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)剛構橋地處典型的干熱河谷地區(qū)，單幅橋寬12.5 m，全長488 m，其中主橋為三跨連續(xù)剛構橋。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)剛構橋中體積最大的預應力構件，其穩(wěn)定狀態(tài)直接關系到結構質量，受力情況在整個橋體中最為復雜[1]；且該地區(qū)“集熱效應”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]。

國內外的專家和學者對大體積混凝土溫度應力的計算和防裂技術進行了大量研究，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、力學性能及體積穩(wěn)定性，并進行工程應用，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，性能指標見表1；粉煤灰采用Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰，性能指標見表2；粒化高爐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%；細骨料采用河砂，細度模數(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

表2 粉煤灰性能指標

表3 礦渣粉性能指標

1.2 試驗方法

混凝土的工作性能指標參照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普通混凝土力學性能試驗方法標準進行，試驗環(huán)境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度不小于95%的標準條件養(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準，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計原理[3]及當?shù)卦牧咸卣鬟M行配合比設計，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級粉煤灰單摻和復摻，并根據(jù)實際試配結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、力學性能和耐久性能影響。混凝土的配合比見表4。

表4 混凝土配合比 kg/m3

2 結果與分析

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。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，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和形態(tài)效應，改善作用與摻合料品質正相關。選用優(yōu)質的礦物摻合料可有效解決超高泵送混凝土泵送難題的關鍵技術措施。

2.2 礦物摻合料對混凝土力學性能的影響

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強度均達設計值的125%以上，滿足設計及施工要求，且采用優(yōu)質礦物摻合料其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預應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關系，均滿足JTG D62—2012公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(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預應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內早期收縮程度較為嚴重，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，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預應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預應力混凝土平板開裂指標，由表8數(shù)據(jù)可知，C55預應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?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致的裂紋；而當?shù)V物摻合料摻量大于30%時，礦物摻合料的摻入會導致水泥石與集料的粘結力下降，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致裂紋的產(chǎn)生[4](見圖3)。

2.4 工程應用

選擇泵送施工，設備選擇三一重工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%。混凝土出機后靜置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

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。具體性能指標如表10所示。

表10 混凝土泵送工作性指標

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。混凝土覆蓋養(yǎng)護必須嚴密貼實，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 結語

1)C55預應力混凝土采用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預應力混凝土，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預應力混凝土抗裂等級均可達到Ⅱ級，采用雙摻配合比應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，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。