大吸水率粗集料高性能海工混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

白鵬宇，張巖，祝長(zhǎng)春

（1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027）

0 前言

莫桑比克馬普托（Maputo）大橋，位于莫桑比克首都馬普托市向南去往南非與莫桑比克南部卡薩通商（Casa Commercial）邊界口岸的干線公路上，路線主線全長(zhǎng)約114 km。其中馬普托大橋由南引橋、主橋、北引橋組成，主橋?yàn)閼宜鳂蚍桨福鳂蚩鐝?80 m，目前為非洲跨徑最大的懸索橋。

馬普托大橋橫跨馬普托灣，自然條件復(fù)雜，所處海水化學(xué)侵蝕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕作用按不同分區(qū)由中等程度（C級(jí)）至極端嚴(yán)重程度（F級(jí)），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年。大量研究表明，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的問題是Cl-滲入混凝土引發(fā)鋼筋腐蝕破壞。因此，本跨海大橋結(jié)構(gòu)混凝土必須具有良好的抗Cl-滲透性。國內(nèi)多數(shù)海工工程采取摻合料雙摻、低水膠比的方法來提高混凝土的密實(shí)度從而降低混凝土中Cl-滲透性[1]。

現(xiàn)今，整個(gè)非洲大陸常見的粗骨料可滿足GB/T 14685—2011《建筑用碎石、卵石》中級(jí)配、壓碎值等要求，但吸水率通常在2%～5%，不符合GB/T 14685—2011小于2%的要求。吸水率高的粗骨料在混凝土拌合時(shí)會(huì)吸收部分的拌合水，降低新拌混凝土的流動(dòng)度，因該種吸附為物理吸附，當(dāng)外界環(huán)境如溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，這部分水將發(fā)生脫附導(dǎo)致澆注后的混凝土性能發(fā)生變化[2-3]。若依據(jù)高吸水率的輕集料混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)造成膠凝材料用量過高，配合比富余系數(shù)過高從而造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)[4-6]。因此，為了保證馬普托大橋混凝土的制備，需要在地材限制的情況下研究如何使用2%～4%高吸水率粗骨料配制海工高性能混凝土。

1 原材料

（1）水泥：莫桑比克Matola CM水泥廠回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的CEM II/A-L42.5 N水泥，細(xì)度（80 μm篩篩余）0.6%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.7%，安定性合格，MgO含量1.13%，SO3含量2.37%，主要物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的主要物理力學(xué)性能

（2）粉煤灰：南非ULULA產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰品，細(xì)度（45 μm篩篩余）10%，主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

（3）細(xì)骨料：莫桑比克Moamba河流天然河砂，基本性能和篩分結(jié)果分別見表3和表4。

表3 河砂的基本性能

表4 河砂的篩分結(jié)果

（4）粗骨料：分別由莫桑比克Boane地區(qū)Namaacha石場(chǎng)和Hipermaquinas石場(chǎng)生產(chǎn)，Namaacha碎石（簡(jiǎn)稱N石）為5～10 mm、10～25 mm雙級(jí)配反擊破流紋巖碎石，外觀偏紅色，無潛在堿活性，根據(jù)級(jí)配曲線按2∶8的質(zhì)量比配合使用；Hipermaquinas碎石（簡(jiǎn)稱 H 石）為 5～10 mm、10～25 mm 雙級(jí)配反擊破流紋巖碎石，外觀偏青色，無潛在堿活性，根據(jù)級(jí)配曲線按3.5∶6.5的質(zhì)量比配合使用。粗骨料的基本性能見表5。

表5 粗骨料的基本性能指標(biāo)

（5）減水劑：上海三瑞VIVID-500聚羧酸系高性能減水劑，主要性能指標(biāo)見表6。

表6 減水劑的主要性能指標(biāo)

（6）水：符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地下水。

2 配合比試驗(yàn)研究

2.1 粗骨料品種對(duì)海工混凝土性能的影響

由表5可以看出，項(xiàng)目所能采購到的粗骨料為吸水率超過2%的碎石，為了明確2種碎石的應(yīng)用范圍，對(duì)2種碎石的吸水率進(jìn)行對(duì)比，并將2種碎石中小于75 μm的顆粒（石粉）利用BJH法進(jìn)行孔分布測(cè)試，結(jié)果見圖1、圖2、表7。

圖1 2種碎石的吸水率對(duì)比

圖2 2種碎石的孔徑分布

表7 BJH法粗骨料的孔分布

從圖1可以看出，N石的吸水速率以及飽和吸水量均大于H石。N石在1 h時(shí)已經(jīng)趨于吸水平衡，而H石則在3 h后吸水才趨于平衡。

從2種骨料中小于75 μm顆粒（石粉）的比表面積結(jié)果可以看出，其比表面積已經(jīng)超過了水泥的比表面積，同時(shí)可以測(cè)出其平均孔徑分別為20.7、14.4 nm，結(jié)合化學(xué)成分分析結(jié)果可知，這2種粗骨料大吸水率主要因?yàn)槠錇槎嗫捉Y(jié)構(gòu)。N石所含孔體積大于H石，從而能吸附更多的水，表現(xiàn)為吸水率更大。

將2種粗骨料分別應(yīng)用于C40混凝土中，C40混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（細(xì)骨料）∶m（粗骨料）∶m（水）∶m（減水劑）=328∶109∶744∶948∶166∶5.24，性能測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 不同粗骨料配制C40混凝土的性能

由表8可見，在相同配合比情況下，用2種不同碎石配制的C40混凝土工作性差異較大，其中使用H石配制的混凝土初始流動(dòng)性比N石要大，力學(xué)性能方面也優(yōu)于N石配制的混凝土，經(jīng)時(shí)損失方面H石略大一些。究其原因在于H石的吸水量小于N石，由于H石的孔徑小于N石，導(dǎo)致所吸附的水釋放出來的速度變慢，表現(xiàn)為經(jīng)時(shí)損失大于N石；H石的表觀密度大于N石，石頭表現(xiàn)更為堅(jiān)硬，故此抗壓強(qiáng)度也更高一些?？紤]到施工現(xiàn)場(chǎng)石材匱乏，確定使用施工性保持更為良好的N石配制C40海工混凝土，而使用力學(xué)性能更優(yōu)的H石配制C50海工混凝土。

2.2 馬普托大橋C40海工混凝土配合比的確定

以N石作為粗骨料，確定砂率為44%，固定密度為2300 kg/m3，減水劑摻量為1.2%，用水量為166 kg/m3，通過變化膠凝材料總量達(dá)到改變水膠比的目的?？疾霤40混凝土在0.36、0.38、0.40三個(gè)水膠比、20%、25%、30%、35%、40%五個(gè)粉煤灰摻量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果見表9。

由表9可以看出，所有混凝土配合比的抗壓強(qiáng)度富余系數(shù)均較高?；炷量箟簭?qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)符合水膠比越低強(qiáng)度越高的規(guī)律；同樣粉煤灰摻量情況下，水膠比為0.38和0.36的抗壓強(qiáng)度較為接近，比水膠比為0.40的混凝土強(qiáng)度高10%以上。故此，綜合抗壓強(qiáng)度以及生產(chǎn)成本，選擇0.38水膠比為C40混凝土的最佳水膠比。

表9 水膠比和粉煤灰摻量對(duì)C40混凝土性能的影響

對(duì)比C40混凝土在0.38水膠比下工作性及力學(xué)性能變化可以看出，粉煤灰摻量增大，混凝土初始坍落度增大，表明粉煤灰的需水量低于水泥；且隨著粉煤灰摻量提高，坍落度保持更佳。粉煤灰能在混凝土中起到“滾珠”效應(yīng)，因此，粉煤灰摻量增大對(duì)混凝土施工性有所改善，可以提高混凝土的工作性。從抗壓強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比可以看出，粉煤灰摻量增大，混凝土的7 d、28 d強(qiáng)度均下降，其中7 d強(qiáng)度下降比較明顯，28 d強(qiáng)度降幅較小。粉煤灰摻量小于30%時(shí)，7 d強(qiáng)度變化不大，故為了降低海工混凝土的早期水化熱以提高混凝土的耐久性，應(yīng)進(jìn)一步提高粉煤灰摻量以降低早期放熱。粉煤灰摻量在35%以下時(shí)，28 d強(qiáng)度波動(dòng)較小。因此為了達(dá)到降低混凝土早期水化熱但不影響后期強(qiáng)度的目的，選擇粉煤灰摻量為35%為最佳摻量。C40大吸水率粗集料海工混凝土的最佳配合比為：膠凝材料總量437 kg/m3，水膠比0.38，粉煤灰摻量35%。

2.3 馬普托大橋C50海工混凝土配合比的確定

以H石作為粗骨料，確定砂率為40%，固定密度為2360 kg/m3，減水劑摻量為1.2%，固定用水量為162 kg/m3，通過變化膠凝材料總量達(dá)到改變水膠比的目的?？疾霤50混凝土在0.31、0.33、0.35三個(gè)水膠比、20%、25%、30%、35%、41%五個(gè)粉煤灰摻量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果見表10。

由表10可見，所有混凝土配合比的抗壓強(qiáng)度富余系數(shù)均較高?；炷翉?qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)符合水膠比越低強(qiáng)度越高的規(guī)律。C50混凝土主要用于塔柱和T梁，因塔柱采用液壓爬模方式施工，T梁7 d需要張拉，故對(duì)7 d強(qiáng)度要求比較高，需要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的110%。0.35水膠比下7 d強(qiáng)度均不能滿足要求，0.33和0.31水膠比時(shí)可以達(dá)到要求，綜合強(qiáng)度和成本要求，選擇0.33水膠比為C50混凝土的最佳水膠比。

表10 水膠比和粉煤灰摻量對(duì)C50混凝土性能的影響

對(duì)比C50混凝土在0.33水膠比下工作性能變化及力學(xué)性能變化，可以看出，粉煤灰摻量超過25%后，坍落度變化并不大，可能因?yàn)榇藭r(shí)漿骨比達(dá)到了35∶65，為最佳漿骨比，混凝土對(duì)水的敏感度降低，從而坍落度經(jīng)時(shí)變化變小。故在0.33水膠比下，粉煤灰摻量變化對(duì)混凝土的工作性影響較小。從抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，粉煤灰摻量增大，混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均下降，其中7 d強(qiáng)度下降較明顯，28 d強(qiáng)度下降幅度略小。為了滿足施工要求，希望獲得較高的7 d強(qiáng)度，故此選擇20%為粉煤灰最佳摻量。C50大吸水率粗集料海工混凝土的最佳配合比為：膠凝材料總量491 kg/m3，水膠比0.33，粉煤灰摻量20%。

2.4 混凝土的耐久性

經(jīng)試驗(yàn)確定C40和C50海工混凝土的最佳配合比見表11。對(duì)2個(gè)配合比的試塊進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，對(duì)比海水浸泡以及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2種條件下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化，并將在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試塊進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試，結(jié)果見表12。

海水浸泡養(yǎng)護(hù)條件：在帶蓋容器中存放于馬普托灣的海水中，將容器置于室外，試塊浸泡在海水中，到一定齡期后將試塊取出進(jìn)行測(cè)試。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件：室溫（20±2）℃，相對(duì)濕度不小于95%。氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法：RCM法，非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法。

表11 大吸水率粗集料海工混凝土配合比

表12 大吸水率粗集料海工混凝土的耐久性

由表12可以看出，海水中養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度無損失，養(yǎng)護(hù)至180 d時(shí)2種養(yǎng)護(hù)體系中的混凝土試塊強(qiáng)度基本相同。從氯離子擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，365 d時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于1.6×10-12m2/s，說明混凝土的抗海水侵蝕性在增強(qiáng)。

3 結(jié)語

在地材受限情況下，研究了使用大吸水率粗集料如何配制C40、C50海工高性能混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）N石的吸水速率以及飽和吸水量均大于H石。主要原因在于N石所含孔體積大于H石，且孔徑比H石更大。H石配制的混凝土抗壓強(qiáng)度較高，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)石材匱乏，確定使用施工性保持更為良好的N石配制C40海工混凝土，而使用力學(xué)性能更優(yōu)的H石配制C50海工混凝土。

（2）以N石作為粗骨料，考察C40混凝土在不同水膠比和粉煤灰摻量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果確定C40混凝土的最佳水膠比為0.38，粉煤灰摻量為35%時(shí)更有利于降低早期水化熱同時(shí)不影響后期強(qiáng)度。

（3）以H石作為粗骨料，考察C50混凝土在不同水膠比和粉煤灰摻量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果確定C50混凝土的最佳水膠比為0.33，粉煤灰摻量為20%時(shí)能夠滿足施工部位對(duì)7 d抗壓強(qiáng)度的要求。

（4）對(duì)確定的C40、C50海工混凝土進(jìn)行海水浸泡試驗(yàn)以及氯離子遷移系數(shù)測(cè)試，180 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與標(biāo)樣條件下基本相同，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著齡期延長(zhǎng)越來越小，365 d時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于1.6×10-12m2/s，表明所設(shè)計(jì)的海工混凝土具有抗海水侵蝕性能。

[1] 張亞梅.土木工程材料[M].5版.南京：東南大學(xué)出版社，2014.

[2] 許海.淺談集料吸水率偏大的水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)[J].廣東公路交通，2011（1）：20-22.

[3] 張?jiān)ゴ?高性能混凝土的設(shè)計(jì)法則及在施工中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2016（1）：137-138.

[4] 張莉.化學(xué)外加劑對(duì)水泥水化歷程的影響及作用機(jī)理研究 [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004

[5] 趙蘊(yùn)林.粉煤灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性性能的影響[J].四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（2）：69-71.

[6] 徐強(qiáng)，俞海勇.大型海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究與實(shí)踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：52-65.