橋梁用高強度自密實混凝土配制試驗研究

鄭 麗 陳露一 黃有強 張志豪

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸朝著復(fù)雜化、高強度、高性能的方向邁進，各種大跨和新型結(jié)構(gòu)橋梁不斷出現(xiàn)，對混凝土的性能也提出了更高的要求。一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為了保證較好的穩(wěn)定性，往往需要配筋稠密且復(fù)雜，然而這種環(huán)境下混凝土難以振搗，有的特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu)，振搗可操作空間有限，施工非常困難，施工質(zhì)量也難以保證。因此，這一類混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時需要混凝土具有好的施工性能和自填充性能，能夠通過鋼筋密集、結(jié)構(gòu)截面比較復(fù)雜的工程部位。

自密實混凝土(self-compacting concrete，SCC)，是指在澆筑過程中無需施加任何振搗，僅依靠混凝土自重就能完全填充至模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙的高性能混凝土[1]。利用其自密實的工作特性，自密實混凝土可以在不利的施工條件下密實成型，避免因振搗不足而造成空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷，同時有效提高了澆筑速度，簡化了混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝，降低了施工噪聲，節(jié)約了施工成本和勞動力，也改善施工環(huán)境和現(xiàn)場周邊環(huán)境[2]。

目前自密實混凝土配合比的設(shè)計方法有很多，其中可概括為固定砂石體積含量法、骨料比表面積法，以及全計算方法、改進全計算法4種方法。但是大量試驗證明，采用現(xiàn)有的配合比設(shè)計方法設(shè)計出的自密實混凝土的配合比，往往都需要先經(jīng)過試拌，查看其工作性能，再進一步根據(jù)其強度來確認最終配合比，其配合比設(shè)計的工作量往往是普通混凝土的好幾倍，難以快速準確配制出滿足要求的自密實混凝土，同時原材料的變動，也會對自密實混凝土產(chǎn)生很大的影響，甚至可能需要重新確定混凝土的配合比。因此，合理控制自密實混凝土原材料品質(zhì)，優(yōu)化配合比設(shè)計方法，對自密實混凝土的配制具有重要意義。

1 自密實混凝土配合比設(shè)計方法

1.1 骨料比表面積法

骨料比表面積法是王海娜等[3]在原材料基礎(chǔ)上，建立骨料比表面積計算方法及富余漿量計算模型，理論研究原材料條件下的自密實混凝土配合比設(shè)計時，提出的自密實混凝土配合比設(shè)計步驟。此方法提出了砂富余系數(shù)說法，認為砂子填充完石子空隙后，若無富余量，則石子接觸面上無砂子起“滾珠”作用，則混凝土流動性不能滿足，因此砂子一定有富余。與普通混凝土相比，自密實混凝土砂率應(yīng)更高，因此砂的富余系數(shù)一般取上限1.20～1.25。

1.2 固定砂石體積含量法

目前JGJ/T 283-2012 《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中所采用了固定砂石體積含量法，此方法給出了單位體積(m3)混凝土中砂石的體積含量范圍，認為粗骨料的體積含量和砂在砂漿中的體積含量是影響拌合物流動性的重要參數(shù)，這與普通混凝土有著明顯的區(qū)別。由于砂石參數(shù)取值的確定過于經(jīng)驗化，也未考慮到原材料質(zhì)量變化對自密實混凝土的影響，因此，設(shè)計出的配合比均需要進行適配調(diào)整。

1.3 全計算法

全計算法是由陳建奎[4]提出的，將推導(dǎo)出的高性能混凝土單位體積(m3)用水量和砂率的計算公式，與傳統(tǒng)水膠比定則結(jié)合，計算出混凝土各組分用量的計算方法。全計算法的基本觀點認為，混凝土各組分具有體積加和性，干砂漿填充石子空隙，水填充干砂漿空隙，而干砂漿由膠凝材料、砂和空隙組成。

由于高流變性能要求，自密實混凝土配合比需要有較小的粗骨料體積含量和足夠的砂漿，而全計算法計算出的漿骨比不能滿足此要求。同時全計算法計算出的砂率會隨用水量的降低而降低，造成混凝土的砂率偏小、石子的松堆體積偏大、漿體含量較少的現(xiàn)象。因此，全計算法可以用于大多數(shù)高性能混凝土的配合比設(shè)計，但用于自密實混凝土配合設(shè)計時，存在一定的缺陷。

1.4 改進全計算法

改進全計算法是由中南大學(xué)余志武等[5]結(jié)合固定砂石體積含量法的特點，對全計算法用于計算自密實混凝土配合比時進行改進而提出的配合比設(shè)計方法。此方法中混凝土的配制強度、水膠比、用水量和膠凝材料及礦物摻合料用量的計算方法沿用了全計算法中的計算公式，砂石用量則采用了固定砂石體積含量法的計算方法計算，最終計算出自密實混凝土的配合比。

改進全計算法仍存在原本高性能混凝土配合比設(shè)計方法的一些缺點，一般高性能混凝土配合比設(shè)計跟自密實混凝土配合比設(shè)計的側(cè)重點有較大差別，其設(shè)計方法中通常對混凝土拌合物工作性能體現(xiàn)不足，因此無法保證一次性成功配制。

由于設(shè)計理念的不同，4種自密實混凝土配合比設(shè)計方法設(shè)計出的自密實混凝土差異性也較大，為了進一步了解骨料比表面積法、固定砂石體積含量法、全計算方法，以及改進全計算法在制備高強度自密實混凝土?xí)r的準確性，擬采用這4種配合比設(shè)計方法配制C50、C60強度等級的自密實混凝土，得到適用于配制高強度自密實混凝土的配合比設(shè)計方法。

2 自密實混凝土的配制實例

2.1 原材料

配制自密實混凝土所用原材料信息，見表1。

表1 混凝土原材料基本信息

2.2 C50、C60自密實混凝土配合比的設(shè)計

根據(jù)4種配合比設(shè)計計算公式，計算出C50、C60等級強度自密實混凝土配合比，具體配合比見表2。其中：A為采用骨料比表面積法計算出的配合比；B為采用固定砂石體積含量法計算出的配合比；C為采用全計算法計算出的配合比；D為采用改進全計算法計算出的配合比。表3為自密實混凝土工作性能指標要求，對8組混凝土的工作性能和抗壓強度進行測試，結(jié)果見表4。

表2 不同配合比設(shè)計方法設(shè)計出的C50、C60配合比

表3 自密實混凝土拌合物工作性能指標要求

表4 配制的自密實混凝土工作性能和強度

由表3和表4可知，4種計算方法設(shè)計出的混凝土配合比，總膠凝材料用量及砂率有較大差異，尤其是全計算法計算出的配合比，砂率偏小，沒有充足的砂漿來包裹石子，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生了泌漿的現(xiàn)象，另外3種計算方法設(shè)計的混凝土，工作性能差異較大，但基本都可以達到規(guī)定的性能要求。在混凝土力學(xué)性能方面，4種計算方法設(shè)計出的混凝土水灰比偏大，強度偏低，無法達到相應(yīng)的強度等級，因此需要對混凝土配合比進行優(yōu)化，在保證自密實混凝土工作性能的前提下，提高混凝土的強度。

為了確定出滿足要求的C50、C60自密實混凝土配合比，綜合考慮以上8組配合比的工作性能和力學(xué)性能，1B和2B 2組混凝土的28 d強度最高，因此以這2組配合比為基準，進行優(yōu)化。增加膠凝材料用量或降低水膠比是提高混凝土強度的有效途徑。1B和2B 2組配合比中，考慮到膠凝材料用量較大，因此，采用降低混凝土水膠比的方式來提高混凝土的強度。為了使混凝土中的石子能夠完全被砂漿包裹，同時又有適量的漿體可作為石子間的“潤滑劑”，以保證混凝土的高流動性和填充性，在降低水膠比后，需要相應(yīng)的提高砂率，以確?；炷林械臐{體總量。相較于水泥，礦粉粒徑更小，活性更高，具有較好的黏聚性，在C50混凝土配合比中，由于水膠比和砂率較大，混凝土容易產(chǎn)生離析、泌漿的現(xiàn)象，通過提高礦粉的摻量，改善混凝土工作性能的同時，也保證了混凝土的強度。

優(yōu)化后的配合比見表5。分別采用SC50、SC60表示C50、C60自密實混凝土，其工作性能和抗壓強度見6。

表5 優(yōu)化后的C50、C60自密實混凝土配合比

表6 優(yōu)化后的的C50、C60自密實混凝土工作性能和強度

由表6可知，通過優(yōu)化配合比，配制出的C50、C60自密實混凝土其工作性能和力學(xué)性能均滿足了配制要求。圖1、圖2分別為C50、C60自密實混凝土擴展度和J環(huán)擴展度圖。由圖1、圖2可知，2組混凝土工作狀態(tài)優(yōu)良，工作性能更穩(wěn)定。

圖1 C50自密實混凝土工作狀態(tài)

圖2 C60自密實混凝土工作狀態(tài)

通過以上C50、C60自密實混凝土配合比試驗，可以得到以下2個結(jié)論：①采用4種自密實混凝土配合比設(shè)計方法配制高強度自密實混凝土?xí)r，混凝土強度是主要難點，為了達到配制要求，需要對初始配合比進行優(yōu)化。相對而言，宜采用固定砂石體積含量法配制高強度自密實混凝土，設(shè)計出的混凝土最接近最優(yōu)配合比，可減少適配的工作量；②配制C50、C60自密實混凝土?xí)r，需要對混凝土的膠凝材料總量、水膠比及砂率進行控制，以確?；炷恋墓ぷ餍阅芎蛷姸?。C50等級混凝土的膠凝材料用量宜控制在(520±10) kg/m3，水膠比控制在0.30左右；C60等級混凝土的膠凝材料用量宜控制在(540±10) kg/m3，水膠比控制在0.28左右，2種等級混凝土的砂率皆控制在0.52左右，可有效保證混凝土的工作性能和強度，提高C50、C60自密實混凝土的配制成功率。

2.3 自密實混凝土的耐久性及體積穩(wěn)定性

按照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性測試方法》中的電通量法和快凍法，對配合比優(yōu)化后的C50、C60自密實混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性進行測試，抗氯離子滲透性試驗結(jié)果見表7、抗凍性試驗結(jié)果見圖3；按照接觸法，對混凝土的土干燥收縮率性進行測試，測試結(jié)果見圖4。

表7 氯離子電通量實驗結(jié)果

圖3 混凝土抗凍性能

圖4 自密實混凝土干燥收縮性能

由表7試驗結(jié)果可知，C50、C60自密實混凝土的電通量都在1 000 C以下，抗氯離子滲透性評價均為“極低”等級，可以滿足一般鐵路、公路施工規(guī)范的要求。

由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對動彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率逐漸增加，C50自密實混凝土抗凍性能夠達到F300等級，C60自密實混凝土抗凍性能夠達到F400等級，抗凍性能優(yōu)異，高強度自密實混凝土具有較高的耐久性。

由圖4可知，隨著養(yǎng)護齡期的增加，混凝土的收縮率逐漸增大，早期收縮較劇烈，當養(yǎng)護至60 d時，收縮速率逐漸趨于0，混凝土基本不再收縮，SC50、SC60的60 d最終收縮率分別為314×10-6，272×10-6，文獻[6-9]調(diào)研顯示，普通C50、C60的60 d干燥收縮率一般在(200～300)×10-6之間。相較于同強度等級的普通混凝土，自密實混凝土膠凝材料用量大，但干燥收縮率與普通混凝土差別不大，說明優(yōu)化配制的C50、C60自密實混凝土體積穩(wěn)定性與同強度等級下的普通混凝土相當。

3 結(jié)語

自密實混凝土相對于普通混凝土，工作性能要求高，原材料品質(zhì)要求嚴格，在進行自密實混凝土配合比設(shè)計前，需要對原材料進行嚴格的篩選，尤其是砂石材料的選擇。本文通過配制C50、C60高強度自密實混凝土及其性能研究，得到了以下結(jié)論。

1) 采用骨料比表面積法、固定砂石體積含量法、全計算方法，以及改進全計算法4種的自密實混凝土配合比設(shè)計方法配制高強度自密實混凝土?xí)r，設(shè)計出的混凝土水膠比偏低，相對而言，采用固定砂石體積含量法計算出的配合比更準確，但還是需要對配合比進行優(yōu)化。

2) 配制高強度自密實混凝土?xí)r，需要對混凝土的主要膠凝材料總量、水膠比和砂率進行控制，保證混凝土的工作性能和強度同時，提高配制C50、C60自密實混凝土的成功率。試驗結(jié)論顯示：C50、C60自密實混凝土的膠凝材料用量最好控制在(520±10)kg/m3、(540±10)kg/m3，水膠比分別控制在0.30，0.28左右，砂率控制在0.52左右。

3) 高強度自密實混凝土具有優(yōu)異的抗凍性能，C50等級混凝土抗凍性能夠達到F300等級，C60等級混凝土抗凍性能夠達到F400等級；抗氯離子滲透性也可滿足大部分設(shè)計規(guī)范的要求；體積穩(wěn)定性與同強度等級下的普通混凝土相當。