干燥、大溫差環(huán)境高性能混凝土配合比試驗(yàn)

侯之瑤,許 俊,孫約瀚,趙 兵,王海波,柯宇慶

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁系，四川成都 610000；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230022)

某西北地區(qū)高速鐵路橋的預(yù)制拼裝節(jié)段箱梁設(shè)計采用C60混凝土預(yù)制。受該地區(qū)干燥、大溫差氣候環(huán)境的影響，混凝土運(yùn)輸、澆筑過程中失水快，增加了泵送困難[1]；受結(jié)構(gòu)尺寸影響，養(yǎng)護(hù)難度高，體積穩(wěn)定性差，極易出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫和收縮裂縫[2-3]。因此，混凝土強(qiáng)度和耐久性難以保證。

高性能混凝土具有不易離析、早期強(qiáng)度高、力學(xué)性能可靠、體積穩(wěn)定性好、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前，國內(nèi)外對于高性能混凝土的研究較為成熟,對于配合比在高性能混凝土工作性能的影響上也有較深入的探討[4-7]，但針對干燥、大溫差氣候條件下，高性能混凝土應(yīng)用于大體積結(jié)構(gòu)的配合比研究還不夠充分。

為解決前述工程問題，本文從高性能混凝土配合比著手進(jìn)行試驗(yàn)研究，意在制備出適用于干燥、大溫差環(huán)境的高性能混凝土。

1 工程背景

該工程地區(qū)晝夜溫差大，夏季高溫、日照強(qiáng)烈，冬季氣溫低至零下。全年干燥少雨，年平均降雨量少，降雨集中在7、8月。當(dāng)?shù)仫L(fēng)大且風(fēng)期較長，年平均相對濕度較低。是典型的干燥、大溫差氣候環(huán)境。該工程為高速鐵路橋梁建設(shè)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性要求高，施工難度大、周期長，工程質(zhì)量不易控制。且受環(huán)境和工期影響，混凝土必須具有較高早期強(qiáng)度。

在這種工程背景下，為保證混凝土施工質(zhì)量以及使結(jié)構(gòu)能夠長久的安全使用下去，高性能混凝土除了應(yīng)達(dá)到強(qiáng)度要求外，還應(yīng)達(dá)到如表1所示指標(biāo)[11-13]。

表1 高性能混凝土性能指標(biāo)

為了滿足包括表 1在內(nèi)的各項(xiàng)混凝土指標(biāo)，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[4-7]，基于干燥、大溫差環(huán)境問題，通過材料選擇和配合比試驗(yàn)，探究能夠適用該工程的高性能混凝土配合比。

2 材料選擇

由于受干燥、大溫差氣候影響，混凝土失水快，材料選擇應(yīng)圍繞提高拌合物性能和避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫進(jìn)行。對于材料選取，首先應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，這就要求水泥和骨料的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。此外，水泥還應(yīng)選擇水化熱低、含堿量低的，粗骨料應(yīng)選擇含泥量低、級配較好的，這有助于保證混凝土強(qiáng)度和耐久性。選擇內(nèi)摩擦較小的細(xì)骨料則有利于混凝土拌和物的流動性，且能保證混凝土澆筑時不離析、不分層。外加劑和摻合料對提高混凝土性能有很大的作用，合理加入外加劑和摻合料將大大改善混凝土的性能。對于干燥、大溫差環(huán)境，加入高效減水劑來降低水膠比，將有效抑制收縮裂縫的產(chǎn)生[8]。合理用量的摻合料粉煤灰，不但能夠降低水化熱，有效抑制大體積結(jié)構(gòu)的早期開裂，還能夠提高混凝土和易性、耐久性[9]。

基于以上討論，水泥選用P.O 52.5 水泥；粗骨料選用5～20 mm粒徑碎石(整形加工)；細(xì)骨料選用II區(qū)中砂；水采用各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的飲用水；外加劑采用RAWY101高性能減水劑，減水率可達(dá)30 %；摻合料選用F類C50以上粉煤灰。

3 配合比試驗(yàn)設(shè)計

配合比設(shè)計需要確定的參數(shù)為試配強(qiáng)度、水膠比、用水量、砂率、外加劑摻量等。

3.1 適配強(qiáng)度

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]，經(jīng)計算混凝土的試配強(qiáng)度為69.9 MPa。

3.2 配合比確定原則

在干燥、大溫差環(huán)境下，考慮到水膠比對混凝土早期開裂和強(qiáng)度的影響[5][8]，水膠比不宜過大，應(yīng)小于0.40[12-13]。

若膠凝材料用量大，則混凝土水化熱大，易與養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度形成溫差應(yīng)力，混凝土極易出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫，在該工程所處的環(huán)境下，最大凝膠材料用量為500 kg/m3[12-13]。

最佳砂率的選取對于混凝土性能有著重要影響，為保證流動性，混凝土砂率應(yīng)在37 %～43 %選取[7]。

粗骨料采用30 % 5～10 mm碎石與70 % 10～20 mm碎石搭配，此時粗骨料的孔隙率最小[7]。

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，用粉煤灰取代一定比例水泥可以降低水化熱、減小塑性收縮，從而減少結(jié)構(gòu)裂縫。但粉煤灰會使結(jié)構(gòu)早期強(qiáng)度降低[14]，過量的粉煤灰還會加劇結(jié)構(gòu)碳化[15-16],因此粉煤灰摻量取30 %以內(nèi)[12-13]。

3.3 試驗(yàn)方案

基于3.2中原則，結(jié)合現(xiàn)有的研究結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置了如表2所示的6組配合比參數(shù)，主要考慮了粉煤灰用量、水膠比對混凝土的影響。

表2 高性能混凝土試驗(yàn)配合比參數(shù)

1～3號試驗(yàn)研究粉煤灰用量分別為10 %、20 %、30 %對混凝土的影響。2～6號試驗(yàn)研究了水膠比對混凝土的影響。其中，2、4、5號試驗(yàn)利用減水劑的減水效果，在不改變膠體和固體材料用量的前提下,通過改變用水量來調(diào)整水膠比。6號試驗(yàn)水膠比最大，作為對照試驗(yàn)組。與2號試驗(yàn)對比，其通過改變凝膠材料用量來調(diào)整水膠比。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 基本性能測試

分別測試6組試驗(yàn)中混凝土的性能，測試結(jié)果匯總于表3。

由表3測試數(shù)據(jù)可知，不同配合比下混凝土拌合物的性能基本滿足表1指標(biāo)，說明在研究的配合比范圍內(nèi)，拌合物性能較為優(yōu)良，這表明前文的材料選擇、試驗(yàn)設(shè)置具有合理性。

表3 混凝土拌合物性能及實(shí)體力學(xué)性能測試

對比1～3號試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出隨著粉煤灰含量的增大，拌合物的坍落度不斷增大，泌水率不斷減小，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，粉煤灰用量的增加對拌合物的流動性、保水性有利。但隨著粉煤灰用量增加，混凝土的強(qiáng)度不斷下降，3號試驗(yàn)配合比下的混凝土強(qiáng)度已低于適配強(qiáng)度要求。這與現(xiàn)有的研究結(jié)論一致。

對比2～6號試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水膠比越小，混凝土強(qiáng)度越高。但水膠比對混凝土的影響來自兩個方面，分別是水和凝膠材料。2、4、5號試驗(yàn)表明，隨著用水量的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸減小，4號試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度已低于試配強(qiáng)度。

2、4、5號試驗(yàn)結(jié)果顯示，用水量每增大5 %，混凝土7 d強(qiáng)度降低10 %。因此，當(dāng)水膠比在0.31附近時，用水量對于混凝土早期強(qiáng)度影響很敏感。但對于28 d強(qiáng)度，2、5號試驗(yàn)結(jié)果相差不大，這是受材料自身強(qiáng)度限制。2、4號試驗(yàn)的28 d強(qiáng)度相差約11 MPa，這說明在4號試驗(yàn)水膠比0.33情況下，加入高效減水劑減少水量，將大大提高混凝土強(qiáng)度。但隨著用水量減小，混凝土坍落度也不斷減小，拌合物的流動性變差。在干燥、大溫差環(huán)境下，混凝土水分蒸發(fā)快，坍落度小不利于混凝土施工。因此，應(yīng)在滿足混凝土強(qiáng)度的前提下，保有一定的用水量。

對比2、6號試驗(yàn)，凝膠材料用量降低15 %，混凝土7 d和28 d強(qiáng)度均下降較多。因此，應(yīng)使凝膠材料用量充足，以保證混凝土強(qiáng)度滿足要求。

4.2 現(xiàn)場測試

綜合考慮混凝土強(qiáng)度和拌合物性能，可認(rèn)為2號試驗(yàn)的配合比適用性最強(qiáng)。

由于工程所處干燥、大溫差氣候環(huán)境的特殊性，應(yīng)在現(xiàn)場對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表4、表5所示。

表4 混凝土耐久性測試結(jié)果

表5 現(xiàn)場梁體力學(xué)性能測試結(jié)果及開裂情況

以上數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，混凝土各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)、耐久指標(biāo)滿足要求，說明混凝土力學(xué)性能、耐久性能良好。2號試驗(yàn)配合比下的混凝土能夠適用于干燥、大溫差氣候環(huán)境，且能滿足施工技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

5 結(jié)論與建議

(1)在干燥、大溫差氣候條件下，高性能混凝土的工作性、實(shí)體質(zhì)量。應(yīng)從混凝土原材料選擇、配合比設(shè)計方面優(yōu)化改善。

(2)性能優(yōu)良、用量合理的混凝土材料有助于提高拌合物性能。應(yīng)根據(jù)材料對混凝土的影響，針對具體工程問題，進(jìn)行合理選擇應(yīng)用。

(3)在類似工程中，水膠比建議取值0.31左右。粉煤灰建議摻入10 %～20 %用量。

(4)水膠比在0.31附近時，用水量對混凝土早期強(qiáng)度影響敏感，高效減水劑的使用效果也更加明顯。

(5)應(yīng)在凝膠材料用量充足的前提下，通過減少用水量，來降低水膠比，提升混凝土強(qiáng)度。

(6)過低的用水量不利于混凝土流動性。應(yīng)設(shè)計合理的用水量，使混凝土在滿足強(qiáng)度的前提下，還有足夠的流動性。

(7)高性能混凝土的質(zhì)量保證，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的條件，采取合理的措施，從混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑、改進(jìn)養(yǎng)護(hù)工藝等方面，不斷優(yōu)化、改善混凝土性能，從而保證混凝土的設(shè)計要求、耐久性和使用性。