的主要膠凝材料總量、水膠比和砂率進(jìn)行控制，保證混凝土的工作性能和強(qiáng)度同時(shí)，提高配制C50、C60自密實(shí)混凝土的成功率。試驗(yàn)結(jié)論顯示：C50、C60自密實(shí)混凝土的膠凝材料用量最好控制在(520±10)kg/m3、(540±10)kg/m3，水膠比分別控制在0.30，0.28左右，砂率控制在0.52左右。

3) 高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土具有優(yōu)異的抗凍性能，C50等級(jí)混凝土抗凍性能夠達(dá)到F300等級(jí)，C60等級(jí)混凝土抗凍性能夠達(dá)到F400等級(jí)；抗氯離子滲透性也可滿足大部分設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；體積穩(wěn)定性與同強(qiáng)度等級(jí)下的普通混凝土相當(dāng)。