礦物摻合料對(duì)干熱河谷地區(qū)混凝土性能影響研究★

呂劍鋒 梁麗敏 焦 巖 李世華 姜 磊

(云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

某高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋地處典型的干熱河谷地區(qū)，單幅橋?qū)?2.5 m，全長(zhǎng)488 m，其中主橋?yàn)槿邕B續(xù)剛構(gòu)橋。該地區(qū)具有降雨少、濕度小、蒸發(fā)大、日照充足、氣溫高等氣候特征。該橋0號(hào)塊混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55，垂直泵送高度98 m。0號(hào)節(jié)段作為連續(xù)剛構(gòu)橋中體積最大的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，其穩(wěn)定狀態(tài)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)質(zhì)量，受力情況在整個(gè)橋體中最為復(fù)雜[1]；且該地區(qū)“集熱效應(yīng)”較為突出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、用水量低、膠凝材料用量高、混凝土黏度高，易造成混凝土泵送阻力大、失水快、工作性損失大，混凝土的泵送施工控制難度進(jìn)一步加大[2]。

國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算和防裂技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但針對(duì)高溫炎熱環(huán)境下的公路橋梁大體積混凝土的研究比較少。且云南省全省范圍內(nèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰產(chǎn)量低，采用Ⅰ級(jí)粉煤灰進(jìn)行生產(chǎn)成本較高。本文以0號(hào)塊大體積泵送C55混凝土為研究對(duì)象，研究礦物摻合料種類(lèi)及摻量對(duì)高溫低濕環(huán)境下混凝土工作性能、力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性，并進(jìn)行工程應(yīng)用，旨在為高溫低濕環(huán)境下公路工程混凝土的施工提供理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用瀛洲P.O52.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表1；粉煤灰采用Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰，性能指標(biāo)見(jiàn)表2；粒化高爐礦渣粉采用紅河溶劑廠生產(chǎn)的S75級(jí)、S95級(jí)礦渣粉，性能指標(biāo)見(jiàn)表3；粗骨料選取5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值18.9%，針片狀顆粒含量3.0%；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量1.2%。外加劑選用固含量15%的高性能聚羧酸減水劑，減水率29%。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

表3 礦渣粉性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土的工作性能指標(biāo)參照GB/T 50080普通混凝土拌和物性能測(cè)試方法；混凝土抗壓強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量測(cè)試方法參照GB/T 50081普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%的標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)；混凝土的平板開(kāi)裂、非接觸收縮試驗(yàn)參照GB/T 50082普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)環(huán)境條件為日平均氣溫29 ℃，濕度53%，與施工同條件。

1.3 配合比

根據(jù)基于密實(shí)骨架堆積設(shè)計(jì)原理[3]及當(dāng)?shù)卦牧咸卣鬟M(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，選定水膠比為0.30，砂率40%，礦物摻合料摻量為20%，且采用S75級(jí)、S95級(jí)礦渣粉以及Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰單摻和復(fù)摻，并根據(jù)實(shí)際試配結(jié)果確定外加劑推薦摻量為2.2%，探究配合比參數(shù)對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能影響。混凝土的配合比見(jiàn)表4。

表4 混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物摻合料對(duì)混凝土泵送性能影響

表5是各組混凝土初始工作性及1 h經(jīng)時(shí)損失工作性指標(biāo)。由表5數(shù)據(jù)可知，礦物摻合料對(duì)新拌混凝土坍落度影響較小。

表5 礦物摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響

配合比6號(hào)的工作性能最佳，采用S95級(jí)礦渣粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰時(shí)工作性能略優(yōu)于S75級(jí)礦渣粉和Ⅱ級(jí)粉煤灰；采用粉煤灰和礦渣粉雙摻時(shí)其工作性能要優(yōu)于單摻，混凝土的整體和易性較好。混凝土坍落度均在210 mm以上，倒提時(shí)間在5 s以內(nèi)，擴(kuò)展度均大于550 mm，坍落度餅中心均未出現(xiàn)骨料堆積現(xiàn)象，邊緣均沒(méi)有出現(xiàn)漿體析出(見(jiàn)圖1)。

對(duì)于礦物摻合料而言，改善混凝土工作性能主要依靠其微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，改善作用與摻合料品質(zhì)正相關(guān)。選用優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料可有效解決超高泵送混凝土泵送難題的關(guān)鍵技術(shù)措施。

2.2 礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

表6為各組混凝土3 d，7 d，28 d抗壓強(qiáng)度和28 d靜力受壓彈性模量數(shù)據(jù)。由表6可知，不同摻量礦渣粉摻合混凝土的28 d強(qiáng)度均達(dá)設(shè)計(jì)值的125%以上，滿足設(shè)計(jì)及施工要求，且采用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料其28 d強(qiáng)度較S75級(jí)礦粉Ⅱ級(jí)粉煤灰有所提高。不同礦物摻合料摻合C55混凝土靜力受壓彈性模量在4.21×104MPa～4.38×104MPa之間，雙摻較單摻混凝土靜力受壓彈性模量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，優(yōu)質(zhì)礦物摻合料配制的混凝土靜力受壓彈性模量較Ⅱ級(jí)粉煤灰S75級(jí)礦渣粉略低。

表6 C55混凝土強(qiáng)度及靜力受壓彈性模量

通過(guò)對(duì)不同礦物摻合料C55預(yù)應(yīng)力混凝土靜力受壓彈性模量分析比較，分別采用單摻及雙摻的方式，混凝土靜力受壓彈性模量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，均滿足JTG D62—2012公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求(大于3.55×104MPa)，因此，選用Ⅱ級(jí)粉煤灰S75級(jí)礦渣粉配制C55預(yù)應(yīng)力混凝土可滿足施工要求。

2.3 礦物摻合料對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性研究

混凝土早期收縮性能的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 混凝土早期收縮率

由圖2可看出，混凝土25 h內(nèi)早期收縮程度較為嚴(yán)重，且采用雙摻配合比混凝土的早期收縮率較單摻略有提高；20 h～25 h時(shí)間段內(nèi)，采用S95級(jí)礦渣粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰配制的混凝土收縮率較大。C55預(yù)應(yīng)力混凝土水膠比較小，水占整個(gè)膠凝材料體系的比例較小，混凝土內(nèi)部水分更容易遷移至空氣中造成混凝土表面失水，因此，選用雙摻配合比進(jìn)行澆筑時(shí)，要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止裂縫的產(chǎn)生。

表8為C55預(yù)應(yīng)力混凝土平板開(kāi)裂指標(biāo)，由表8數(shù)據(jù)可知，C55預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂等級(jí)均可達(dá)到Ⅱ級(jí)。

表8 混凝土抗開(kāi)裂性能

當(dāng)?shù)V物摻合料摻量小于30%時(shí)，礦物摻合料的摻入可以有效減少水化熱，縮小硬化過(guò)程中各部分之間的溫度差，從而減輕各個(gè)部分之間因溫差過(guò)大引起不均勻收縮而導(dǎo)致的裂紋；而當(dāng)?shù)V物摻合料摻量大于30%時(shí)，礦物摻合料的摻入會(huì)導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，使混凝土的強(qiáng)度降低，抵御載荷的能力下降，從而在硬化過(guò)程中容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[4](見(jiàn)圖3)。

2.4 工程應(yīng)用

選擇泵送施工，設(shè)備選擇三一重工HBT80C型S閥電動(dòng)機(jī)拖泵,混凝土理論輸送壓力9.5 MPa/16.5 MPa(低壓/高壓)、混凝土理論輸送量80 m3/h/46 m3/h(低壓/高壓)。施工選擇直徑為125 mm泵管，經(jīng)過(guò)8個(gè)90°彎管垂直泵送98 m澆筑至0號(hào)塊頂端。

實(shí)際澆筑過(guò)程氣溫為34.3 ℃，相對(duì)濕度51%。混凝土出機(jī)后靜置20 min±5 min后，對(duì)其進(jìn)行初始工作性能測(cè)試。分別測(cè)試1 h和2 h時(shí)的經(jīng)時(shí)損失，工作性能見(jiàn)表9。

表9 混凝土出機(jī)工作性指標(biāo)

由表9可知新拌混凝土出機(jī)后的初始工作性能優(yōu)良，坍落度250 mm，擴(kuò)展度560 mm，倒提時(shí)間5.0 s；漿體包裹骨料均勻，坍落度餅由邊緣至中心骨料分布均勻，邊緣無(wú)漿體析出，中心無(wú)骨料堆積。

混凝土工作性能經(jīng)時(shí)損失數(shù)據(jù)表明：1 h經(jīng)時(shí)損失較小，靜置2 h后工作性能指標(biāo)出現(xiàn)一定程度經(jīng)時(shí)損失，混凝土經(jīng)時(shí)工作性能數(shù)據(jù)表明坍落度損失為10 mm，擴(kuò)展度損失30 mm，倒提時(shí)間延長(zhǎng)1.6 s。采用高保坍型外加劑，工作性經(jīng)時(shí)損失較小，混凝土和易性較好，未出現(xiàn)漿體析出現(xiàn)象，坍落度餅中心未出現(xiàn)骨料堆積現(xiàn)象，且混凝土狀態(tài)較為柔和，2 h后可滿足垂直泵送98 m要求。

混凝土運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)和出泵后的狀態(tài)見(jiàn)圖4。坍落度擴(kuò)展度損失較小，和易性較好，目測(cè)坍落度餅邊緣無(wú)析漿，中心無(wú)骨料堆積。具體性能指標(biāo)如表10所示。

表10 混凝土泵送工作性指標(biāo)

在混凝土收光終凝后，在混凝土表面先用塑料薄膜覆蓋一層，以封閉混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)的途徑，以達(dá)到防止水滲透的目的[5]；再覆蓋一層干棉被，減少混凝土表面熱量的散發(fā)，以保證混凝土芯表溫差控制在25 ℃范圍內(nèi)。混凝土覆蓋養(yǎng)護(hù)必須嚴(yán)密貼實(shí)，保溫材料幅邊搭接寬度不少于10 cm；考慮到后期水分蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土表面失水，養(yǎng)護(hù)期間時(shí)刻保持混凝土表面濕潤(rùn)，拆模后混凝土表面光滑，未出現(xiàn)裂縫。

3 結(jié)語(yǔ)

1)C55預(yù)應(yīng)力混凝土采用S95級(jí)礦渣粉、Ⅰ級(jí)粉煤灰雙摻可顯著提高混凝土工作性能，高保坍型減水劑時(shí)混凝土的工作性能最佳；60%減水母液+40%保坍母液復(fù)配的減水劑減水效果和保坍效果最佳，1 h后坍落度損失5 mm，擴(kuò)展度損失30 mm，倒提時(shí)間延長(zhǎng)1.5 s。

2)對(duì)于C55預(yù)應(yīng)力混凝土，礦物摻合料的加入對(duì)混凝土靜力受壓彈性模量影響較小，摻量為20%時(shí)(單摻或雙摻)，混凝土靜力受壓彈性模量大于3.55×104MPa；C55預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂等級(jí)均可達(dá)到Ⅱ級(jí)，采用雙摻配合比應(yīng)加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。

3)混凝土的生產(chǎn)和泵送工作性能檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：混凝土入泵坍落度在240 mm左右，擴(kuò)展度為530 mm左右，倒提時(shí)間7 s以內(nèi)，且目測(cè)混凝土和易性良好，可滿足垂直泵送98 m的工作性能要求。