橋梁清水混凝土設(shè)計(jì)方法與勻質(zhì)性控制

周孝軍，牟廷敏，丁慶軍，聶傳振

(1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610039；2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

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橋梁清水混凝土設(shè)計(jì)方法與勻質(zhì)性控制

周孝軍1，牟廷敏2，丁慶軍3，聶傳振3

(1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610039；2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了橋梁清水混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，制備出粘聚性與包裹性好、流動(dòng)度佳，且具有優(yōu)良力學(xué)性能的C30～C50高性能清水混凝土。通過(guò)對(duì)混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位顯微硬度與微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試，分析了增粘劑對(duì)其勻質(zhì)性的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明：對(duì)于C30橋梁清水混凝土，摻5×10-5的纖維素醚或摻6%的硅灰時(shí)，混凝土的含氣量不超過(guò)2%，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，試件不同部位顯微硬度值接近，勻質(zhì)性好，結(jié)構(gòu)密實(shí)。

清水混凝土；增粘劑；勻質(zhì)性；顯微硬度

清水混凝土分為普通、飾面和裝飾清水混凝土3類(lèi)，其具有質(zhì)樸厚實(shí)、素面朝天的外觀特性，并省掉了抹灰和裝飾等工序，被行業(yè)內(nèi)稱為“綠色混凝土”[1-4]。清水混凝土已有一定的研究和發(fā)展，但多集中在建筑工程領(lǐng)域，且非常注重其表面平整光滑、棱角分明的藝術(shù)效果[2-8]。橋梁工程的服役環(huán)境、施工工藝等與建筑工程差異較大，一般采用普通清水混凝土，只要求表面平整光滑且無(wú)明顯色差、氣孔等，而對(duì)飾面裝飾效果沒(méi)有特殊要求，目前有關(guān)橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)制備與性能研究還較少，不利于其推廣應(yīng)用[4-6]。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、配筋率高、預(yù)應(yīng)力鋼束密集，混凝土應(yīng)具有很好的工作性能以滿足密實(shí)施工要求；另外，橋梁不同結(jié)構(gòu)部位的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同，但普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法缺乏針對(duì)性，設(shè)計(jì)的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土工作性能差異顯著，勻質(zhì)性較差，無(wú)法達(dá)到工程整體清水效果[4]。

因此，需要根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)方法與勻質(zhì)性控制技術(shù)，改善混凝土工作性能，保證構(gòu)件外觀質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)安全與耐久性，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料

PO.42.5水泥，主要化學(xué)成分如表1所示。天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.8%，泥塊含量0.3%。石灰?guī)r質(zhì)碎石，粒徑5～25 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量0.4%，針片狀含量1.7%。V630型清水混凝土專用聚羧酸減水劑。LH-70MR非速溶型纖維素醚，分子量20萬(wàn)。礦物摻合料：I級(jí)粉煤灰，細(xì)度≤12%(0.045 mm方孔篩篩余)，需水量比92.6%；硅灰，比表面積2×104m2/kg，SiO2含量90%。拌合用水為自來(lái)水。

表1 水泥化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域的清水混凝土，為了實(shí)現(xiàn)低含氣量要求，坍落度控制較小，難以滿足橋梁工程混凝土密實(shí)施工要求。另外，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的膠凝材料用量不同，采用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法制備的混凝土工作性能差異大，勻質(zhì)性差，易出現(xiàn)色差、氣孔等缺陷，既影響構(gòu)件表觀質(zhì)量，又影響耐久性。

實(shí)現(xiàn)橋梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的設(shè)計(jì)思路與技術(shù)途徑主要有：采用基于分子鏈組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用聚羧酸系減水劑，提高混凝土工作性能，減少用水量，降低含氣量。摻優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，改善混凝土工作性能，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，增加密實(shí)度，減小體積變形[9-10]。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土(C40及以下)，提高礦物摻合料摻量，適當(dāng)提高砂率；對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土(C50及以上)，優(yōu)化減水劑摻量，適當(dāng)降低水泥用量和砂率，結(jié)合增粘劑[11-16]，控制漿體粘度，減小集料相對(duì)移動(dòng)，保持不同密度膠凝材料均勻分散，提高混凝土的勻質(zhì)性。

2.2 配合比與物理力學(xué)性能

基于密實(shí)骨架堆積理論，根據(jù)提出的混凝土配合比設(shè)計(jì)思路，制備了C30～C50橋梁高性能清水混凝土，配合比與物理力學(xué)性能如表2所示?；炷涟耘c流動(dòng)性好，初始坍落度在200 mm以上、擴(kuò)展度在500 mm以上，1 h后坍落度仍大于180 mm、擴(kuò)展度大于420 mm，損失較小，工作性能與力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 混凝土配合比與物理力學(xué)性能

3 勻質(zhì)性測(cè)試分析與討論

以C30混凝土為基準(zhǔn)，分別采用纖維素醚與硅灰作為增粘劑，通過(guò)對(duì)混凝土含氣量、漿體粘度，以及硬化試件3 d齡期時(shí)上、中、下不同部位顯微硬度的測(cè)試，探討增粘劑對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)勻質(zhì)性的控制。

3.1 測(cè)試方法

新拌混凝土含氣量采用LC615A型含氣量測(cè)定儀，按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行測(cè)試。漿體粘度采用DV-S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，按《粘度測(cè)試方法》(GB 10247—2008)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》(GB/T 4340.1—2009)，采用HV-1000Z顯微硬度計(jì)測(cè)試混凝土試件3 d顯微硬度值，如圖1、圖2所示。由于粉煤灰活性較低，如其上浮形成富集，則該區(qū)域膠凝材料水化相對(duì)較慢，整體強(qiáng)度低，表面顯微硬度均值較其它區(qū)域低。

圖1 顯微硬度測(cè)試樣品Fig.1 Specimen of micro hardness test

3.2 纖維素醚對(duì)勻質(zhì)性的影響

纖維素醚對(duì)混凝土性能的影響如表3所示。可見(jiàn)，隨纖維素醚摻量增加，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值與混凝土含氣量隨之上升，流動(dòng)性下降，硬化試件表面上、下部顯微硬度值之差逐漸減小(如圖3)。當(dāng)其摻量達(dá)到5×10-5(占膠凝材料總量)時(shí)，混凝土含氣量為2.0%，粘度值為1 960 MPa·s，坍落度大于180 mm、擴(kuò)展度大于500 mm，工作性能較好；試件表面上、下部顯微硬度值之差為12.14HV，顯微硬度相當(dāng)，勻質(zhì)性較好。而當(dāng)摻量達(dá)到6×10-5時(shí)，含氣量與漿體粘度顯著增加，混凝土工作性能劣化明顯，已不能滿足橋梁施工要求。

圖2 顯微硬度測(cè)定Fig.2 Micro hardness measurement

圖3 纖維素醚對(duì)試件顯微硬度的影響Fig.3 Influence of cellulose ether on micro hardness of the specimens

表3 纖維素醚對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響

纖維素醚對(duì)水泥基材料的增粘效果來(lái)自于纖維素醚溶液的粘性[12-13]。纖維素醚分子可以吸附和固化一部分拌合水后膨脹，使拌合水粘度增加。同時(shí)，其分子鏈之間相互纏繞，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也能增加溶液粘度。從而使得粉煤灰等移動(dòng)阻力增加，增強(qiáng)了混凝土拌合物的抗分散能力，防止各組分之間分層、離析和泌水，提高混凝土勻質(zhì)性。但其摻量越高，粘度越大，排氣不暢而導(dǎo)致混凝土含氣量增加，且流動(dòng)性下降，工作性能退化。當(dāng)粘度過(guò)高后，混凝土流動(dòng)度損失明顯，需增加用水量以滿足工作性能要求，從而降低混凝土密實(shí)度，并對(duì)強(qiáng)度造成一定的影響[14]，因此，需嚴(yán)格控制其摻量。

3.3 硅灰對(duì)勻質(zhì)性的影響

表4為硅灰對(duì)混凝土勻質(zhì)性影響測(cè)試結(jié)果。研究表明，隨硅灰摻量提高，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值隨之上升，混凝土的含氣量則下降，坍落度與擴(kuò)展度下降明顯，硬化混凝土試件表面上、下顯微硬度值差也隨之降低(如圖4所示)。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，混凝土的含氣量為1.5%，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值為1 920 MPa·s，粘度適中，混凝土工作性能良好，試塊表面上、下部顯微硬度值相當(dāng)接近，勻質(zhì)性好。而當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，雖然試塊表面上、下部顯微硬度值基本一致，但混凝土已十分粘稠，流動(dòng)性與施工性能很差。

圖4 硅灰對(duì)試件顯微硬度的影響Fig.4 Influence of silica fume on micro hardness of the specimens

硅灰增強(qiáng)混凝土漿體粘度的關(guān)鍵在于其顆粒形態(tài)效應(yīng)與分散作用[10]。硅灰的比表面積大，顆粒呈球形狀，平均粒徑細(xì)小，約比水泥顆粒粒徑小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比粉煤灰顆粒粒徑小一個(gè)數(shù)量級(jí)，其具有高度的分散性和較大的表面能。因此，硅灰可以充分的填充在水泥與粉煤灰顆粒之間，減少填充水量，降低孔隙率，同時(shí)也能堵塞漿體泌水通道，阻礙粉煤灰的移動(dòng)，從而提高漿體硬化后的密實(shí)度與均勻性。硅灰的火山灰活性較強(qiáng)，可迅速與漿體中的水反應(yīng)，形成較多的絮凝結(jié)構(gòu)，使?jié){體粘度，降低流動(dòng)性，增加集料相對(duì)移動(dòng)的阻力，保持混凝土各組分分布的均勻性。另外，由于硅灰顆粒比表面積大，雖然其摻加減少了填充水量，但同時(shí)也需要增加表層水的用量，因此在摻量過(guò)多的情況下，致使?jié){體密度變大，粘度過(guò)高，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性下降明顯，工作性能劣化明顯。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

分別對(duì)摻5×10-5纖維素醚和摻6%硅灰量的混凝土試件進(jìn)行破碎，取其上、中、下3個(gè)不同部位的砂漿樣品進(jìn)行了SEM觀測(cè)，結(jié)果如圖5、圖6所示。可以看出，在兩類(lèi)試件中集料與水化產(chǎn)物界面過(guò)渡區(qū)較飽滿，結(jié)構(gòu)密實(shí)，基本沒(méi)有微裂縫；上、中、下3個(gè)不同部位的粉煤灰分布較均勻，未出現(xiàn)粉煤灰上浮富集現(xiàn)象。可見(jiàn)，通過(guò)摻加適量增粘劑，控制漿體粘度，可保持混凝土良好的工作性能，且能有效避免粉煤灰上浮，提高混凝土的勻質(zhì)性。

表4 硅灰對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響

圖5 摻纖維素醚試件SEM圖(×5 000)Fig.5 SEM test results of specimens mixed with cellulose ether(5 000 times)

圖6 摻硅灰試件SEM圖(×5 000)Fig.6 SEM test results of specimens mixed with silica fume(5 000 times)

4 工程應(yīng)用

四川省遂廣高速公路橋梁工程的主梁、墩柱均采用清水混凝土設(shè)計(jì)方案，施工初期，混凝土設(shè)計(jì)制備時(shí)未進(jìn)行勻質(zhì)性控制，墩柱(C30)在混凝土分層澆筑處出現(xiàn)了明顯的色差和分層，取混凝土拌合物靜置后發(fā)現(xiàn)表面有明顯深色漂浮物，如圖7、圖8所示。分析認(rèn)為，混凝土中粉煤灰摻量高且為顏色偏深的二級(jí)灰，坍落度較大(>220 mm)，粘聚性差，勻質(zhì)性不良，導(dǎo)致振搗后粉煤灰上浮。

圖7 不摻增粘劑混凝土Fig.7 Concrete mixture without viscosity-modifying admixture

圖8 不摻增粘劑墩柱Fig.8 Pier column pouring by concrete without viscosity-modifying admixture

根據(jù)項(xiàng)目研究成果，采用密實(shí)骨架堆積法對(duì)集料組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，適當(dāng)調(diào)整砂率，采用專用外加劑，摻加2×10-5～3×10-5纖維素醚(對(duì)已進(jìn)場(chǎng)的外加劑，復(fù)摻5×10-5纖維素醚)，提高混凝土拌合物粘度，增強(qiáng)粘聚性與粘結(jié)力。并適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土拌合物的攪拌時(shí)間，實(shí)時(shí)測(cè)試混凝土拌合物的工作性能，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)外加劑摻量、用水量以及增粘組分摻量進(jìn)行調(diào)整，保持混凝土澆筑時(shí)坍落度在160～180 mm，且混凝土施工過(guò)程中加強(qiáng)振搗與養(yǎng)護(hù)。調(diào)整后的混凝土勻質(zhì)性較好，靜置后或澆筑振搗過(guò)程中均未出現(xiàn)粉煤灰上浮，墩柱、主梁表面光亮、色澤均一，外觀效果得到有效改善，如圖9、圖10所示。

圖9 摻增粘劑混凝土Fig.9 Concrete mixture mixed with viscosity-modifying admixture

圖10 摻增粘劑墩柱Fig.10 Pier column pouring by concrete mixed with viscosity-modifying admixture

5 結(jié)論

1)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了橋梁清水混凝土的配合比設(shè)計(jì)思路與高性能化技術(shù)途徑，制備出均質(zhì)性好且工作性能與力學(xué)性能優(yōu)良的C30～C50高性能清水混凝土，并應(yīng)用于實(shí)際橋梁工程。

2)通過(guò)對(duì)混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位的顯微硬度與微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試研究表明：對(duì)于C30橋梁清水混凝土，當(dāng)摻5×10-5纖維素醚或摻6%硅灰時(shí)，混凝土含氣量不超過(guò)2%，密實(shí)性好；漿體旋轉(zhuǎn)粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，粘度適中，工作性能較好；試件表面不同部位顯微硬度值接近，混凝土勻質(zhì)性好。以纖維素醚或硅灰為增粘劑，可以有效調(diào)整漿體粘度，改善混凝土的勻質(zhì)性，提高密實(shí)度。

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(編輯 王秀玲)

Design method and homogeneity control of bridge fair-faced concrete

ZhouXiaojun1，MouTingmin2，DingQingjun3，NieChuanzhen3

(1.School of Architecture and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, P.R.China; 2.Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning Survey Design and Research Institute, Chengdu 610041, P.R.China; 3.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, P.R.China)

According to the structural characteristics of bridge engineering, the mix optimization design method of bridge fair-faced concrete was presented, and C30～C50 concrete with high cohesion and package, outstanding fluidity and excellent mechanical properties were prepared. Through the test of air content of fresh concrete, micro hardness and micro structure in different parts of hardened concrete specimens, effects of viscosity-modifying admixtures on homogeneity of concrete were discussed. The results showed that the composition of bridge fair-faced concrete were relatively homogeneous, and the microstructure were relatively dense. When C30 concrete mixed with 5 × 10-5cellulose ether or 6% silica fume (mass fraction of cementitious material), air content of fresh concrete were less than 2%, and slurry viscosity values were between 1 900 and 2 000 MPa·s. Also, the micro hardness values in different parts of hardened concrete specimens were closed. The results were applied in practical bridge engineering, which generally meets the apparent quality requirements of bridge fair faced concrete.

fair-faced concrete; viscosity-modifying admixture; homogeneity; micro hardness

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.019

2014-05-20

四川省交通科研項(xiàng)目(2011D-05)

周孝軍(1985-)，男，博士，主要從事高性能混凝土及其結(jié)構(gòu)性能研究，(E-mail)zhouxiaojun111@163.com。

Foundation item：Sichuan Traffic Science and Technology Project(No.2011D-05)

U444；TU528

A

1674-4764(2015)01-0117-06

Received：2014-05-20

Author brief：Zhou Xiaojun (1985-),PhD,main research intrest:high performance concrete，(E-mail)zhouxiaojun111@163.com.