九江長江公路大橋超寬箱梁C55粉煤灰高性能混凝土配合比設(shè)計

張劍峰，王運金，唐凱，胡峰強，李北星

（1．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；2．江西省交通運輸廳九江長江公路大橋項目建設(shè)辦公室，江西 九江 332000）

0 引言

九江長江公路大橋主橋設(shè)計為雙塔雙索面單側(cè)混合梁斜拉橋，南岸邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁總長261.5m，跨徑布置為（70+75+84+32.5）m，混凝土強度等級設(shè)計為C55，采用縱向分段分節(jié)支墩支架泵送工藝施工。箱梁為扁平流線型閉合箱形截面，采用單箱三室整體式斷面，中心線處梁高3.6m，含風嘴頂板全寬38.9m，屬于超寬混凝土箱梁。箱梁內(nèi)含密集的普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道，混凝土的澆搗難度大；同時，由于高強混凝土溫度收縮和自收縮大，在腹板和風嘴、橫隔梁等大體積部位極易產(chǎn)生溫度與收縮裂縫。因此，要求配制的箱梁主體混凝土具有緩凝、低坍落度損失和高抗離析性[1-2]，并具有低的水化熱溫升。此外，要求配制的混凝土必須具有較低的收縮徐變以減少箱梁預(yù)應(yīng)力損失，要求混凝土具有良好的抗?jié)B、抗碳化與抗凍性能，以提高混凝土的耐久性[3]，延長橋梁的使用壽命。本文著重研究了大橋超寬箱梁混凝土的配合比設(shè)計參數(shù)及物理力學性能。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

水泥：華新水泥陽新有限公司P·Ⅱ42.5級水泥。表觀密度3.11 g/cm3，3 d、28 d抗壓強度分別為29.9MPa和53.7MPa，有效堿含量為0.47%。

粗骨料：湖北陽新金峰石灰?guī)r碎石，小、中石按3∶7搭配的5～20 mm連續(xù)級配，含泥量0.44%，表觀密度2738 kg/m3，松堆密度1643 kg/m3，壓碎值9.6%，針片狀含量2.8%，無堿-骨料反應(yīng)活性。

細骨料：江西贛江河砂，細度模數(shù)2.6，表觀密度2630 kg/m3，松堆密度1598 kg/m3，含泥量0.9%，泥塊含量0%，無堿-骨料反應(yīng)活性。

粉煤灰：華能武漢陽邏電廠I級粉煤灰，表觀密度2.12 g/cm3，燒失量1.52%，需水量比92.4%，7 d、28 d膠砂活性指數(shù)分別為83.7%和90%，有效堿含量（按總堿量的1/6計算）為0.244%。

減水劑：經(jīng)試驗優(yōu)選，選用馬貝建筑材料（上海）有限公司MAPEISX-C18（-2）緩凝型聚羧酸鹽高效減水劑，固含量29.7%。

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能、抗壓強度、劈拉強度和彈性模量試驗依據(jù)JTG E30—2005《公路水泥與混凝土試驗規(guī)程》進行；混凝土氯離子擴散系數(shù)的測定依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的RCM法進行，采用RCM-D型全自動混凝土氯離子擴散系數(shù)快速測定儀；混凝土塑性收縮開裂試驗采用日本笠井芳夫教授的平板試件約束抗裂性試驗方法進行[4]；混凝土壓力泌水、含氣量及初凝時間試驗依據(jù)GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

1.3 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)設(shè)計和施工要求，超寬箱梁混凝土須達到的主要性能指標為：拌合物坍落度210～230mm，擴展度（550±50）mm，坍損1 h內(nèi)不大于20mm；含氣量應(yīng)小于2.5%；硬化混凝土28 d配制強度應(yīng)大于67MPa，但不宜高于設(shè)計強度的140%即77MPa，7d強度不低于設(shè)計強度的90%；28 d彈性模量不低于3.75×104MPa，且7 d達到其85%以上；混凝土絕熱溫升低于60℃，平板法開裂試驗抗裂性等級達Ⅲ級及以上；28 d氯離子擴散系數(shù)（RCM法）小于4.0×10-12m2/s。

首先，根據(jù)全計算方法[5-6]對C55高性能混凝土的理論配合比進行了計算，水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶減水劑=361.5∶120.5∶629∶1125∶159.1∶1.18%（占膠凝材料）。以該理論計算配合比為基礎(chǔ)，確定箱梁C55高性能混凝土配合比參數(shù)范圍為：膠凝材料用量480～510 kg/m3，其中粉煤灰摻量15%～30%，水膠比0.30～0.33，砂率37%～40%，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的1.1%。試驗用混凝土配合比及混凝土性能分別見表1和表2。

表1 混凝土設(shè)計配合比

表2 混凝土的性能

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對混凝土性能的影響

圖1為固定單位用水量時，水膠比與混凝土工作性、強度及28 d氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系。

由圖1（a）分析得，在用水量一定條件下，隨著膠凝材料用量的降低，混凝土的坍落度和擴展度變化不大，各組混凝土的工作性均能滿足箱梁混凝土的設(shè)計和施工要求，而且坍落度與擴展度均有較大富余。從圖1（b）和圖1（c）可以看出，隨著水膠比的增大，硬化混凝土的強度呈下降趨勢、氯離子擴散系數(shù)呈增大趨勢，但是差別不大。本試驗研究的水膠比范圍為0.30～0.32，各組混凝土的28 d強度均超過箱梁混凝土67MPa配制強度的要求，氯離子擴散系數(shù)滿足4.0×10-12m2/s的要求，綜合考慮工作性、強度與抗氯離子滲透性等因素，膠凝材料用量選用495 kg/m3較為適中，而水膠比選擇0.31即可，考慮到施工中水泥強度的波動及上述混凝土工作性還有調(diào)整的余地，水膠比在試驗基礎(chǔ)上降為0.305。

圖1 水膠比與混凝土的工作性、強度及氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系

2.2 粉煤灰摻量對混凝土性能的影響

圖2為固定其他參數(shù)不變，粉煤灰等量取代水泥0%、15%、20%、25%、30%時與混凝土工作性、強度及28 d氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系。

由圖2（a）分析得，隨粉煤灰摻量增加，拌合物坍落度和擴展度增加，說明粉煤灰改善了混凝土的工作性。圖2（b）的強度結(jié)果顯示，隨粉煤灰摻量增加，7 d齡期強度降低，粉煤灰摻量25%的混凝土與基準配比混凝土的7 d強度差值為11.7MPa；而28 d強度變化比較復(fù)雜，隨粉煤灰摻量增加，強度呈先降低→后上升→再降低的趨勢，粉煤灰摻量在20%時強度最大、在30%時強度最小，粉煤灰摻量15%、25%的28 d強度差別不大。圖2（c）顯示隨粉煤灰摻量增加，氯離子擴散系數(shù)呈先下降后增長的趨勢，但均低于基準樣，其中粉煤灰摻量25%時最小。由于C55箱梁混凝土28 d配制強度以67～77MPa為宜，7 d強度達到55MPa即可，因此，綜合考慮粉煤灰對強度和抗氯離子滲透性的影響、對工作性的改善作用及對水化熱的降低作用，粉煤灰摻量以選擇較高的25%為宜。

圖2 粉煤灰摻量與混凝土工作性、強度及氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系

2.3 砂率對混凝土性能的影響

圖3為固定水膠比、單位水泥用量時，砂率與混凝土工作性、強度及28 d氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系。

圖3 砂率與混凝土工作性、強度及氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系

由圖3（a）分析得，隨著砂率的增加，混凝土的黏聚性逐步改善，混凝土坍落度呈先增后降趨勢，擴展度逐漸下降，圖3（b）和圖3（c）表明，4組混凝土樣的28 d抗壓強度與氯離子擴散系數(shù)差別不大。綜合來看，砂率在39%時，混凝土的工作性和強度均較為滿意，因此本試驗條件下，合理砂率為39%。

2.4 優(yōu)化配合比的塑性收縮開裂試驗

綜上所述配合比XL11的綜合性能最優(yōu)，其早期塑性收縮開裂試驗的結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可知，混凝土的抗裂等級為Ⅱ級，該配合比的混凝土抗裂性能良好。

表3 混凝土平板法開裂試驗結(jié)果

2.5 優(yōu)化配合比重演試驗的物理力學性能及應(yīng)用效果

根據(jù)試驗成果，最終確定用于施工的混凝土優(yōu)化配合比為XL11，對該配比進行重演試驗，測得的各項物理力學性能如表4所示。

表4 XL11優(yōu)化配合比的物理力學性能

由表4的結(jié)果，混凝土的工作性、強度及彈性模量等指標均達到設(shè)計要求或比設(shè)計要求高，其中7 d的絕熱溫升僅為55.4℃，比設(shè)計要求低4.6℃。工地試驗室根據(jù)X11配合比復(fù)盤的試驗結(jié)果也與表4結(jié)果吻合。根據(jù)現(xiàn)場施工的狀況看，混凝土的坍落度為220～230mm，擴展度為525～575mm，黏聚性好，泵送順利，混凝土拌合物通過密集鋼筋網(wǎng)沒有出現(xiàn)離析，拆模后混凝土外觀質(zhì)量基本達到清水混凝土的標準，取樣的28 d抗壓強度均在70 MPa以上。

3 結(jié)語

粉煤灰的摻入能較好地改善混凝土的工作。在本試驗條件下，摻量20%的28 d抗壓強度最佳，摻量30%時混凝土28 d強度降低顯著；粉煤灰對混凝土的抗氯離子滲透性的影響存在一個最佳摻量，當粉煤灰摻量＜25%時，混凝土的抗氯離子滲透性隨摻量的增加而增強，當粉煤灰摻量＞25%時，混凝土的抗氯離子滲透性降低。

本試驗條件下，采用42.5級P·Ⅱ水泥與Ⅰ級粉煤灰配伍優(yōu)化得到的箱梁C55高性能混凝土的配合比設(shè)計參數(shù)為：膠凝材料用量495 kg/m3、其中粉煤灰摻量25%、水膠比0.305、砂率39%。該配合比具有膠凝材料用量較低的特點，室內(nèi)試驗結(jié)果與應(yīng)用表明，該配合比的混凝土具有良好的泵送施工性能，較高的抗裂性能，較高的早期強度和較大的后期強度發(fā)展以及高的抗氯離子滲透性。

[1] 李北星，馬立軍，關(guān)愛軍，等.箱梁C55高性能混凝土的抗裂性與耐久性研究[J].武漢理工大學學報，2010，32（14）：40-44.

[2] 賈國盛.黃河特大橋主橋箱梁高強混凝土配合比的設(shè)計[J].鐵道建筑，2001（8）：19-21.

[3] 劉建忠，劉加平，周偉玲，等.預(yù)應(yīng)力箱梁用粉煤灰混凝土的配制與性能研究[J].施工技術(shù)，2005，34（4）：21-23.

[4] 中國土木工程學會技術(shù)標準.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[5] 陳建奎，王棟明.高性能混凝土（HPC）配合比設(shè)計新法——全計算法[J].硅酸鹽學報，2000，28（2）：194-198.

[6] A?tcin P C，Mehta P K.Principles Underlying Production of High Performance Concrete[J].Cement，Concrete and Aggregates，1990，12（2）：70-78.