礦物摻合料對干熱河谷地區(qū)混凝土性能影響研究★

呂劍鋒 梁麗敏 焦 巖 李世華 姜 磊

(云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

某高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋地處典型的干熱河谷地區(qū)，單幅橋?qū)?2.5 m，全長488 m，其中主橋為三跨連續(xù)剛構(gòu)橋。該地區(qū)具有降雨少、濕度小、蒸發(fā)大、日照充足、氣溫高等氣候特征。該橋0號塊混凝土設(shè)計強度等級為C55，垂直泵送高度98 m。0號節(jié)段作為連續(xù)剛構(gòu)橋中體積最大的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，其穩(wěn)定狀態(tài)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)質(zhì)量，受力情況在整個橋體中最為復(fù)雜[1]；且該地區(qū)“集熱效應(yīng)”較為突出，混凝土強度等級高、用水量低、膠凝材料用量高、混凝土黏度高，易造成混凝土泵送阻力大、失水快、工作性損失大，混凝土的泵送施工控制難度進一步加大[2]。

國內(nèi)外的專家和學(xué)者對大體積混凝土溫度應(yīng)力的計算和防裂技術(shù)進行了大量研究，但針對高溫炎熱環(huán)境下的公路橋梁大體積混凝土的研究比較少。且云南省全省范圍內(nèi)Ⅰ級粉煤灰產(chǎn)量低，采用Ⅰ級粉煤灰進行生產(chǎn)成本較高。本文以0號塊大體積泵送C55混凝土為研究對象，研究礦物摻合料種類及摻量對高溫低濕環(huán)境下混凝土工作性能、力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性，并進行工程應(yīng)用，旨在為高溫低濕環(huán)境下公路工程混凝土的施工提供理論依據(jù)和參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用瀛洲P.O52.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表1；粉煤灰采用Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰，性能指標(biāo)見表2；?；郀t礦渣粉采用紅河溶劑廠生產(chǎn)的S75級、S95級礦渣粉，性能指標(biāo)見表3；粗骨料選取5 mm～25 mm連續(xù)級配碎石，壓碎值18.9%，針片狀顆粒含量3.0%；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量1.2%。外加劑選用固含量15%的高性能聚羧酸減水劑，減水率29%。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

表3 礦渣粉性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

混凝土的工作性能指標(biāo)參照GB/T 50080普通混凝土拌和物性能測試方法；混凝土抗壓強度、靜力受壓彈性模量測試方法參照GB/T 50081普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進行，試驗環(huán)境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%的標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護；混凝土的平板開裂、非接觸收縮試驗參照GB/T 50082普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，試驗環(huán)境條件為日平均氣溫29 ℃，濕度53%，與施工同條件。

1.3 配合比

根據(jù)基于密實骨架堆積設(shè)計原理[3]及當(dāng)?shù)卦牧咸卣鬟M行配合比設(shè)計，選定水膠比為0.30，砂率40%，礦物摻合料摻量為20%，且采用S75級、S95級礦渣粉以及Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰單摻和復(fù)摻，并根據(jù)實際試配結(jié)果確定外加劑推薦摻量為2.2%，探究配合比參數(shù)對混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能影響?；炷恋呐浜媳纫姳?。

表4 混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物摻合料對混凝土泵送性能影響

表5是各組混凝土初始工作性及1 h經(jīng)時損失工作性指標(biāo)。由表5數(shù)據(jù)可知，礦物摻合料對新拌混凝土坍落度影響較小。

表5 礦物摻合料對混凝土工作性能的影響

配合比6號的工作性能最佳，采用S95級礦渣粉和Ⅰ級粉煤灰時工作性能略優(yōu)于S75級礦渣粉和Ⅱ級粉煤灰；采用粉煤灰和礦渣粉雙摻時其工作性能要優(yōu)于單摻，混凝土的整體和易性較好。混凝土坍落度均在210 mm以上，倒提時間在5 s以內(nèi)，擴展度均大于550 mm，坍落度餅中心均未出現(xiàn)骨料堆積現(xiàn)象，邊緣均沒有出現(xiàn)漿體析出(見圖1)。

對于礦物摻合料而言，改善混凝土工作性能主要依靠其微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，改善作用與摻合料品質(zhì)正相關(guān)。選用優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料可有效解決超高泵送混凝土泵送難題的關(guān)鍵技術(shù)措施。

2.2 礦物摻合料對混凝土力學(xué)性能的影響

表6為各組混凝土3 d，7 d，28 d抗壓強度和28 d靜力受壓彈性模量數(shù)據(jù)。由表6可知，不同摻量礦渣粉摻合混凝土的28 d強度均達設(shè)計值的125%以上，滿足設(shè)計及施工要求，且采用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料其28 d強度較S75級礦粉Ⅱ級粉煤灰有所提高。不同礦物摻合料摻合C55混凝土靜力受壓彈性模量在4.21×104MPa～4.38×104MPa之間，雙摻較單摻混凝土靜力受壓彈性模量呈現(xiàn)下降的趨勢，優(yōu)質(zhì)礦物摻合料配制的混凝土靜力受壓彈性模量較Ⅱ級粉煤灰S75級礦渣粉略低。

表6 C55混凝土強度及靜力受壓彈性模量

通過對不同礦物摻合料C55預(yù)應(yīng)力混凝土靜力受壓彈性模量分析比較，分別采用單摻及雙摻的方式，混凝土靜力受壓彈性模量無明顯相關(guān)關(guān)系，均滿足JTG D62—2012公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范要求(大于3.55×104MPa)，因此，選用Ⅱ級粉煤灰S75級礦渣粉配制C55預(yù)應(yīng)力混凝土可滿足施工要求。

2.3 礦物摻合料對混凝土體積穩(wěn)定性研究

混凝土早期收縮性能的試驗結(jié)果見表7。

表7 混凝土早期收縮率

由圖2可看出，混凝土25 h內(nèi)早期收縮程度較為嚴(yán)重，且采用雙摻配合比混凝土的早期收縮率較單摻略有提高；20 h～25 h時間段內(nèi)，采用S95級礦渣粉和Ⅰ級粉煤灰配制的混凝土收縮率較大。C55預(yù)應(yīng)力混凝土水膠比較小，水占整個膠凝材料體系的比例較小，混凝土內(nèi)部水分更容易遷移至空氣中造成混凝土表面失水，因此，選用雙摻配合比進行澆筑時，要加強養(yǎng)護，防止裂縫的產(chǎn)生。

表8為C55預(yù)應(yīng)力混凝土平板開裂指標(biāo)，由表8數(shù)據(jù)可知，C55預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂等級均可達到Ⅱ級。

表8 混凝土抗開裂性能

當(dāng)?shù)V物摻合料摻量小于30%時，礦物摻合料的摻入可以有效減少水化熱，縮小硬化過程中各部分之間的溫度差，從而減輕各個部分之間因溫差過大引起不均勻收縮而導(dǎo)致的裂紋；而當(dāng)?shù)V物摻合料摻量大于30%時，礦物摻合料的摻入會導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，使混凝土的強度降低，抵御載荷的能力下降，從而在硬化過程中容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[4](見圖3)。

2.4 工程應(yīng)用

選擇泵送施工，設(shè)備選擇三一重工HBT80C型S閥電動機拖泵,混凝土理論輸送壓力9.5 MPa/16.5 MPa(低壓/高壓)、混凝土理論輸送量80 m3/h/46 m3/h(低壓/高壓)。施工選擇直徑為125 mm泵管，經(jīng)過8個90°彎管垂直泵送98 m澆筑至0號塊頂端。

實際澆筑過程氣溫為34.3 ℃，相對濕度51%?；炷脸鰴C后靜置20 min±5 min后，對其進行初始工作性能測試。分別測試1 h和2 h時的經(jīng)時損失，工作性能見表9。

表9 混凝土出機工作性指標(biāo)

由表9可知新拌混凝土出機后的初始工作性能優(yōu)良，坍落度250 mm，擴展度560 mm，倒提時間5.0 s；漿體包裹骨料均勻，坍落度餅由邊緣至中心骨料分布均勻，邊緣無漿體析出，中心無骨料堆積。

混凝土工作性能經(jīng)時損失數(shù)據(jù)表明：1 h經(jīng)時損失較小，靜置2 h后工作性能指標(biāo)出現(xiàn)一定程度經(jīng)時損失，混凝土經(jīng)時工作性能數(shù)據(jù)表明坍落度損失為10 mm，擴展度損失30 mm，倒提時間延長1.6 s。采用高保坍型外加劑，工作性經(jīng)時損失較小，混凝土和易性較好，未出現(xiàn)漿體析出現(xiàn)象，坍落度餅中心未出現(xiàn)骨料堆積現(xiàn)象，且混凝土狀態(tài)較為柔和，2 h后可滿足垂直泵送98 m要求。

混凝土運輸至現(xiàn)場和出泵后的狀態(tài)見圖4。坍落度擴展度損失較小，和易性較好，目測坍落度餅邊緣無析漿，中心無骨料堆積。具體性能指標(biāo)如表10所示。

表10 混凝土泵送工作性指標(biāo)

在混凝土收光終凝后，在混凝土表面先用塑料薄膜覆蓋一層，以封閉混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)的途徑，以達到防止水滲透的目的[5]；再覆蓋一層干棉被，減少混凝土表面熱量的散發(fā)，以保證混凝土芯表溫差控制在25 ℃范圍內(nèi)?；炷粮采w養(yǎng)護必須嚴(yán)密貼實，保溫材料幅邊搭接寬度不少于10 cm；考慮到后期水分蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土表面失水，養(yǎng)護期間時刻保持混凝土表面濕潤，拆模后混凝土表面光滑，未出現(xiàn)裂縫。

3 結(jié)語

1)C55預(yù)應(yīng)力混凝土采用S95級礦渣粉、Ⅰ級粉煤灰雙摻可顯著提高混凝土工作性能，高保坍型減水劑時混凝土的工作性能最佳；60%減水母液+40%保坍母液復(fù)配的減水劑減水效果和保坍效果最佳，1 h后坍落度損失5 mm，擴展度損失30 mm，倒提時間延長1.5 s。

2)對于C55預(yù)應(yīng)力混凝土，礦物摻合料的加入對混凝土靜力受壓彈性模量影響較小，摻量為20%時(單摻或雙摻)，混凝土靜力受壓彈性模量大于3.55×104MPa；C55預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂等級均可達到Ⅱ級，采用雙摻配合比應(yīng)加強混凝土的早期養(yǎng)護。

3)混凝土的生產(chǎn)和泵送工作性能檢測數(shù)據(jù)表明：混凝土入泵坍落度在240 mm左右，擴展度為530 mm左右，倒提時間7 s以內(nèi)，且目測混凝土和易性良好，可滿足垂直泵送98 m的工作性能要求。