高速公路預制T梁用高性能混凝土性能研究

馬 駿

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

0 引 言

隨著我國“十三五”規劃進程的發展，居民交通出行的基礎設施完善日趨嚴峻，高速公路、高速鐵路的建設規劃日益增多，混凝土以其高強度、施工性強、價格低廉等諸多優點成為建設過程中無可替代的建筑材料。高速公路建設過程中以混凝土結構為基礎，施工中發揮材料的優良性能，確保高速公路整體混凝土結構的穩定性，提高服役年限，為交通行業的發展提供強有力支撐。我國高速公路現行T梁跨度尺寸為30 m、35 m、40 m，受T梁自身結構影響，預制T梁膠凝材料中水泥均采用52.5水泥，其配合比設計遵循高性能、高強度混凝土設計規范，強度、耐久性評價標準已標養28 d強度為準。

1950年5月美國學者首次提出高性能混凝土的概念，高性能混凝土（high performance concrete，簡稱HPC）是一種多相復合材料，兼具混凝土高強度特點，同時達到耐久性能優良、工作性和體積穩定性好等特點，廣泛應用于海洋大壩防水工程、機場道面、大跨徑鋼橋面鋪裝、礦山、國防等重要領域[1-3]。高性能混凝土耐久性重要評價指標是抗凍性能和抗疲勞性能，相關學者就鹽凍侵蝕和凍融損傷對高性能混凝土的劣化影響和力學性能做了相關研究[4-6]，結果表明，多相復合組分的礦物摻合料-水泥復合膠凝材料硬化漿體的耐久性優于未摻加礦物摻合料的單一組分，但就耐久性機理的相關解釋尚不明確。

高速公路T梁用高性能混凝土配合比設計依據JTG/TF50—2011《公路橋涵施工技術規范》高性能、高強度混凝土設計要求，采用52.5水泥，用水量不宜大于175 kg/m3，膠凝材料總量宜采用450～600 kg/m3，其中礦物摻合料用量不宜大于膠凝材料總量的40%，采用低水膠比，高效減水劑依據施工時坍落度而定。施工過程中為滿足混凝土結構高早強的要求，配合比設計中增大水泥用量，水泥用量過大會導致凝結硬化時間縮短，短時間內水化放熱量迅速增加，不利于混凝土拌合物工作性的穩定，同時也會增大混凝土早期收縮開裂的風險[7]。相關學者提出利用活性礦物摻合料等量替代水泥用量[8-9]，然而，礦物摻合料摻量、類型對高性能混凝土耐久性機理解釋尚不明確，礦物摻合料早期對新拌混凝土和易性的影響，以及礦物摻合料-水泥膠凝組分不同齡期下孔溶液pH值發展規律、抗壓強度的發展趨勢尚未提出合理性系統研究。摻合料使用不當，勢必會造成早期工作性下降，致使強度無法達到預期效果，最終影響耐久性降低混凝土結構的服役年限，因此礦物摻合料的使用一定程度上限制了高性能混凝土的推廣和應用[10-13]。基于上述問題，本研究采用控制變量的方法，在膠凝材料、砂率、外加劑、拌和用水量保持不變的條件下，通過調整膠凝組分中粉煤灰、礦粉的摻入量，設計出4種高性能混凝土配合比，使其工作性、力學性、耐久性達到C50 T梁合理使用年限，依據硬化漿體孔溶液pH值、借助SEM微觀分析手段揭示高強度、高耐久性的機理。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：采用蕪湖海螺水泥有限公司生產的P·Ⅱ52.5(比表面積350 m2/kg)海螺牌水泥，其化學成分見表1；礦物摻合料：FⅡ型粉煤灰由福建鼎旺再生有限公司提供，粒徑分布情況如圖1所示，S95級礦粉（比表面積400～500 m2/kg）由福建鼎冠新型建材有限公司提供，化學成分見表1；細骨料：云淡邦門砂廠提供的中砂，細度模數2.7，級配曲線圖如圖2所示；粗骨料：采用福建欣旭建筑生產的5～20 mm 碎石（10～20 mm 摻 70%，5～10 mm 摻 30%），各項性能指標滿足水泥混凝土配合比要求；減水劑：采用武漢辰龍科技有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率26%，摻量1.5%。礦物摻合料4種配合比設計見表2（引言已提出設計依據，本設計旨在考慮礦物摻合料摻量作用下高性能混凝土的研究，不采用正交設計）。

表2 C50混凝土配合比 kg/m3

圖1 粉煤灰粒徑分布曲線

圖2 細骨料級配曲線圖

表1 水泥、粉煤灰、礦粉化學組成 %

1.2 試驗方法

1) 拌合物性能分析：混凝土拌合物坍落度、含氣量依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》方法測試。

2)混凝土抗壓強度：依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》方法測試。

3) 孔溶液pH值分析：剔除砂石料制作不同配合比下凈漿試件，養護至28 d，使用研缽磨成細粉，使用 200 目篩篩分。將得到的細粉浸泡于 10 倍質量的蒸餾水，利用磁力電子攪拌器攪拌2 h，之后使用濾紙過濾出浸提液，使用 pH 計測試。

4) 混凝土的氯離子電通量、抗凍融性分析：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》進行200次凍融循環，測試其重量損失率。

1.3 微觀試樣制備與分析

微觀測試樣品取自抗壓強度試驗后的斷面顆粒物，置于無水乙醇終止水化，測試前將樣品在50℃的真空干燥箱中烘干至恒重。硬化漿體水化產物形貌由日本的S-4800-1型掃描電鏡測得，分辨率為1.0 nm(15 kV)，1.4 nm(1 kV)，放大倍數 20～800 000。

2 試驗結果與分析

2.1 高性能混凝土工作性發展規律

2.1.1 新拌高性能混凝土坍落度發展規律

高性能混凝土技術作為一種新型技術，雖采用常規材料和工藝生產兼具混凝土的各項力學要求，但需要具有高工作性、高耐久性以及澆筑完成結構高穩定性。4種配合比新拌混凝土坍落度發展規律如圖3所示，綜合圖3坍落度的發展規律可以得出：1) 新拌混凝土塌落度呈現C2＞C4＞C1＞C3發展規律，混凝土體系中引入粉煤灰，提高了早期混凝土的坍落度，由于礦粉的比表面積大于水泥，早期需水量大于水泥，因此 C1＞C3；2) 隨著新拌混凝土在運輸過程中坍落度的損失，2 h后發展規律呈現C2=C4＞C1=C3，主要因為粉煤灰微觀顆粒呈球形排布且早期幾乎不參與水化反應，有利于新拌混凝土的早期保塌，因此摻加粉煤灰的C2、C4坍落度均高于C1、C3配合比，礦粉的比表面積高于水泥雖早期需水量較大，但水泥反應速率較快，2 h時C1、C3的坍落度基本相同；3) 對比新拌混凝土至2 h坍落度損失情況，C1＞C3＞C2＞C4，早期水泥遇水反應速度較快，粉煤灰、礦粉早期未參與反應僅僅起到調整拌合物和易性的作用。

圖3 4種配合比坍落度對比變化

2.1.2 新拌高性能混凝土含氣量發展規律

4種配合比混凝土含氣量發展規律圖4所示。含氣量是影響混凝土工作性的主要技術指標，同時早期含氣量也是制約后期混凝土強度的關鍵因素，相關報道指出混凝土每增加1%的含氣量，強度損失5～6 MPa，強度的損失制約著混凝土后期的耐久性，影響混凝土結構的服役年限，依據JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》、JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》，新拌混凝土的含氣量以控制在2%～4%。從圖4中可以得出：1) 新拌混凝土的含氣量的發展規律依次為 C2＞C4＞C1＞C3，與早期新拌混凝土坍落度發展規律等同，粉煤灰微結構呈球形顆粒分布，拌和過程中易引入氣體，同時也增大了新拌混凝土的流動性；2) 新拌混凝土的持續水化，2 h時，含氣量的發展規律為C2=C4＞C3＞C1，主要由于水泥對微小氣泡有較強的吸附作用，其摻量越大，混凝土的含氣量越低；3) 新拌混凝土至2 h含氣量損失呈C1(0.9)＞C2(0.7)＞C3(0.6)＞C4(0.5)規律發展，水泥對微小氣泡的吸附作用只是C1的含氣量損失率最大，礦粉的化學組成和水泥相似早期發生微弱的水化反應有利于混凝土內部氣體的穩定性，而粉煤灰以其早期形態引入的氣體隨著運輸逐漸消失。

圖4 4種配合比含氣量發展規律

2.2 高性能混凝土抗壓強度發展規律

高性能混凝土體現在高強度，硬化混凝土抗壓強度高，其澆筑的結構較為穩定、抗沖擊破壞能力強，因此就高性能混凝土研究、應用以及推廣而言，展開抗壓強度分析十分重要。4種配合比下高性能混凝土不同齡期(3 d、7 d、28 d)抗壓強度發展規律如圖5所示，其相關結論如下：1) 齡期3 d時，強度發展規律為 C1＞C4＞C2＞C3，早期礦物摻合料在水泥膠凝組分中未發生水化反應，因此C1的強度較高，粉煤灰早期雖未發生反應，但因其球形微顆粒的物理狀態增大了混凝土的流動性，調節了因水泥水化“結球、團聚”的狀態，礦粉的比表面積大于水泥即細度大于水泥，早期水化反應較弱，不易于分散水泥因水化團聚現象，礦粉-粉煤灰-水泥三組分膠凝體系，相互促進，相互發展，因此C4配合比強度高于C2、C3體系；2) 膠凝組分的持續水化，粉煤灰、礦粉膠凝組分開始參與反應，7 d時，混凝土強度發展規律為 C4＞C3＞C2＞C1，相較于C1 配合比，C4、C3、C2混凝土強度分別增長了110.71%、106.01%、101.50%，其中礦粉-水泥膠凝組分的配合比強度高于粉煤灰-水泥組分的強度，即礦粉參與水化反應的程度由于粉煤灰，即礦粉活性強于粉煤灰，礦粉-粉煤灰-水泥膠凝組分配合比強度增長率最高，粉煤灰微結構的流動性促進了礦粉與水泥相互反應，最終促使其微結構水化產物排布有序；3) 隨著混凝土反應齡期的增加，7 d至28 d的強度增長率低于3 d至7 d的增長，齡期28 d時強度發展規律與7 d等同，即 C4＞C3＞C2＞C1，膠凝組分的持續水化，其水化產物的生成量逐步增加，其微結構水化產物堆積的密實度相應增加，28 d時4種配合比膠凝組分微結構水化產物排布和堆積密實度呈C4＞C3＞C2＞C1發展規律。

圖5 4種配合比抗壓強度發展規律

2.3 高性能混凝土硬化漿體孔溶液pH發展規律

4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分孔溶液pH值的變化如圖6所示：膠凝組分孔溶液pH值隨著氧化齡期的增加逐漸減小；鋼筋混凝土結構中護筋性良好且保持強度、水化產物不被破壞的pH在12.6左右[14]，結合圖6可以得出不同齡期4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分中孔溶液pH值均高于12.6，即生成的水化產物穩定性良好；養護齡期3 d至7 d時，孔溶液pH的發展規律依次為C1＞C3＞C4＞C2，水泥遇水發生反應早期生成大量Ca(OH)2提高了孔溶液pH值，C2、C3、C4配合比中礦物摻合料等量取代水泥且礦物摻合料早期未發生反應，致使孔溶液pH均低于C1，現今國內采用的礦物摻合料粉煤灰均呈弱酸性，礦粉呈弱堿性，等量粉煤灰取代水泥的C2配比孔溶液pH低于等量礦粉取代水泥的C3，C4粉煤灰-礦粉-水泥三組分膠凝體系的pH介于二者之間；齡期28 d時，孔溶液pH呈C1＞C3＞C2＞C4發展規律，此時C4粉煤灰-礦粉-水泥膠凝組分硬化漿體孔溶液pH最低，礦物摻合料在礦物摻合料-水泥復合膠凝體系中發生水化的主要中間產物為水泥水化早期生成的Ca(OH)2，礦物摻合料中Ca-O、Si-O、Ai-O、OH等氧化物、氫氧化物支鏈在早期強堿環境中發生肢解、重組最終生成的水化產物填充于水泥水化的空隙之中[15]，從而增強微結構的密實性，強度得以提高，C4配合比組分中粉煤灰、礦粉雙重摻合料的相互促進作用均高于C2（單摻粉煤灰配比）、C3（單摻礦粉體系），粉煤灰依據自身球形流動性較強的微結構特點促進礦粉和水泥水化產物相互接觸，即增大了礦粉-水泥膠凝組分的反應，水泥早期水化生成的Ca(OH)2降低，致使C4硬化漿體孔溶液pH降低。

圖6 4種配合比硬化漿體孔溶液pH發展規律

2.4 高性能混凝土28d耐久性發展規律

高性能混凝土重要體現在服役過程中的耐久性，依據JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》、JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》，高速公路預制T梁用高性能混凝土28 d電通量應小于1 000 C、200次凍融循環的質量損失率低于5%。4種配合比齡期為28 d時電通量發展規律如圖7所示，齡期28 d時，4種配合比電通量值均低于1 000 C，即4種配合比均滿足于高性能混凝土電通量的技術要求，與28 d抗壓強度發展趨勢相同（見圖3），其微結構水化產物排布、堆積的密實度亦呈 C1＞C2＞C3＞C4 規律發展（見圖 7）。4種配合比下混凝土養護齡期為28 d繼而歷經200次凍融循環質量損失率發展規律如圖8所示，歷經200次凍融循環的質量損失率發展規律依次為C1＞C2＞C3＞C4，其中 C1 配合比的質量損失率大于5%，不滿足高速公路預制T量用高性能混凝土技術要求。

圖7 4種配合比28 d電通量對比變化

圖8 4種配合比經200次凍溶循環質量損失率展規律

3 SEM分析

圖9為4種配合比28 d硬化漿體斷面SEM圖。配合比C1自然養護28 d樣品斷面中C-S-H（水化硅酸鈣凝膠）呈針棒狀排布，且針棒狀晶體相互搭接未形成的致密的網絡狀結構(見圖9(a))，晶體直徑約20 nm左右，呈亂向無序排布。圖9(b)配合比C2、齡期28 d的樣品斷面的SEM圖，斷面呈現不同尺寸的球形顆粒排布，顆粒周圍排布著大量散碎的晶相，球形顆粒周圍有大尺寸的裂紋分布，微結構晶相排布較為整齊，晶相排布堆積密實度高于C1配合比。圖9(c)為C3配合比樣品斷面的SEM譜圖，針棒狀晶相整齊排布且相互搭接形成較為密實的網絡狀結構，其網絡狀結構密實度較高，晶體的填充程度高于圖9(a)、(b)。配合比C4，28 d斷面的SEM譜圖如圖9(d)所示，其微結構晶相尺寸較小、排布有序，且均勻填充于微結構的空隙中，形成密實度較高的微結構斷面，晶相的堆積、填充程度高于圖 9(a)、(b)、(c)。

圖9 4種配合比28d硬化漿體SEM圖譜

對比圖 9(a)、(b)、(c)、(d)，圖 9(d)即 C4 配合比微觀斷面的晶相尺寸較小且排布密實、堆積度最高，即宏觀數據上強度最大、耐久性最優。C1配合比組分中未摻加礦物摻合料，提升強度的膠凝組分物質主要是水泥，水泥水化反應速度較快生成的水化散亂排布彼此搭接能力較弱，無法生成致密的網絡狀結構；C2配合比為粉煤灰-水泥二元復合膠凝組分，微結構呈球形分布的粉煤灰顆粒流動性較強，較好調節水泥與水的接觸面積，其微結構的密實度得以提高；C3配合比屬礦粉-水泥二元復合膠凝體系，礦粉的比表面積大于水泥具有較高活性，借助早期水泥水化生成Ca(OH)2發生水化，生成的水化產物填充于水泥水化過快形成的空穴中，達到提高微結構密實度的效果；礦粉-粉煤灰-水泥三元復合膠凝組分的C4配合比下微結構水化產物堆積密實度最高，其膠凝組分兼具粉煤灰的流動性和礦粉的活性，增大膠凝組分相互接觸的同時，生產的水化產物有效填充于早期水泥水化的空穴中，達到較高的微結構密實度。

4 結束語

綜合4種高性能混凝土工作性、力學性、耐久性發展規律，結論如下：1）C1配合比工作性評價劣于C2、C3、C4，2 h后坍落度、含氣量損失率均高于其他三種配合比，即在水泥膠凝組分中適當摻加礦物摻合料有利于混凝土坍落度、含氣量的保持；2）28 d 抗壓強度發展規律為 C4＞C3＞C2＞C1，28 d礦物摻合料-水泥膠凝組分硬化強度均高于水泥膠凝組分強度；3）4種配合比28 d電通量、200次凍融循環質量損失率損失量發展趨勢為C1＞C2＞C3＞C4。硬化漿體孔溶液pH值發展規律證實，水泥膠凝組分中摻加礦物摻合料均降低孔溶液pH值，綜合微觀結果表明：礦物摻合料在后期水泥水化的過程中參與了水化反應，礦粉-粉煤灰-水泥三元復合膠凝組分的C4配合比硬化漿體的水化結晶相數量高于C1、C2、C3，且尺寸較小、排列緊密，結構整體更加致密。該結論為礦物摻合料在高性能混凝土中的作用機理研究提供參考依據。