機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的設(shè)計(jì)與性能研究*

周 望 張高展 楊 軍 丁慶軍

(1.南京市公共工程建設(shè)中心 南京 210008；2.安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院 合肥 230601；3.安徽省先進(jìn)建筑材料工程實(shí)驗(yàn)室 合肥 230022; 4.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070)

近年來(lái)，伴隨我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，混凝土用砂量日益增加。同時(shí)，基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，大部分地區(qū)出臺(tái)了天然砂禁采的法令，使得施工用砂的缺口越來(lái)越大，施工成本也越來(lái)越高。因此，全面推廣機(jī)制砂的應(yīng)用也成為了建筑行業(yè)的共識(shí)。

機(jī)制砂是指通過(guò)制砂機(jī)和其他附屬設(shè)備將碎石或卵石加工而成的人工砂，成品質(zhì)量更加可控、原材料來(lái)源更加廣泛，符合建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要[1-5]。然而，機(jī)制砂顆粒尖銳、多棱角、表面粗糙，且通常石粉含量較高，其外加劑吸附量大，顆粒易團(tuán)聚，導(dǎo)致混凝土和易性差，泵送困難、收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增大?；谏鲜鲈?，機(jī)制砂通常用于低標(biāo)號(hào)的普通混凝土中。另一方面，用作橋梁結(jié)構(gòu)材料的混凝土，通常要求其必須具備易泵、高強(qiáng)、高耐久等特性。因此，機(jī)制砂在橋梁結(jié)構(gòu)等高性能混凝土中應(yīng)用較少。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文通過(guò)探究膠凝材料組成、砂率、功能組分、石粉含量對(duì)機(jī)制砂高性能混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)制備一種C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土，并研究其體積穩(wěn)定性能和耐久性能。研究成果已成功應(yīng)用于瀘州敘古高速橋梁工程。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為某公司產(chǎn)P·O 42.5，粉煤灰為武漢某電廠產(chǎn)I級(jí)粉煤灰，比表面積為454 m2/kg，礦粉為某公司產(chǎn)S95級(jí)高爐礦渣粉，比表面積為414 m2/kg；水泥、粉煤灰和礦粉的化學(xué)組成見(jiàn)表1；膨脹劑采用高效復(fù)合型膨脹劑，0.08 mm篩余6.2%，實(shí)測(cè)活性160 s；粗集料為市售5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值8.3%；細(xì)集料為瀘州產(chǎn)機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.63，石粉含量為11%；減水劑為江蘇博特產(chǎn)聚羧酸型高效減水劑，減水率27%；水為自來(lái)水。

表1 原材料化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；混凝土耐久性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的設(shè)計(jì)與制備

基于富余漿體理論及密實(shí)骨架堆積原理，設(shè)定水膠比0.29，并結(jié)合橋梁工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的基準(zhǔn)配合比為：水泥458 kg/m3，粉煤灰62 kg/m3，機(jī)制砂665 kg/m3，碎石1 105 kg/m3，聚羧酸減水劑摻量為1.4%，其工作和力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 基準(zhǔn)配合比C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的工作和力學(xué)性能

由表2可知，基準(zhǔn)配合比混凝土拌合物的初始工作性能及力學(xué)性能均滿足橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的施工要求。但是，靜置2 h后，坍落度/擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失較大，混凝土保塑性能較差，這主要是由于機(jī)制砂中石粉含量較高(11%)，對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量大導(dǎo)致的。同時(shí)，由表2還可看出，采用基準(zhǔn)配合比的混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)正常，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不足，28 d抗壓強(qiáng)度剛好滿足C60混凝土的要求，這可能是由于機(jī)制砂石粉含量較高，導(dǎo)致拌合物中漿體相對(duì)含量增多，使得拌合物中存在部分較大氣泡，影響了混凝土后期強(qiáng)度。

2.1.1功能組分外加劑對(duì)機(jī)制砂高性能橋梁混凝土性能的優(yōu)化

針對(duì)機(jī)制砂高性能混凝土拌合物黏度大、坍落度/擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失大，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不足的問(wèn)題，本試驗(yàn)采用保塑功能的醚類基團(tuán)含量較高的聚羧酸減水劑母液，解決拌合物黏度大的問(wèn)題；摻入具有緩凝作用的葡萄糖酸鈉，解決拌合物坍落度/擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失大的問(wèn)題；引入有機(jī)硅類消泡劑及松香熱聚物型引氣劑，采用“先消后引”的方式，消除大氣泡，引入大量均勻的微小氣泡，解決混凝土的工作性能較差和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不足的問(wèn)題。以HPC1配合比為基準(zhǔn)，利用上述復(fù)配功能組分的專用外加劑制備了機(jī)制砂高性能混凝土，其工作和力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 專用外加劑C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的工作和力學(xué)性能

由表3可知，利用復(fù)配了功能組分的專用外加劑制備的機(jī)制砂高性能橋梁混凝土具有優(yōu)異的工作性能和力學(xué)性能，其坍落度/擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失較小，含氣量降低，28 d抗壓強(qiáng)度增加明顯，達(dá)到了橋梁結(jié)構(gòu)混凝土易泵送和高強(qiáng)度的要求。這主要是緩凝、保塑功能組分延緩了混凝土早期水化進(jìn)程，使拌合物在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均保持良好的和易性。同時(shí)，采用“先消后引”的方式，消除混凝土拌合物中不規(guī)則的大氣泡，引入了大量均勻的微小氣泡，其“滾珠分散”效應(yīng)減小了物料顆粒間的相互位移阻力，降低了混凝土拌合物的黏度，提升了混凝土拌合物的流動(dòng)性，并分散了膠凝材料，促進(jìn)其水化[4-5]。

2.1.2膠凝材料組成對(duì)機(jī)制砂高性能橋梁混凝土性能的影響

橋梁工程中的混凝土結(jié)構(gòu)多屬大體積混凝土，若水泥用量過(guò)高易造成早期水化溫升過(guò)快，增大混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，用于橋梁工程的混凝土中常加入礦粉、粉煤灰等礦物摻合料，以改善混凝土的水化進(jìn)程，延緩水化放熱，提升混凝土的和易性和后期強(qiáng)度。本試驗(yàn)基于HPC2配合比，通過(guò)復(fù)摻礦粉和粉煤灰改變膠凝材料的組成，其配合比及對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同膠凝材料組成機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的配合比及性能參數(shù)

由表4可知，單摻粉煤灰和單摻礦粉的混凝土工作性能和力學(xué)性能均較二者復(fù)摻差，這主要是由于摻合料的復(fù)摻使得膠凝材料的顆粒級(jí)配更好，利于發(fā)揮摻合料的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)。而隨礦粉摻量減少，粉煤灰摻量增加，混凝土初始坍落度/擴(kuò)展度呈先增后減的趨勢(shì)，這是由于粉煤灰相比礦粉具有更好的“滾珠效應(yīng)”，可提高拌合物工作性能。然而，隨粉煤灰摻量增至16%時(shí)，混凝土工作性能反而降低，這是由于粉煤灰摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致部分粉煤灰顆粒游離，造成拌合物需水量上升，進(jìn)而影響其工作性能。隨礦粉摻量減少，粉煤灰摻量增加，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度增高，當(dāng)粉煤灰摻量增至16%，而礦粉摻量降至0%時(shí)，混凝土強(qiáng)度明顯降低。因此，綜合考慮混凝土工作性能及力學(xué)性能，確定復(fù)摻12%礦粉及4%粉煤灰。

2.1.3膠凝材料用量對(duì)機(jī)制砂高性能橋梁混凝土性能的影響

本試驗(yàn)基于HPC6組配合比，分別將膠凝材料總量由520 kg/m3調(diào)整為500，540和560 kg/m3，探討不同膠凝材料總量對(duì)混凝土工作和力學(xué)性能的影響規(guī)律，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 膠凝材料用量對(duì)混凝土性能的影響

由表5可知，隨膠凝材料用量增加，混凝土的坍落度/擴(kuò)展度增大，而力學(xué)性能先增加后降低。這是由于隨膠凝材料用量的增加，混凝土拌合物中的漿體量顯著增加，對(duì)骨料的包裹性和潤(rùn)滑效應(yīng)更強(qiáng)，顯著提升了混凝土的工作性能。然而，當(dāng)混凝土拌合物含漿率過(guò)高時(shí)，不僅增大混凝土的成本，還會(huì)削弱集料對(duì)混凝土的骨架支撐作用，力學(xué)性能降低，且會(huì)增大混凝土后期收縮開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，混凝土的膠凝材料用量存在一個(gè)最佳區(qū)間。本文綜合考慮混凝土工作和力學(xué)性能，確定其最佳膠凝材料用量為540 kg/m3。

2.1.4砂率對(duì)機(jī)制砂高性能橋梁混凝土性能的影響

混凝土良好的粗、細(xì)骨料比例不僅有利于拌合物的工作性能，也可提高混凝土密實(shí)堆積程度，促進(jìn)其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)和耐久性能的提升。本試驗(yàn)基于HPC9配比，分別將砂率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由38%調(diào)整為36%，40%和42%，探討砂率質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土工作和力學(xué)性能的影響規(guī)律，具體結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 砂率對(duì)混凝土性能的影響

由表6可知，砂率由36%增大至40%時(shí)，混凝土坍落度/擴(kuò)展度及各齡期抗壓強(qiáng)度均呈遞增趨勢(shì)。然而，當(dāng)砂率增至42%后，其坍落度/擴(kuò)展度及各齡期強(qiáng)度均降低。這主要是由于當(dāng)砂率為42%時(shí)，粗、細(xì)骨料間處于最優(yōu)顆粒級(jí)配狀態(tài)，此時(shí)砂漿充分包裹、潤(rùn)滑粗骨料，拌合物工作性能優(yōu)異，而最優(yōu)顆粒級(jí)配也使得混凝土密實(shí)堆積程度較高，力學(xué)性能較好。當(dāng)砂率過(guò)高時(shí)，拌合物黏度增大，工作性能降低，且易導(dǎo)致混凝土徐變收縮增大，不利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。綜上考慮，確定其最優(yōu)砂率為40%。

2.1.5石粉含量對(duì)機(jī)制砂高性能橋梁混凝土性能的影響

機(jī)制砂是由碎石或卵石軋制而成的人工砂，其石粉含量較高，會(huì)增大混凝土拌合物的黏度，不利于施工泵送[6]。本試驗(yàn)基于HPC12配比，分別將機(jī)制砂石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由11%調(diào)整為8%，4%和0%，探討石粉含量對(duì)混凝土工作和力學(xué)性能的影響規(guī)律，具體結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

由表7可知，當(dāng)石粉含量由11%降至8%時(shí)，混凝土的工作性能和力學(xué)性能變化不大。然而當(dāng)石粉含量降至4%和0%時(shí)，混凝土的工作性能顯著變差，力學(xué)性能也有所降低。這主要是因?yàn)橐欢渴鄣拇嬖冢砂l(fā)揮其微集料效應(yīng)及滾珠效應(yīng)，潤(rùn)滑包裹骨料，提高拌合物的工作性能，且可填充集料間空隙，增大混凝土結(jié)構(gòu)的致密程度。因此，機(jī)制砂的石粉含量以8%～11%為宜。

2.2 C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的體積穩(wěn)定性

機(jī)制砂高性能混凝土由于膠凝材料用量多、機(jī)制砂石粉含量高，易導(dǎo)致其收縮變形大，收縮開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)高，嚴(yán)重影響其體積穩(wěn)定性，工程中一般通過(guò)添加膨脹劑解決這一問(wèn)題。目前，常用的膨脹劑包括鈣礬石類、氧化鈣和氧化鎂類。鈣礬石耗水量大，會(huì)在早期同膠凝材料產(chǎn)生“爭(zhēng)水效應(yīng)”，不利于其水化反應(yīng)進(jìn)行，降低混凝土力學(xué)性能；而氧化鈣和氧化鎂類的膨脹劑可通過(guò)煅燒制度和粉磨細(xì)度的控制調(diào)節(jié)其活性。因此，本試驗(yàn)選用CaO和MgO雙膨脹源復(fù)合型膨脹劑，以HPC14為基準(zhǔn)配合比，分別添加0%,3%,5%,8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹劑，探究其對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表8和圖1。

表8 膨脹劑摻量對(duì)混凝土工作和力學(xué)性能的影響

由表8可知，隨膨脹劑摻量增加，混凝土的工作性能和各齡期抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)一定程度的下降。這主要是由于本試驗(yàn)中采用膨脹劑內(nèi)摻法取代膠凝材料，隨膨脹劑摻量增高粉料內(nèi)水泥含量降低導(dǎo)致。此外，膨脹劑內(nèi)的CaO組分主要在水化早期發(fā)揮作用，當(dāng)摻量過(guò)高時(shí)，也會(huì)和水泥產(chǎn)生一定的“爭(zhēng)水效應(yīng)”[7]。

圖1 混凝土自收縮曲線

由圖1可知，混凝土自收縮率隨復(fù)合膨脹劑摻量增大而顯著降低，當(dāng)膨脹劑摻量為8%時(shí)，混凝土180 d收縮率為315×10-6，僅為不摻膨脹劑組的57.3%。同時(shí)，采用混凝土平板開(kāi)裂試驗(yàn)檢測(cè)了膨脹劑摻量對(duì)其抗裂性能的影響，其結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 膨脹劑摻量對(duì)混凝土開(kāi)裂性能的影響

由表9可知，隨膨脹劑摻量增大，混凝土抗裂性能顯著提升。這主要是由于試驗(yàn)所用復(fù)合型膨脹劑采用雙膨脹源連續(xù)膨脹，補(bǔ)償收縮開(kāi)裂，且隨摻量增加可對(duì)膠凝組分內(nèi)水泥起“稀釋”作用，降低其早期水化溫升，抑制開(kāi)裂。綜合考慮混凝土工作、力學(xué)、收縮和抗裂性能，其膨脹劑摻量宜選擇5%。

2.3 C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的耐久性能

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果，制備出了具有優(yōu)異工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土。本試驗(yàn)選取HPC3、HPC7、HPC14、HPC18 4組，探究不同配比對(duì)混凝土抗碳化和抗氯離子滲透性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土的抗碳化和抗氯離子滲透性能

由表10可知，制備的C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土耐久性能優(yōu)異，28 d碳化深度低至5.1 mm，56 d電通量低至1 130 C，滿足橋梁結(jié)構(gòu)混凝土高耐久性能的要求。

3 工程應(yīng)用

敘永至古藺高速公路(簡(jiǎn)稱敘古高速)，是瀘州“一環(huán)七射一橫”交通骨架網(wǎng)絡(luò)的最后一條高速通道，項(xiàng)目全線長(zhǎng)65.739 km，概算總投資82.38億元，橋隧比56%(全線總長(zhǎng)65.739 km，橋梁共計(jì)23 225 m/82座)。敘古高速項(xiàng)目沿線缺少天然砂，而沿線多山，巖石分布廣，采用干法工藝生產(chǎn)機(jī)制砂極為方便。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，將本文研究?jī)?nèi)容應(yīng)用在敘古高速橋梁預(yù)制T梁生產(chǎn)中，具體施工配合比見(jiàn)表11，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，預(yù)制T梁混凝土性能指標(biāo)見(jiàn)表12。敘古高速部分橋梁結(jié)構(gòu)工程見(jiàn)圖3。

表11 敘古高速橋梁預(yù)制T梁施工配合比

表12 敘古高速橋梁預(yù)制T梁混凝土性能

由表12可知，采用施工配合比配制的C60機(jī)制砂高性能混凝土具有良好的和易性與自密實(shí)性，T500小于18 s，可泵送性能優(yōu)異，28 d抗壓強(qiáng)度為73.3 MPa，體積穩(wěn)定性和耐久性能優(yōu)良，滿足橋梁結(jié)構(gòu)混凝土施工和設(shè)計(jì)的要求。解決了利用高石粉含量機(jī)制砂制備的混凝土易離析泌水、過(guò)度黏稠、泵送性能差和硬化混凝土易收縮開(kāi)裂等問(wèn)題。

圖3 敘古高速C60機(jī)制砂高性能混凝土預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)制備出了一種具有優(yōu)異的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能的C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土，并成功應(yīng)用于敘古高速橋梁結(jié)構(gòu)工程，該混凝土具有以下特點(diǎn)。

1) 該C60機(jī)制砂高性能橋梁混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度分別可達(dá)到250 mm和615 mm，且經(jīng)時(shí)損失小，可實(shí)現(xiàn)自密實(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)70 MPa，180 d收縮率為315×10-6，力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性優(yōu)異。

2) 通過(guò)復(fù)摻礦物摻合料和復(fù)合型膨脹劑，可顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)致密度和耐久性，其28 d碳化深度僅為5.1 mm，56 d電通量為1 130 C。