無預應力箱梁混凝土單摻礦粉配合比技術應用

張旭光，楊維國，游建華，姜鴻鵠，周 燦

（中建三局第三建設工程有限責任公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

江陰市芙蓉大道快速化改造工程中海港互通立交 H 匝道橋采用無預應力鋼筋混凝土連續箱梁結構，縱橫向均按鋼筋混凝土構件設計。施工前對周邊城市同種互通立交匝道橋進行了調研，發現箱梁采用普通混凝土澆筑后極易出現裂縫，尤以頂板橫向裂縫最為突出，且裂縫寬度大于0.20mm也存在多條，其中部分為貫通列縫。貫通裂縫的出現不僅會影響結構的耐久性，更嚴重可能造成結構的安全性。針對此種現象，對其原因進行了排查分析，主要原因是水泥水化熱過大，兩次澆筑混凝土收縮限制及養護保濕不到位等。針對此弊端，在混凝土配合比中摻加礦粉進行研究應用，并通過工程實例進行了總結。

礦渣是煉鐵過程中排出的工業廢料，其主要化學成分是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂等，其中玻璃體含量多，結構不穩定，潛在活性大，經細磨后才能使其潛在性能發揮出來。考慮到 H 匝道箱梁是無預應力設計，對于早期強度沒有特別要求，對于礦粉摻和具有可行性。礦粉膠凝系數高、強度發展比粉煤灰快，摻入礦粉能改善混凝土和易性和工作性，這種改善與表面特性和比表面積有關。這種表面特性使得水泥漿體之間形成光滑的移動面，礦粉顆粒與水泥顆粒在微觀狀態下形成較好的微觀顆粒級配，從而提高混凝土的密實性、和易性。同時，礦粉與水泥存在一定的價差，等量取代后經濟效益是顯而易見的，并且可以降低水化熱，延遲熱峰的出現，減少溫度應力而造成的混凝土裂縫。

1 工藝原理

礦渣微粉的細度比水泥顆粒細，在取代了部分水泥以后，這些小顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中，使膠凝材料具有更好的級配，形成了密實充填結構和細觀層次的自緊密堆積體系。同時還能降低標準稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動度，因此改善了和易性。填充作用的另一好處是增加了粘聚性，防止了泌水離析，改善了可泵性。在水泥水化初期，放熱集中，會造成坍落度損失，礦渣微粉加入后，由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的堿性條件下二次水化，因而它能延緩水化放熱，初始坍落度保持時間可以長一些，減少了由于溫升帶來的溫度裂縫。

2 原材料性能試驗

2.1 礦粉性能試驗

本試驗采用 S 95 礦渣微粉［1］，經過檢測，其各項性能如表 1 所示。

表1 礦粉性能指標

2.2 礦粉對水泥流動度的影響

以不摻和礦粉的 52.5 級普通硅酸鹽水泥作為比較基點，以不同摻量礦粉等量代替水泥進行水泥凈漿流動度對比試驗，所得結果如圖 1 所示。從圖 1 可以看出，在相同外加劑摻量與用水量下，摻加礦粉能明顯提高水泥凈漿流動度，并且隨著摻量的增加，流動度不斷增大，且達到一定程度后呈減緩趨勢。

圖1 礦粉對水泥流動度的影響

2.3 礦粉對水泥凝結時間的影響

以不摻和礦粉的 52.5 級普通硅酸鹽水泥作為比較基點，以不同摻量礦粉等量代替水泥進行凝結時間對比試驗，所得結果如圖 2 所示。

圖2 礦粉對水泥凝結時間的影響

由圖 2 可見，摻入礦粉可延長水泥凝結時間，適當延長水泥凝結時間，對大體積混凝土的施工非常有利，可防止水化熱集中釋放。特別是高強度混凝土，水泥用量大，水化放熱速度快，混凝土有開裂危險，摻入礦粉對控制混凝土溫升有顯著作用。

2.4 礦粉對抗滲性能的影響

為驗證摻礦粉混凝土的抗滲性能，采用水膠比為 0.32，礦粉摻量為 0 和 10 % 的配合比各成型了一組 6 個混凝土抗滲標準試件，標養 28 d 后進行抗滲試驗。試驗水壓從 0.1 MPa 開始，每隔 8 h 增加 0.1 MPa，逐級加壓至 1.4 MPa，并持壓 8 h 后停機。此時兩組試件頂面均無滲水現象，劈開后觀察滲水情況，不摻礦粉的試件滲水高度在 30～50 mm 之間，礦粉摻量 10 % 的試件滲水高度在 10～20 mm 之間。說明用礦渣微粉配制的混凝土密實性好，抗滲透能力強，適用于鋼筋混凝土防水結構。

2.5 礦粉對混凝土強度的影響

為了驗證摻礦粉混凝土的力學性能，采用相同原材而不同摻量的礦粉進行了試配，不同摻量的礦粉對混凝土抗壓強度影響的試驗結果如表 2 所示。

表2 礦粉對混凝土強度的影響匯總表

表 2 采用相同原材料而不同摻量的礦粉進行了試配，其結果：礦渣微粉摻量為 5、10、15、20 % 的混凝土 28 d 抗壓強度分別為 62.8、60.9、58.1、57.8 MPa，與不摻礦粉的強度基本無波動，3 d 強度較不摻礦粉略微下降；而 28 d 以后，礦粉對強度的貢獻則更大些；隨著礦粉的遞增，水膠比降低，和易性提高，但從早期強度考慮，以摻量不超過 15 % 為宜。

3 配合比設計及確定

通過礦粉對混凝土強度的影響，進行基準混凝土配合比的設計［2］，確定各材料的用量來滿足混凝土性能的要求。

3.1 基礎資料

詳細的設計要求及相關的設計相關參數如表3 所示。

表3 設計參數表

3.2 計算步驟

3.2.1 計算配制強度

fcu，0≥fcu，k＋1.645σ≥50＋1.645×6＝59.9 MPa。式中：fcu，0為混凝土配制強度，MPa；fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；σ 為混凝土強度標準差，MPa，標準差根據 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》表 4.0.2 取值。

3.2.2 計算水膠比

式中：W/B為混凝土水膠比；ɑɑɑb為回歸系數，根據 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》表 5.1.2 碎石取值，ɑɑ取值 0.53，ɑb取值 0.2；fb為膠凝材料 28 d 膠砂強度，MPa，經實測取值。

考慮不同地區原材料特性及本工程提高強度富余量，依據經驗取水膠比為 0.32。

3.2.3 計算用水量

依據 JGJ 55－2011《普通混凝土配合比設計規程》，查表 5.2.1-2 及經驗值，未摻減水劑時推定滿足坍落度的單位用水量 mwo=244 kg。

使用減水劑（該減水劑減水率為 28.4 %），摻量為1.3 %，則用水量為：

式中：mwo為滿足實際塌落度要求的每立方米混凝土用水量，kg/m3；mwo’為未摻外加劑推定滿足實際塌落度要求的每立方米混凝土用水量，kg/m3；β為外加劑減水率。

3.2.4 計算膠凝材料用量和減水劑用量

式中：mb0為計算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mw0為計算配合比每 m3混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

則減水劑用量：m外=480×1.3%=6.24kg/m3；

礦粉用量為：K=480×0.10=50 kg/m3（其中礦粉取代膠凝材料總用量的 10 %）；

水泥用量為：C=480-50=430 kg/m3。

3.2.5 計算砂石用量

根據經驗取砂率 β s：3 8 %；混凝土質量為2 450 kg/m3；

經計算，砂用量 ms=710 kg/m3；碎石用量 mg=1 111 kg/m3。

根據上述計算結果確定 C50 混凝土試拌配合比如表 4 所示（水膠比 0.32）。

表4 混凝土試拌配合比 kg/m3

3.3 調整水膠比確定兩種試拌配合比

通過在基準水膠比 0.32 的基礎上，上浮和下浮0.02，驗證不同配合比下混凝土的各種性能和狀態，以確定最優的配合比作為施工配合比的依據。

3.3.1 基準水膠比上浮 0.02（0.34）配合比計算（見表 5）

1）用水量保持不變：mw=154 kg/m3。

2）膠凝材料用量：

式中：mb0為計算配合比每 m3混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mw0為計算配合比每 m3混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

礦粉用量為：K=453×0.10=45 kg/m3，其中礦粉取代膠凝材料總用量的10%

水泥用量為：C=453-45=408 kg/m3。

3）減水劑用量：m外=453×1.3 %=5.89 kg/m3。

4）采用假定容重法計算粗、細骨料用量。

砂率選用 39 %，混凝土質量為 2 450 kg/m3。

經計算，砂用量 ms=719 kg/m3；碎石用量 mg=1 124 kg/m3。

表5 水灰比增加 0.02 的配合比（水灰比 0.34） kg/m3

3.3.2 基準水膠比下浮 0.02（0.30）的配合比計算（見表 6）

1）用水量保持不變：mw=154 kg/m3；

2）膠凝材料用量：

式中：mbo為計算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；mwo為計算配合比每立方米混凝土用水量，kg/m3；W/B為混凝土水膠比。

礦粉用量為：K=513×0.10=51 kg/m3，其中礦粉取代膠凝材料總用量的 10 %；

水泥用量為：mc=513-51=462 kg/m3。

3）減水劑用量：m外=513×1.3 %=6.67 kg/m3。

4）采用假定容重法計算粗、細骨料用量。

砂率選用 39 %，混凝土質量為 2 450 kg/m3。

經計算，砂用量 ms=678 kg/m3；碎石用量mg=1 088 kg/m3。

表6 水灰比減少 0.02 的配合比（水灰比 0.30） kg/m3

3.4 試拌結果對比

通過 0.30、0.32、0.34 三種不同水灰比的試拌試驗，得出 3 種不同水膠比下拌合物的各項參數如表 7 所示。

經檢測混凝土拌合物表觀密度實測值與計算值之差的絕對值均不超過計算值的 2 %；根據混凝土強度實測值選用水膠比為 0.32 時的混凝土配合比為試驗室配合比。確定的試驗室配合比如表 8 所示。

表7 不同水灰比下拌合物性能對照表

表8 確定的試驗室配合比

4 施工質量控制

4.1 施工配合比控制

1）混凝土生產前，及時檢測材料含水率，根據含水率計算施工配合比，保證混凝土的水膠比，保證混凝土的強度。

2）定期檢查物料稱重系統，保證拌和材料質量偏差在允許范圍之內。

4.2 原材料質量控制

1）生產混凝土前對混凝土原材及時抽檢，保證材料合格后投入使用；

2）控制砂的細度模數在 2.6～2.9 之間；

3）石子的壓碎值在 20 以內；

4）礦粉質量滿足 S95 要求；

5）水泥 3 d 強度滿足 52.5 級水泥要求。

4.3 控制生產施工過程

1）對混凝土進行拌和時，嚴格控制拌和時間，不得小于 90 s。

2）保證振搗充分，不漏振，不過振，確保混凝土的密實性。

3）及時對澆筑部件進行養護，土工布覆蓋到位，不間斷灑水養護。

5 實施效果

5.1 強度檢測

對同條件試塊進行 28 d 抗壓強度檢測，檢測結果分別為 58.7、59.4、58.2、58.8、58.1 MPa，均滿足設計要求；并且對 3 個箱室進行回彈檢測，隨機抽取 30 個測區，評定結果分別為 54.2、55.1、54.8 MPa，均滿足設計要求。

5.2 裂縫分析

H 匝道第一聯拆模后，對實體外觀進行檢測，共發現 3 道橫向裂縫，裂縫寬度分別為 0.12、0.06、0.07 mm，裂縫深度分別為 28、17、19 mm。裂縫情況較類似互通匝道有明顯改觀。

6 結語

本工程通過對礦粉混凝土的試驗及應用，降低了混凝土的水化熱，延遲了熱峰的出現，成功改善了鋼筋混凝土連續箱梁結構的裂縫問題，且 7 d 及 28 d 強度滿足設計要求并有一定的富余量；該工程的 H 匝道橋施工質量顯示，無預應力鋼筋混凝土連續箱梁結構混凝土配比摻加礦粉基本達到預期效果，對今后此類箱梁澆筑有一定的借鑒作用。