礦物摻合料對橋塔混凝土性能與微結構的影響

徐小華，謝俊凡，夏偉航，李北星

（1.湖北省赤壁長江公路大橋有限公司，湖北 赤壁 437300；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

赤壁長江公路大橋主橋設計為雙塔雙索面結合梁斜拉橋，橋塔結構橫橋向為H 形結構，北塔高217.33 m，南塔高223.0 m，混凝土設計C50強度。橋塔混凝土施工中存在高程泵送、裂縫控制、外觀質量提升和耐久性要求高等技術難題，其中的下塔柱起步段、下橫梁與塔柱連接處等部位屬于大體積高強混凝土，易產生溫度裂縫；上塔柱高空豎向結構施工難以實施良好養護，增大早期收縮開裂風險，降低混凝土耐久性尤其是表層結構的抗滲和碳化耐久性。國內已建成的大跨徑混凝土斜拉橋混凝土橋塔發生開裂現象較為普遍[1-5]，主要為豎向裂縫。因此，橋塔混凝土的施工須解決可泵性與抗裂性問題。

根據不同高程對混凝土泵送工作性與抗裂性要求及施工養護難易程度的差異，將塔柱混凝土配合比分為3 個部位進行設計和性能研究：下塔柱、下橫梁大體積抗裂性混凝土；中塔柱高程泵送高性能混凝土（泵送高度約＜150 m）；上塔柱及上橫梁超高程泵送高性能混凝土（泵送高度≥150 m）。本文對比研究了單摻粉煤灰、復摻粉煤灰和礦粉配制的橋塔C50 混凝土性能，并分析了礦物摻合料對橋塔混凝土亞微觀結構的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1） 水泥：華新水泥股份有限公司黃石廠P.O42.5 水泥，3 d 抗壓強度為 31.5 MPa，28 d 抗壓強度為48.0 MPa。

2） 粉煤灰：華能岳陽電廠F 類I 級粉煤灰（FA），需水量比93%，細度（45 μm 方孔篩篩余）為7.3%。

3） 礦粉：荊州中和新型建材有限責任公司S95 級磨細礦渣粉（KF），比表面積425 m2/kg，流動度比100%，28 d 膠砂活性指數104%。

4） 細骨料：岳陽洞庭湖河砂，細度模數2.81，含泥量1.6%。

5） 粗骨料：湖南臨湘凡泰碎石，壓碎值15.1%，針片狀含量4.9%；5~20 mm 二級配，4.75~9.5 mm 與 9.5~19.0 mm 摻配比例為 2∶8。

6）外加劑：江蘇博特PCA-1 緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率為27%。

1.2 試驗方法

1） 混凝土拌合物工作性依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，力學性能依據JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行?？箟簭姸仍嚰?50 mm×150 mm×150 mm 立方體，抗壓彈性模量試件為 150 mm×150 mm×300 mm 棱柱體。

2）混凝土抗氯離子滲透性試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中電通量法和氯離子擴散系數快速測定的RCM 法分別進行測定，試件尺寸為φ100 mm×50 mm。

3）碳化試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，改為養護7 d 后進行碳化試驗。

4）混凝土干燥收縮依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的接觸法收縮試驗來測定，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件標準養護3 d 后開始干縮試驗，干縮室溫度（20±2）℃，相對濕度（60±5）%。采用千分表測量試件的長度變化。

5）摻礦物摻合料的水泥膠砂試樣孔結構測定采用Auto Pore IV9510 型壓汞儀，微結構和水化產物形貌觀察采用JSM-5610LV 型場發射環境掃描電鏡（SEM）。膠砂試樣配比為膠砂比1∶3、水膠比0.30，并摻入膠凝材料用量1.2%的聚羧酸減水劑，以調整膠砂跳桌流動度達（180±10）mm。

1.3 混凝土配合比

表1 為試驗用配合比。

表1 橋塔C50 混凝土配合比設計Table 1 Mix proportion design of C50 concrete for bridge tower

在 表1 中 ， T470F20K10、 T480F15K10 和T490F15K10 這3 個復摻粉煤灰和礦粉的配合比是經過優化確定擬分別用于下塔柱和下橫梁、中塔柱、上塔柱和上橫梁的混凝土配合比，隨著泵送高度上升，膠凝材料用量有所增加。另外，3 個單摻粉煤灰15%、20%、25%的混凝土配合比也是橋塔混凝土以前施工常用配比，作為與復摻粉煤灰和礦粉混凝土對比試驗用。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土工作性與力學性能

由表2 橋塔混凝土基本性能可知，擬用于橋塔不同高程施工的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 這3 個復摻粉煤灰和礦粉配比在保持水膠比固定和減水劑摻量不變情況下，隨膠凝材料漿體數量增加，混凝土坍落度和擴展度增加，其中配比T490F15K10 坍落度為235 mm，擴展度達630 mm，完全能滿足上塔柱超高程泵送的流動性要求；該3 組混凝土的抗壓強度7 d 齡期均超過50 MPa，28 d 強度相對于標準要求的59.9 MPa試配強度有較大富余，且較7 d強度有較大增長，增幅達21.8%~31.4%，強度隨齡期增長的幅度高于單摻粉煤灰的3 個配比。3 組復摻粉煤灰和礦粉混凝土的彈性模量差別不大，28 d 彈性模量值均超過了40 GPa 的試配要求。另外，單摻粉煤灰的混凝土中，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土流動性有所增大，抗壓強度和彈性模量隨之降低，且強度值小于復摻粉煤灰和礦粉配比。

基于上述理論分析結果，通過分別具有梯形機構及回轉支承的兩臺架車，對其在轉向過程中的操作力大小進行對比試驗驗證，初始條件如下：

表2 橋塔混凝土工作性與力學性能Table 2 Workability and mechanical properties of bridge tower concrete

2.2 混凝土抗氯離子滲透性

由表3 結果可以看出，除基準樣T480F0 外，其他6 組試樣28 d 電通量均小于1 000 C，84 d氯離子擴散系數均小于3.5×10-12m2/s，符合橋塔混凝土耐久性設計指標要求。相比而言，復摻25%~30%粉煤灰和礦粉的3 組混凝土電通量整體低于單摻粉煤灰15%~25%的3 組混凝土，氯離子擴散系數也小，表明復摻粉煤灰和礦粉混凝土試樣密實性更高，抗氯離子滲透性更強。參考JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性評定標準》中抗氯離子滲透性能等級劃分標準，以28 d 電通量值為劃分依據，橋塔T480F15K10 配比的抗氯離子滲透性等級達到了很好級（Q-Ⅴ），另2 個復摻粉煤灰和礦粉配比達到了好級（Q-Ⅳ）；以84 d 氯離子擴散系數值為依據，橋塔T470F20K10 配比的抗氯離子滲透性等級達到了很好級（RCM-Ⅴ），另2 個復摻粉煤灰和礦粉配比達到了好級（RCM-Ⅳ）。

表3 橋塔混凝土抗氯離子滲透性Table 3 Resistance to chloride ion permeability of bridge tower concrete

2.3 混凝土抗碳化性能

表4 是橋塔混凝土碳化56 d 的試驗結果。可以看出，基準樣T480F0 配比的碳化深度最小，而隨著礦物摻合料摻量增多，混凝土碳化深度增大。這一方面是因為礦物摻合料的摻入降低了水泥用量，進而減少了早期水化反應形成的Ca（OH）2數量；另一方面，后期礦物摻合料的二次水化反應，進一步消耗大量的Ca（OH）2，上述兩方面的作用使混凝土堿儲備量明顯下降，導致混凝土抵抗CO2的侵蝕能力較弱[6]，從而加速了碳化進程。相比而言，同摻量礦物摻合料下，復摻粉煤灰和礦粉的T480F15K10 配比抗碳化性能好于單摻粉煤灰的T480F25。參照《混凝土耐久性評定標準》對抗碳化性能等級劃分標準，擬用于橋塔施工的3組復摻粉煤灰和礦粉混凝土的28 d 碳化深度均小于5 cm，抗碳化性能等級評定為T-Ⅳ級（好級）。

表4 橋塔混凝土碳化深度Table 4 Carbonation depth of bridge tower concrete

2.4 混凝土干燥收縮

對擬用于橋塔施工的3 組C50 混凝土干燥收縮進行了試驗，結果見圖1 所示。

圖1 混凝土干縮曲線圖Fig.1 Drying shrinkage curve of concrete

結果顯示：

1）3 組試樣的干縮率隨齡期的增加而增大，在28 d 之內干縮增長最為顯著，28 d 干縮率已達90 d 的84.8%~88.8%，在28~56 d 之間的干縮增長變得緩慢，56 d 之后趨于穩定。

2）3 組試樣90 d 干縮值均滿足小于400×10-6的設計要求。參考DB32/T 2170—2012《低收縮低徐變橋梁高性能混凝土技術規程》，T470F20K10、T480F15K10 兩個配比的28 d 干縮值也符合該規程規定的低收縮橋梁混凝土28 d 齡期干縮值小于250×10-6的技術要求。

3） 與 T480F15K10 和 T490F15K10 相 比 ，T470F20K10 試樣90 d 干燥收縮率分別減小了12.1%、20.5%。這主要是因為T470F20K10 配比的膠凝材料用量最低，其中的粉煤灰摻量又最大，降低了膠凝材料體系的收縮。粉煤灰在早期對膠凝體系的水化抑制作用及粉煤灰的微集料填充、火山灰效應增加了混凝土的密實性[7-8]，加之粉煤灰顆粒的彈性模量高于水泥顆粒，在水泥漿體內起著限制漿體收縮的作用，這些均促成了粉煤灰能夠減少混凝土的干縮。

2.5 孔結構分析

混凝土的孔結構對力學性能和耐久性都有很大的影響，因此研究孔結構對改善混凝土的性能具有不可或缺的作用。我國吳中偉院士[9]將混凝土孔結構按大小及是否有害分為四級：孔徑小于20 nm為無害孔，孔徑處于20~100 nm 為少害孔，孔徑處于100~200 nm 為有害孔，孔徑超過200 nm 為多害孔。圖2 是4 組不同摻合料摻量的混凝土微分孔體積分布曲線，表5 是4 組摻入不同礦物摻合料的膠砂試樣孔結構參數測定結果。

圖2 不同摻合料摻量的混凝土微分孔體積分布曲線Fig.2 Distribution curve of differential pore volume for concrete with different content of mineral admixtures

表5 不同礦物摻合料膠砂的孔結構特征參數Table 5 Characteristic parameters of pore structure of mortar with different mineral admixtures

由圖2 和表5 可以看出：1）與純水泥試樣F0相比，復摻粉煤灰和礦粉的F10K10、F20K10 膠砂試樣總孔隙體積降低了9.3%、11.4%，平均孔徑降低了8.3%、20%，孔隙率降低了11.1%、12.7%，且F10K10、F20K10 孔徑分布中小于20 nm 的無害孔顯著增多，而多害孔有一定程度下降，相比而言F20K10 膠砂孔結構優于F10K10 膠砂；2）摻合料摻量同為20%的F10K10 和F20 試樣，F10K10 較F20 試樣總孔隙體積、平均孔徑、孔隙率分別降低了4.3%、6.2%、7.6%，且小于100 nm 的無害孔和少害孔有所增長，而大于200 nm 的多害孔顯著降低。上述結果表明，摻入適量礦物摻合料不僅能降低混凝土的孔隙率，而且可細化孔尺寸，使無害孔增多、多害孔減少，從而增進混凝土的密實度，由此可改善混凝土的力學性能和耐久性。另外，在礦物摻合料摻量相同條件下，粉煤灰與礦粉的復摻對孔結構的改善作用優于單摻粉煤灰，主要是由于粉煤灰與礦粉二者在粒徑疊加和成分互補的物理與化學效應。礦物摻合料對混凝土孔結構的改善主要歸結于其火山灰效應和微集料填充作用，摻合料的二次水化反應減少了混凝土中對強度不利的Ca（OH）2的含量，形成了更多低鈣硅比的低堿性C-S-H 凝膠而共同改善了漿體-骨料界面結構，二次水化產物的形成和摻合料細粉的微集料填充效應又共同細化了混凝土的孔結構，降低了孔隙率。

2.6 SEM 分析

圖3 是4 組摻入不同礦物摻合料的膠砂試樣水化28 d 的微觀形貌SEM 照片。純水泥試樣F0水化生成大量絮凝狀C-S-H 凝膠產物，同時也生成大量板狀CH 晶體呈規則的定向排列；F20 試樣中圓球形粉煤灰顆粒表面已覆蓋了一層水化產物，其周邊存在許多絮凝狀C-S-H 凝膠產物，仍能觀察到粉煤灰的較完整形貌，說明粉煤灰在28 d 齡期并未完全水化；F10K10、F20K10 兩個試樣中，均能看到表面已發生水化的粉煤灰顆粒，而無法觀察到完整的不規則礦粉顆粒，其與周邊水化產物融為一體，表明礦粉水化程度較粉煤灰更為充分。相比F20，F10K10 和F20K10 的內部微結構更為致密。

圖3 不同礦物摻合料膠砂水化28 d 齡期SEM 照片Fig.3 SEM photographs for mortar hydrated at 28 d age with different mineral admixtures

3 結語

1）基于橋塔不同高程對混凝土泵送工作性與抗裂性要求的差異及施工養護的難易程度，設計的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 三個復摻粉煤灰和礦粉C50 混凝土配合比，不僅工作性和強度符合設計和施工要求，且抗氯離子滲透性、抗碳化性能達到好級或很好級，干縮值較低。

2）橋塔混凝土采用單摻粉煤灰時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土流動性增大，抗壓強度和彈性模量隨之降低，抗碳化性能下降，抗氯離子滲透性增強。而采用復摻粉煤灰和礦粉配制時，總礦物摻合料摻量相同情況下，其強度和彈性模量高于單摻粉煤灰混凝土，且后期強度增幅顯著，抗氯離子滲透性和抗碳化性也優于單摻粉煤灰混凝土。

3）礦物摻合料的火山灰效應和微集料填充效應細化了混凝土孔結構，降低了孔隙率，提高了密實度，改善了界面過渡區微結構，共同參與了對混凝土的力學性能和耐久性改善。在礦物摻合料摻量相同條件下，粉煤灰與礦粉的復摻對孔結構的改善作用優于單摻粉煤灰。