高速公路預(yù)制T梁用高性能混凝土性能研究

馬 駿

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

0 引 言

隨著我國(guó)“十三五”規(guī)劃進(jìn)程的發(fā)展，居民交通出行的基礎(chǔ)設(shè)施完善日趨嚴(yán)峻，高速公路、高速鐵路的建設(shè)規(guī)劃日益增多，混凝土以其高強(qiáng)度、施工性強(qiáng)、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)成為建設(shè)過程中無可替代的建筑材料。高速公路建設(shè)過程中以混凝土結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，施工中發(fā)揮材料的優(yōu)良性能，確保高速公路整體混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高服役年限，為交通行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐。我國(guó)高速公路現(xiàn)行T梁跨度尺寸為30 m、35 m、40 m，受T梁自身結(jié)構(gòu)影響，預(yù)制T梁膠凝材料中水泥均采用52.5水泥，其配合比設(shè)計(jì)遵循高性能、高強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，強(qiáng)度、耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度為準(zhǔn)。

1950年5月美國(guó)學(xué)者首次提出高性能混凝土的概念，高性能混凝土（high performance concrete，簡(jiǎn)稱HPC）是一種多相復(fù)合材料，兼具混凝土高強(qiáng)度特點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到耐久性能優(yōu)良、工作性和體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋大壩防水工程、機(jī)場(chǎng)道面、大跨徑鋼橋面鋪裝、礦山、國(guó)防等重要領(lǐng)域[1-3]。高性能混凝土耐久性重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是抗凍性能和抗疲勞性能，相關(guān)學(xué)者就鹽凍侵蝕和凍融損傷對(duì)高性能混凝土的劣化影響和力學(xué)性能做了相關(guān)研究[4-6]，結(jié)果表明，多相復(fù)合組分的礦物摻合料-水泥復(fù)合膠凝材料硬化漿體的耐久性優(yōu)于未摻加礦物摻合料的單一組分，但就耐久性機(jī)理的相關(guān)解釋尚不明確。

高速公路T梁用高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)JTG/TF50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》高性能、高強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)要求，采用52.5水泥，用水量不宜大于175 kg/m3，膠凝材料總量宜采用450～600 kg/m3，其中礦物摻合料用量不宜大于膠凝材料總量的40%，采用低水膠比，高效減水劑依據(jù)施工時(shí)坍落度而定。施工過程中為滿足混凝土結(jié)構(gòu)高早強(qiáng)的要求，配合比設(shè)計(jì)中增大水泥用量，水泥用量過大會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)硬化時(shí)間縮短，短時(shí)間內(nèi)水化放熱量迅速增加，不利于混凝土拌合物工作性的穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)增大混凝土早期收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)[7]。相關(guān)學(xué)者提出利用活性礦物摻合料等量替代水泥用量[8-9]，然而，礦物摻合料摻量、類型對(duì)高性能混凝土耐久性機(jī)理解釋尚不明確，礦物摻合料早期對(duì)新拌混凝土和易性的影響，以及礦物摻合料-水泥膠凝組分不同齡期下孔溶液pH值發(fā)展規(guī)律、抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)尚未提出合理性系統(tǒng)研究。摻合料使用不當(dāng)，勢(shì)必會(huì)造成早期工作性下降，致使強(qiáng)度無法達(dá)到預(yù)期效果，最終影響耐久性降低混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限，因此礦物摻合料的使用一定程度上限制了高性能混凝土的推廣和應(yīng)用[10-13]?；谏鲜鰡栴}，本研究采用控制變量的方法，在膠凝材料、砂率、外加劑、拌和用水量保持不變的條件下，通過調(diào)整膠凝組分中粉煤灰、礦粉的摻入量，設(shè)計(jì)出4種高性能混凝土配合比，使其工作性、力學(xué)性、耐久性達(dá)到C50 T梁合理使用年限，依據(jù)硬化漿體孔溶液pH值、借助SEM微觀分析手段揭示高強(qiáng)度、高耐久性的機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：采用蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5(比表面積350 m2/kg)海螺牌水泥，其化學(xué)成分見表1；礦物摻合料：FⅡ型粉煤灰由福建鼎旺再生有限公司提供，粒徑分布情況如圖1所示，S95級(jí)礦粉（比表面積400～500 m2/kg）由福建鼎冠新型建材有限公司提供，化學(xué)成分見表1；細(xì)骨料：云淡邦門砂廠提供的中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，級(jí)配曲線圖如圖2所示；粗骨料：采用福建欣旭建筑生產(chǎn)的5～20 mm 碎石（10～20 mm 摻 70%，5～10 mm 摻 30%），各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足水泥混凝土配合比要求；減水劑：采用武漢辰龍科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率26%，摻量1.5%。礦物摻合料4種配合比設(shè)計(jì)見表2（引言已提出設(shè)計(jì)依據(jù)，本設(shè)計(jì)旨在考慮礦物摻合料摻量作用下高性能混凝土的研究，不采用正交設(shè)計(jì)）。

表2 C50混凝土配合比 kg/m3

圖1 粉煤灰粒徑分布曲線

圖2 細(xì)骨料級(jí)配曲線圖

表1 水泥、粉煤灰、礦粉化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

1) 拌合物性能分析：混凝土拌合物坍落度、含氣量依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》方法測(cè)試。

2)混凝土抗壓強(qiáng)度：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)》方法測(cè)試。

3) 孔溶液pH值分析：剔除砂石料制作不同配合比下凈漿試件，養(yǎng)護(hù)至28 d，使用研缽磨成細(xì)粉，使用 200 目篩篩分。將得到的細(xì)粉浸泡于 10 倍質(zhì)量的蒸餾水，利用磁力電子攪拌器攪拌2 h，之后使用濾紙過濾出浸提液，使用 pH 計(jì)測(cè)試。

4) 混凝土的氯離子電通量、抗凍融性分析：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)》進(jìn)行200次凍融循環(huán)，測(cè)試其重量損失率。

1.3 微觀試樣制備與分析

微觀測(cè)試樣品取自抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的斷面顆粒物，置于無水乙醇終止水化，測(cè)試前將樣品在50℃的真空干燥箱中烘干至恒重。硬化漿體水化產(chǎn)物形貌由日本的S-4800-1型掃描電鏡測(cè)得，分辨率為1.0 nm(15 kV)，1.4 nm(1 kV)，放大倍數(shù) 20～800 000。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高性能混凝土工作性發(fā)展規(guī)律

2.1.1 新拌高性能混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律

高性能混凝土技術(shù)作為一種新型技術(shù)，雖采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)兼具混凝土的各項(xiàng)力學(xué)要求，但需要具有高工作性、高耐久性以及澆筑完成結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性。4種配合比新拌混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律如圖3所示，綜合圖3坍落度的發(fā)展規(guī)律可以得出：1) 新拌混凝土塌落度呈現(xiàn)C2＞C4＞C1＞C3發(fā)展規(guī)律，混凝土體系中引入粉煤灰，提高了早期混凝土的坍落度，由于礦粉的比表面積大于水泥，早期需水量大于水泥，因此 C1＞C3；2) 隨著新拌混凝土在運(yùn)輸過程中坍落度的損失，2 h后發(fā)展規(guī)律呈現(xiàn)C2=C4＞C1=C3，主要因?yàn)榉勖夯椅⒂^顆粒呈球形排布且早期幾乎不參與水化反應(yīng)，有利于新拌混凝土的早期保塌，因此摻加粉煤灰的C2、C4坍落度均高于C1、C3配合比，礦粉的比表面積高于水泥雖早期需水量較大，但水泥反應(yīng)速率較快，2 h時(shí)C1、C3的坍落度基本相同；3) 對(duì)比新拌混凝土至2 h坍落度損失情況，C1＞C3＞C2＞C4，早期水泥遇水反應(yīng)速度較快，粉煤灰、礦粉早期未參與反應(yīng)僅僅起到調(diào)整拌合物和易性的作用。

圖3 4種配合比坍落度對(duì)比變化

2.1.2 新拌高性能混凝土含氣量發(fā)展規(guī)律

4種配合比混凝土含氣量發(fā)展規(guī)律圖4所示。含氣量是影響混凝土工作性的主要技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)早期含氣量也是制約后期混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，相關(guān)報(bào)道指出混凝土每增加1%的含氣量，強(qiáng)度損失5～6 MPa，強(qiáng)度的損失制約著混凝土后期的耐久性，影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限，依據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，新拌混凝土的含氣量以控制在2%～4%。從圖4中可以得出：1) 新拌混凝土的含氣量的發(fā)展規(guī)律依次為 C2＞C4＞C1＞C3，與早期新拌混凝土坍落度發(fā)展規(guī)律等同，粉煤灰微結(jié)構(gòu)呈球形顆粒分布，拌和過程中易引入氣體，同時(shí)也增大了新拌混凝土的流動(dòng)性；2) 新拌混凝土的持續(xù)水化，2 h時(shí)，含氣量的發(fā)展規(guī)律為C2=C4＞C3＞C1，主要由于水泥對(duì)微小氣泡有較強(qiáng)的吸附作用，其摻量越大，混凝土的含氣量越低；3) 新拌混凝土至2 h含氣量損失呈C1(0.9)＞C2(0.7)＞C3(0.6)＞C4(0.5)規(guī)律發(fā)展，水泥對(duì)微小氣泡的吸附作用只是C1的含氣量損失率最大，礦粉的化學(xué)組成和水泥相似早期發(fā)生微弱的水化反應(yīng)有利于混凝土內(nèi)部氣體的穩(wěn)定性，而粉煤灰以其早期形態(tài)引入的氣體隨著運(yùn)輸逐漸消失。

圖4 4種配合比含氣量發(fā)展規(guī)律

2.2 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

高性能混凝土體現(xiàn)在高強(qiáng)度，硬化混凝土抗壓強(qiáng)度高，其澆筑的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、抗沖擊破壞能力強(qiáng)，因此就高性能混凝土研究、應(yīng)用以及推廣而言，展開抗壓強(qiáng)度分析十分重要。4種配合比下高性能混凝土不同齡期(3 d、7 d、28 d)抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖5所示，其相關(guān)結(jié)論如下：1) 齡期3 d時(shí)，強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C1＞C4＞C2＞C3，早期礦物摻合料在水泥膠凝組分中未發(fā)生水化反應(yīng)，因此C1的強(qiáng)度較高，粉煤灰早期雖未發(fā)生反應(yīng)，但因其球形微顆粒的物理狀態(tài)增大了混凝土的流動(dòng)性，調(diào)節(jié)了因水泥水化“結(jié)球、團(tuán)聚”的狀態(tài)，礦粉的比表面積大于水泥即細(xì)度大于水泥，早期水化反應(yīng)較弱，不易于分散水泥因水化團(tuán)聚現(xiàn)象，礦粉-粉煤灰-水泥三組分膠凝體系，相互促進(jìn)，相互發(fā)展，因此C4配合比強(qiáng)度高于C2、C3體系；2) 膠凝組分的持續(xù)水化，粉煤灰、礦粉膠凝組分開始參與反應(yīng)，7 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C4＞C3＞C2＞C1，相較于C1 配合比，C4、C3、C2混凝土強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了110.71%、106.01%、101.50%，其中礦粉-水泥膠凝組分的配合比強(qiáng)度高于粉煤灰-水泥組分的強(qiáng)度，即礦粉參與水化反應(yīng)的程度由于粉煤灰，即礦粉活性強(qiáng)于粉煤灰，礦粉-粉煤灰-水泥膠凝組分配合比強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高，粉煤灰微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性促進(jìn)了礦粉與水泥相互反應(yīng)，最終促使其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布有序；3) 隨著混凝土反應(yīng)齡期的增加，7 d至28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率低于3 d至7 d的增長(zhǎng)，齡期28 d時(shí)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與7 d等同，即 C4＞C3＞C2＞C1，膠凝組分的持續(xù)水化，其水化產(chǎn)物的生成量逐步增加，其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物堆積的密實(shí)度相應(yīng)增加，28 d時(shí)4種配合比膠凝組分微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布和堆積密實(shí)度呈C4＞C3＞C2＞C1發(fā)展規(guī)律。

圖5 4種配合比抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

2.3 高性能混凝土硬化漿體孔溶液pH發(fā)展規(guī)律

4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分孔溶液pH值的變化如圖6所示：膠凝組分孔溶液pH值隨著氧化齡期的增加逐漸減??；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中護(hù)筋性良好且保持強(qiáng)度、水化產(chǎn)物不被破壞的pH在12.6左右[14]，結(jié)合圖6可以得出不同齡期4種配合比下礦物摻合料-水泥膠凝組分中孔溶液pH值均高于12.6，即生成的水化產(chǎn)物穩(wěn)定性良好；養(yǎng)護(hù)齡期3 d至7 d時(shí)，孔溶液pH的發(fā)展規(guī)律依次為C1＞C3＞C4＞C2，水泥遇水發(fā)生反應(yīng)早期生成大量Ca(OH)2提高了孔溶液pH值，C2、C3、C4配合比中礦物摻合料等量取代水泥且礦物摻合料早期未發(fā)生反應(yīng)，致使孔溶液pH均低于C1，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)采用的礦物摻合料粉煤灰均呈弱酸性，礦粉呈弱堿性，等量粉煤灰取代水泥的C2配比孔溶液pH低于等量礦粉取代水泥的C3，C4粉煤灰-礦粉-水泥三組分膠凝體系的pH介于二者之間；齡期28 d時(shí)，孔溶液pH呈C1＞C3＞C2＞C4發(fā)展規(guī)律，此時(shí)C4粉煤灰-礦粉-水泥膠凝組分硬化漿體孔溶液pH最低，礦物摻合料在礦物摻合料-水泥復(fù)合膠凝體系中發(fā)生水化的主要中間產(chǎn)物為水泥水化早期生成的Ca(OH)2，礦物摻合料中Ca-O、Si-O、Ai-O、OH等氧化物、氫氧化物支鏈在早期強(qiáng)堿環(huán)境中發(fā)生肢解、重組最終生成的水化產(chǎn)物填充于水泥水化的空隙之中[15]，從而增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，強(qiáng)度得以提高，C4配合比組分中粉煤灰、礦粉雙重?fù)胶狭系南嗷ゴ龠M(jìn)作用均高于C2（單摻粉煤灰配比）、C3（單摻礦粉體系），粉煤灰依據(jù)自身球形流動(dòng)性較強(qiáng)的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)促進(jìn)礦粉和水泥水化產(chǎn)物相互接觸，即增大了礦粉-水泥膠凝組分的反應(yīng)，水泥早期水化生成的Ca(OH)2降低，致使C4硬化漿體孔溶液pH降低。

圖6 4種配合比硬化漿體孔溶液pH發(fā)展規(guī)律

2.4 高性能混凝土28d耐久性發(fā)展規(guī)律

高性能混凝土重要體現(xiàn)在服役過程中的耐久性，依據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，高速公路預(yù)制T梁用高性能混凝土28 d電通量應(yīng)小于1 000 C、200次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率低于5%。4種配合比齡期為28 d時(shí)電通量發(fā)展規(guī)律如圖7所示，齡期28 d時(shí)，4種配合比電通量值均低于1 000 C，即4種配合比均滿足于高性能混凝土電通量的技術(shù)要求，與28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相同（見圖3），其微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物排布、堆積的密實(shí)度亦呈 C1＞C2＞C3＞C4 規(guī)律發(fā)展（見圖 7）。4種配合比下混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為28 d繼而歷經(jīng)200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展規(guī)律如圖8所示，歷經(jīng)200次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率發(fā)展規(guī)律依次為C1＞C2＞C3＞C4，其中 C1 配合比的質(zhì)量損失率大于5%，不滿足高速公路預(yù)制T量用高性能混凝土技術(shù)要求。

圖7 4種配合比28 d電通量對(duì)比變化

圖8 4種配合比經(jīng)200次凍溶循環(huán)質(zhì)量損失率展規(guī)律

3 SEM分析

圖9為4種配合比28 d硬化漿體斷面SEM圖。配合比C1自然養(yǎng)護(hù)28 d樣品斷面中C-S-H（水化硅酸鈣凝膠）呈針棒狀排布，且針棒狀晶體相互搭接未形成的致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)(見圖9(a))，晶體直徑約20 nm左右，呈亂向無序排布。圖9(b)配合比C2、齡期28 d的樣品斷面的SEM圖，斷面呈現(xiàn)不同尺寸的球形顆粒排布，顆粒周圍排布著大量散碎的晶相，球形顆粒周圍有大尺寸的裂紋分布，微結(jié)構(gòu)晶相排布較為整齊，晶相排布堆積密實(shí)度高于C1配合比。圖9(c)為C3配合比樣品斷面的SEM譜圖，針棒狀晶相整齊排布且相互搭接形成較為密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)密實(shí)度較高，晶體的填充程度高于圖9(a)、(b)。配合比C4，28 d斷面的SEM譜圖如圖9(d)所示，其微結(jié)構(gòu)晶相尺寸較小、排布有序，且均勻填充于微結(jié)構(gòu)的空隙中，形成密實(shí)度較高的微結(jié)構(gòu)斷面，晶相的堆積、填充程度高于圖 9(a)、(b)、(c)。

圖9 4種配合比28d硬化漿體SEM圖譜

對(duì)比圖 9(a)、(b)、(c)、(d)，圖 9(d)即 C4 配合比微觀斷面的晶相尺寸較小且排布密實(shí)、堆積度最高，即宏觀數(shù)據(jù)上強(qiáng)度最大、耐久性最優(yōu)。C1配合比組分中未摻加礦物摻合料，提升強(qiáng)度的膠凝組分物質(zhì)主要是水泥，水泥水化反應(yīng)速度較快生成的水化散亂排布彼此搭接能力較弱，無法生成致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；C2配合比為粉煤灰-水泥二元復(fù)合膠凝組分，微結(jié)構(gòu)呈球形分布的粉煤灰顆粒流動(dòng)性較強(qiáng)，較好調(diào)節(jié)水泥與水的接觸面積，其微結(jié)構(gòu)的密實(shí)度得以提高；C3配合比屬礦粉-水泥二元復(fù)合膠凝體系，礦粉的比表面積大于水泥具有較高活性，借助早期水泥水化生成Ca(OH)2發(fā)生水化，生成的水化產(chǎn)物填充于水泥水化過快形成的空穴中，達(dá)到提高微結(jié)構(gòu)密實(shí)度的效果；礦粉-粉煤灰-水泥三元復(fù)合膠凝組分的C4配合比下微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物堆積密實(shí)度最高，其膠凝組分兼具粉煤灰的流動(dòng)性和礦粉的活性，增大膠凝組分相互接觸的同時(shí)，生產(chǎn)的水化產(chǎn)物有效填充于早期水泥水化的空穴中，達(dá)到較高的微結(jié)構(gòu)密實(shí)度。

4 結(jié)束語

綜合4種高性能混凝土工作性、力學(xué)性、耐久性發(fā)展規(guī)律，結(jié)論如下：1）C1配合比工作性評(píng)價(jià)劣于C2、C3、C4，2 h后坍落度、含氣量損失率均高于其他三種配合比，即在水泥膠凝組分中適當(dāng)摻加礦物摻合料有利于混凝土坍落度、含氣量的保持；2）28 d 抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律為 C4＞C3＞C2＞C1，28 d礦物摻合料-水泥膠凝組分硬化強(qiáng)度均高于水泥膠凝組分強(qiáng)度；3）4種配合比28 d電通量、200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率損失量發(fā)展趨勢(shì)為C1＞C2＞C3＞C4。硬化漿體孔溶液pH值發(fā)展規(guī)律證實(shí)，水泥膠凝組分中摻加礦物摻合料均降低孔溶液pH值，綜合微觀結(jié)果表明：礦物摻合料在后期水泥水化的過程中參與了水化反應(yīng)，礦粉-粉煤灰-水泥三元復(fù)合膠凝組分的C4配合比硬化漿體的水化結(jié)晶相數(shù)量高于C1、C2、C3，且尺寸較小、排列緊密，結(jié)構(gòu)整體更加致密。該結(jié)論為礦物摻合料在高性能混凝土中的作用機(jī)理研究提供參考依據(jù)。