礦物摻合料對(duì)橋塔混凝土性能與微結(jié)構(gòu)的影響

徐小華，謝俊凡，夏偉航，李北星

（1.湖北省赤壁長(zhǎng)江公路大橋有限公司，湖北 赤壁 437300；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

赤壁長(zhǎng)江公路大橋主橋設(shè)計(jì)為雙塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋，橋塔結(jié)構(gòu)橫橋向?yàn)镠 形結(jié)構(gòu)，北塔高217.33 m，南塔高223.0 m，混凝土設(shè)計(jì)C50強(qiáng)度。橋塔混凝土施工中存在高程泵送、裂縫控制、外觀質(zhì)量提升和耐久性要求高等技術(shù)難題，其中的下塔柱起步段、下橫梁與塔柱連接處等部位屬于大體積高強(qiáng)混凝土，易產(chǎn)生溫度裂縫；上塔柱高空豎向結(jié)構(gòu)施工難以實(shí)施良好養(yǎng)護(hù)，增大早期收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，降低混凝土耐久性尤其是表層結(jié)構(gòu)的抗?jié)B和碳化耐久性。國(guó)內(nèi)已建成的大跨徑混凝土斜拉橋混凝土橋塔發(fā)生開裂現(xiàn)象較為普遍[1-5]，主要為豎向裂縫。因此，橋塔混凝土的施工須解決可泵性與抗裂性問題。

根據(jù)不同高程對(duì)混凝土泵送工作性與抗裂性要求及施工養(yǎng)護(hù)難易程度的差異，將塔柱混凝土配合比分為3 個(gè)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能研究：下塔柱、下橫梁大體積抗裂性混凝土；中塔柱高程泵送高性能混凝土（泵送高度約＜150 m）；上塔柱及上橫梁超高程泵送高性能混凝土（泵送高度≥150 m）。本文對(duì)比研究了單摻粉煤灰、復(fù)摻粉煤灰和礦粉配制的橋塔C50 混凝土性能，并分析了礦物摻合料對(duì)橋塔混凝土亞微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1） 水泥：華新水泥股份有限公司黃石廠P.O42.5 水泥，3 d 抗壓強(qiáng)度為 31.5 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度為48.0 MPa。

2） 粉煤灰：華能岳陽(yáng)電廠F 類I 級(jí)粉煤灰（FA），需水量比93%，細(xì)度（45 μm 方孔篩篩余）為7.3%。

3） 礦粉：荊州中和新型建材有限責(zé)任公司S95 級(jí)磨細(xì)礦渣粉（KF），比表面積425 m2/kg，流動(dòng)度比100%，28 d 膠砂活性指數(shù)104%。

4） 細(xì)骨料：岳陽(yáng)洞庭湖河砂，細(xì)度模數(shù)2.81，含泥量1.6%。

5） 粗骨料：湖南臨湘凡泰碎石，壓碎值15.1%，針片狀含量4.9%；5~20 mm 二級(jí)配，4.75~9.5 mm 與 9.5~19.0 mm 摻配比例為 2∶8。

6）外加劑：江蘇博特PCA-1 緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率為27%。

1.2 試驗(yàn)方法

1） 混凝土拌合物工作性依據(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，力學(xué)性能依據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。抗壓強(qiáng)度試件為150 mm×150 mm×150 mm 立方體，抗壓彈性模量試件為 150 mm×150 mm×300 mm 棱柱體。

2）混凝土抗氯離子滲透性試驗(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)方法標(biāo)準(zhǔn)》中電通量法和氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定的RCM 法分別進(jìn)行測(cè)定，試件尺寸為φ100 mm×50 mm。

3）碳化試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，改為養(yǎng)護(hù)7 d 后進(jìn)行碳化試驗(yàn)。

4）混凝土干燥收縮依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的接觸法收縮試驗(yàn)來測(cè)定，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d 后開始干縮試驗(yàn)，干縮室溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%。采用千分表測(cè)量試件的長(zhǎng)度變化。

5）摻礦物摻合料的水泥膠砂試樣孔結(jié)構(gòu)測(cè)定采用Auto Pore IV9510 型壓汞儀，微結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物形貌觀察采用JSM-5610LV 型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（SEM）。膠砂試樣配比為膠砂比1∶3、水膠比0.30，并摻入膠凝材料用量1.2%的聚羧酸減水劑，以調(diào)整膠砂跳桌流動(dòng)度達(dá)（180±10）mm。

1.3 混凝土配合比

表1 為試驗(yàn)用配合比。

表1 橋塔C50 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 1 Mix proportion design of C50 concrete for bridge tower

在 表1 中 ， T470F20K10、 T480F15K10 和T490F15K10 這3 個(gè)復(fù)摻粉煤灰和礦粉的配合比是經(jīng)過優(yōu)化確定擬分別用于下塔柱和下橫梁、中塔柱、上塔柱和上橫梁的混凝土配合比，隨著泵送高度上升，膠凝材料用量有所增加。另外，3 個(gè)單摻粉煤灰15%、20%、25%的混凝土配合比也是橋塔混凝土以前施工常用配比，作為與復(fù)摻粉煤灰和礦粉混凝土對(duì)比試驗(yàn)用。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土工作性與力學(xué)性能

由表2 橋塔混凝土基本性能可知，擬用于橋塔不同高程施工的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 這3 個(gè)復(fù)摻粉煤灰和礦粉配比在保持水膠比固定和減水劑摻量不變情況下，隨膠凝材料漿體數(shù)量增加，混凝土坍落度和擴(kuò)展度增加，其中配比T490F15K10 坍落度為235 mm，擴(kuò)展度達(dá)630 mm，完全能滿足上塔柱超高程泵送的流動(dòng)性要求；該3 組混凝土的抗壓強(qiáng)度7 d 齡期均超過50 MPa，28 d 強(qiáng)度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)要求的59.9 MPa試配強(qiáng)度有較大富余，且較7 d強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，增幅達(dá)21.8%~31.4%，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的幅度高于單摻粉煤灰的3 個(gè)配比。3 組復(fù)摻粉煤灰和礦粉混凝土的彈性模量差別不大，28 d 彈性模量值均超過了40 GPa 的試配要求。另外，單摻粉煤灰的混凝土中，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土流動(dòng)性有所增大，抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨之降低，且強(qiáng)度值小于復(fù)摻粉煤灰和礦粉配比。

基于上述理論分析結(jié)果，通過分別具有梯形機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)支承的兩臺(tái)架車，對(duì)其在轉(zhuǎn)向過程中的操作力大小進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，初始條件如下：

表2 橋塔混凝土工作性與力學(xué)性能Table 2 Workability and mechanical properties of bridge tower concrete

2.2 混凝土抗氯離子滲透性

由表3 結(jié)果可以看出，除基準(zhǔn)樣T480F0 外，其他6 組試樣28 d 電通量均小于1 000 C，84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于3.5×10-12m2/s，符合橋塔混凝土耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。相比而言，復(fù)摻25%~30%粉煤灰和礦粉的3 組混凝土電通量整體低于單摻粉煤灰15%~25%的3 組混凝土，氯離子擴(kuò)散系數(shù)也小，表明復(fù)摻粉煤灰和礦粉混凝土試樣密實(shí)性更高，抗氯離子滲透性更強(qiáng)。參考JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中抗氯離子滲透性能等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，以28 d 電通量值為劃分依據(jù)，橋塔T480F15K10 配比的抗氯離子滲透性等級(jí)達(dá)到了很好級(jí)（Q-Ⅴ），另2 個(gè)復(fù)摻粉煤灰和礦粉配比達(dá)到了好級(jí)（Q-Ⅳ）；以84 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)值為依據(jù)，橋塔T470F20K10 配比的抗氯離子滲透性等級(jí)達(dá)到了很好級(jí)（RCM-Ⅴ），另2 個(gè)復(fù)摻粉煤灰和礦粉配比達(dá)到了好級(jí)（RCM-Ⅳ）。

表3 橋塔混凝土抗氯離子滲透性Table 3 Resistance to chloride ion permeability of bridge tower concrete

2.3 混凝土抗碳化性能

表4 是橋塔混凝土碳化56 d 的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯鶞?zhǔn)樣T480F0 配比的碳化深度最小，而隨著礦物摻合料摻量增多，混凝土碳化深度增大。這一方面是因?yàn)榈V物摻合料的摻入降低了水泥用量，進(jìn)而減少了早期水化反應(yīng)形成的Ca（OH）2數(shù)量；另一方面，后期礦物摻合料的二次水化反應(yīng)，進(jìn)一步消耗大量的Ca（OH）2，上述兩方面的作用使混凝土堿儲(chǔ)備量明顯下降，導(dǎo)致混凝土抵抗CO2的侵蝕能力較弱[6]，從而加速了碳化進(jìn)程。相比而言，同摻量礦物摻合料下，復(fù)摻粉煤灰和礦粉的T480F15K10 配比抗碳化性能好于單摻粉煤灰的T480F25。參照《混凝土耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)抗碳化性能等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，擬用于橋塔施工的3組復(fù)摻粉煤灰和礦粉混凝土的28 d 碳化深度均小于5 cm，抗碳化性能等級(jí)評(píng)定為T-Ⅳ級(jí)（好級(jí)）。

表4 橋塔混凝土碳化深度Table 4 Carbonation depth of bridge tower concrete

2.4 混凝土干燥收縮

對(duì)擬用于橋塔施工的3 組C50 混凝土干燥收縮進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見圖1 所示。

圖1 混凝土干縮曲線圖Fig.1 Drying shrinkage curve of concrete

結(jié)果顯示：

1）3 組試樣的干縮率隨齡期的增加而增大，在28 d 之內(nèi)干縮增長(zhǎng)最為顯著，28 d 干縮率已達(dá)90 d 的84.8%~88.8%，在28~56 d 之間的干縮增長(zhǎng)變得緩慢，56 d 之后趨于穩(wěn)定。

2）3 組試樣90 d 干縮值均滿足小于400×10-6的設(shè)計(jì)要求。參考DB32/T 2170—2012《低收縮低徐變橋梁高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》，T470F20K10、T480F15K10 兩個(gè)配比的28 d 干縮值也符合該規(guī)程規(guī)定的低收縮橋梁混凝土28 d 齡期干縮值小于250×10-6的技術(shù)要求。

3） 與 T480F15K10 和 T490F15K10 相 比 ，T470F20K10 試樣90 d 干燥收縮率分別減小了12.1%、20.5%。這主要是因?yàn)門470F20K10 配比的膠凝材料用量最低，其中的粉煤灰摻量又最大，降低了膠凝材料體系的收縮。粉煤灰在早期對(duì)膠凝體系的水化抑制作用及粉煤灰的微集料填充、火山灰效應(yīng)增加了混凝土的密實(shí)性[7-8]，加之粉煤灰顆粒的彈性模量高于水泥顆粒，在水泥漿體內(nèi)起著限制漿體收縮的作用，這些均促成了粉煤灰能夠減少混凝土的干縮。

2.5 孔結(jié)構(gòu)分析

混凝土的孔結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能和耐久性都有很大的影響，因此研究孔結(jié)構(gòu)對(duì)改善混凝土的性能具有不可或缺的作用。我國(guó)吳中偉院士[9]將混凝土孔結(jié)構(gòu)按大小及是否有害分為四級(jí)：孔徑小于20 nm為無(wú)害孔，孔徑處于20~100 nm 為少害孔，孔徑處于100~200 nm 為有害孔，孔徑超過200 nm 為多害孔。圖2 是4 組不同摻合料摻量的混凝土微分孔體積分布曲線，表5 是4 組摻入不同礦物摻合料的膠砂試樣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定結(jié)果。

圖2 不同摻合料摻量的混凝土微分孔體積分布曲線Fig.2 Distribution curve of differential pore volume for concrete with different content of mineral admixtures

表5 不同礦物摻合料膠砂的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Table 5 Characteristic parameters of pore structure of mortar with different mineral admixtures

由圖2 和表5 可以看出：1）與純水泥試樣F0相比，復(fù)摻粉煤灰和礦粉的F10K10、F20K10 膠砂試樣總孔隙體積降低了9.3%、11.4%，平均孔徑降低了8.3%、20%，孔隙率降低了11.1%、12.7%，且F10K10、F20K10 孔徑分布中小于20 nm 的無(wú)害孔顯著增多，而多害孔有一定程度下降，相比而言F20K10 膠砂孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于F10K10 膠砂；2）摻合料摻量同為20%的F10K10 和F20 試樣，F(xiàn)10K10 較F20 試樣總孔隙體積、平均孔徑、孔隙率分別降低了4.3%、6.2%、7.6%，且小于100 nm 的無(wú)害孔和少害孔有所增長(zhǎng)，而大于200 nm 的多害孔顯著降低。上述結(jié)果表明，摻入適量礦物摻合料不僅能降低混凝土的孔隙率，而且可細(xì)化孔尺寸，使無(wú)害孔增多、多害孔減少，從而增進(jìn)混凝土的密實(shí)度，由此可改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性。另外，在礦物摻合料摻量相同條件下，粉煤灰與礦粉的復(fù)摻對(duì)孔結(jié)構(gòu)的改善作用優(yōu)于單摻粉煤灰，主要是由于粉煤灰與礦粉二者在粒徑疊加和成分互補(bǔ)的物理與化學(xué)效應(yīng)。礦物摻合料對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善主要?dú)w結(jié)于其火山灰效應(yīng)和微集料填充作用，摻合料的二次水化反應(yīng)減少了混凝土中對(duì)強(qiáng)度不利的Ca（OH）2的含量，形成了更多低鈣硅比的低堿性C-S-H 凝膠而共同改善了漿體-骨料界面結(jié)構(gòu)，二次水化產(chǎn)物的形成和摻合料細(xì)粉的微集料填充效應(yīng)又共同細(xì)化了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率。

2.6 SEM 分析

圖3 是4 組摻入不同礦物摻合料的膠砂試樣水化28 d 的微觀形貌SEM 照片。純水泥試樣F0水化生成大量絮凝狀C-S-H 凝膠產(chǎn)物，同時(shí)也生成大量板狀CH 晶體呈規(guī)則的定向排列；F20 試樣中圓球形粉煤灰顆粒表面已覆蓋了一層水化產(chǎn)物，其周邊存在許多絮凝狀C-S-H 凝膠產(chǎn)物，仍能觀察到粉煤灰的較完整形貌，說明粉煤灰在28 d 齡期并未完全水化；F10K10、F20K10 兩個(gè)試樣中，均能看到表面已發(fā)生水化的粉煤灰顆粒，而無(wú)法觀察到完整的不規(guī)則礦粉顆粒，其與周邊水化產(chǎn)物融為一體，表明礦粉水化程度較粉煤灰更為充分。相比F20，F(xiàn)10K10 和F20K10 的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)更為致密。

圖3 不同礦物摻合料膠砂水化28 d 齡期SEM 照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs for mortar hydrated at 28 d age with different mineral admixtures

3 結(jié)語(yǔ)

1）基于橋塔不同高程對(duì)混凝土泵送工作性與抗裂性要求的差異及施工養(yǎng)護(hù)的難易程度，設(shè)計(jì)的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 三個(gè)復(fù)摻粉煤灰和礦粉C50 混凝土配合比，不僅工作性和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)和施工要求，且抗氯離子滲透性、抗碳化性能達(dá)到好級(jí)或很好級(jí)，干縮值較低。

2）橋塔混凝土采用單摻粉煤灰時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土流動(dòng)性增大，抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨之降低，抗碳化性能下降，抗氯離子滲透性增強(qiáng)。而采用復(fù)摻粉煤灰和礦粉配制時(shí)，總礦物摻合料摻量相同情況下，其強(qiáng)度和彈性模量高于單摻粉煤灰混凝土，且后期強(qiáng)度增幅顯著，抗氯離子滲透性和抗碳化性也優(yōu)于單摻粉煤灰混凝土。

3）礦物摻合料的火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)細(xì)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，提高了密實(shí)度，改善了界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)，共同參與了對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性改善。在礦物摻合料摻量相同條件下，粉煤灰與礦粉的復(fù)摻對(duì)孔結(jié)構(gòu)的改善作用優(yōu)于單摻粉煤灰。