粗骨料種類和品質對C60混凝土徐變性能的影響

周敏，楊騰宇，邱冰，郭立賢，宋普濤，王良波，王晶，冷發光

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528042；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司，廣東 佛山 528042）

0 引言

連續剛構橋是大跨徑橋梁建設中常用的一種結構體系，具有施工操作簡便、受力合理、造價經濟等優勢，但國內外在橋梁長期運營過程中發現，連續剛構，尤其是大跨徑連續剛構橋梁存在主跨長期下撓、梁體開裂兩類通病。研究發現[1-6]，導致大跨徑連續剛構橋梁出現跨中下撓與開裂病害的原因有很多，因混凝土自身收縮徐變大導致混凝土橋梁長期預應力損失進而導致橋梁下撓及開裂病害是當前橋梁發生跨中下撓與開裂病害首要因素。調研發現[7-10]，大跨徑連續剛構橋梁下撓與開裂問題在大跨徑橋梁密集的廣東地區尤為突出（如虎門大橋、南海金沙大橋、順德水道特大橋），除結構設計差異及原材料、施工等導致混凝土自身徐變性能差異外，較大的交通密度及較多的重載超載情況進一步加劇了大跨度橋梁的跨中下撓及開裂破壞問題。

進行低徐變混凝土的配制及應用是目前實現混凝土橋梁下撓及開裂病害控制的常用技術措施。國內關于基于混凝土配合比參數優化的低徐變混凝土配制方面的研究較多，關于混凝土用原材料基本性能控制方面的研究較少。黃海生等[11]研究了摻合料對再生混凝土徐變性能的影響，結果表明，粉煤灰摻量分別為40%、30%時，對再生混凝土的總徐變和基本徐變抑制效果最優，粉煤灰和礦粉復摻與粉煤灰單摻相比具有相似的規律，且對再生混凝土徐變的抑制效果更佳。李蒙等[12]研究了石灰石粉摻量對混凝土徐變系數的影響，結果表明，混凝土徐變系數隨著石灰石粉摻量的增加而增大，實際應用中石灰石粉摻量不宜超過10%。楊騰宇等[13]研究了水膠比、膠凝材料用量、砂率、摻合料的摻用比例、混凝土含氣量、骨料種類對混凝土徐變性能的影響規律，結果表明，各因素對90 d徐變度影響順序為：不摻摻合料>增加膠凝材料用量>單摻粉煤灰>采用砂巖骨料>低膠凝材料用量=降低砂率>提高混凝土含氣量。

混凝土用原材料特別是骨料的種類、空隙率等對混凝土力學性能及耐久性能影響很大[14-16]，骨料的基本特性對混凝土力學性能及耐久性能產生影響的同時勢必會影響到混凝土的徐變性能。本項目針對廣東地區典型粗骨料狀況，以廣佛肇北江大橋主橋115+215+115 m連續剛構現澆梁C60混凝土工程為依托，配制出性能滿足要求的現澆梁C60混凝土，研究了粗骨料種類、公稱粒徑、針片狀顆粒含量及空隙率對C60混凝土徐變性能的影響規律，為該項目工程建設及其他相關科研及工程應用項目提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：廣東某水泥廠，P·O52.5，3、28d抗壓強度分別為32、59 MPa；粉煤灰：廣東某電廠，Ⅰ級，燒失量3.2%，45μm篩篩余5%，需水量比93%；礦粉：S95級，7、28 d活性指數分別為78%、95%，流動度比97%；外加劑：聚羧酸系高性能減水劑，含固量35%，減水率33%；細骨料：廣東某地河砂，含泥量1.8%，細度模數3.0；粗骨料：采用3種不同巖性粗骨料，其中花崗巖母巖、石灰巖母巖、砂巖母巖的軸壓強度分別為122、129、115MPa。

1.2 試驗方法

本研究對比設置了不同碎石種類、空隙率、公稱粒徑及針片狀顆粒含量幾個典型骨料性能指標，不同粗骨料種類及關鍵性能參數見表1。

表1 粗骨料種類及關鍵性能參數

根據設計要求，混凝土應具有良好的泵送性能，混凝土初始坍落度為（230±20）mm，7 d抗壓強度≥54 MPa，28 d抗壓強度≥69.9 MPa；7 d彈性模量≥2.9×104MPa；C60低徐變混凝土90 d徐變度≤30×10-6MPa-1。

C60低徐變混凝土基準配合比為：膠凝材料由75%水泥+15%粉煤灰+10%礦粉組成，總用量為490 kg/m3，水膠比0.3，砂率37%，設計濕表觀密度2450 kg/m3。通過調整混凝土外加劑摻量使得混凝土坍落度滿足設計要求，各組配合比參數及對應的混凝土坍落度、抗壓強度、彈性模量試驗結果見表2。

表2 配合比及混凝土性能

由表2可知，通過調整外加劑摻量可使各組混凝土的坍落度滿足設計要求，混凝土的7、28 d抗壓強度及7 d彈性模量均符合設計文件要求。

對上述各組配合比開展徐變性能試驗。徐變混凝土試塊的制備及試驗方法參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準》進行，實驗室溫度20℃，相對濕度60%。徐變試驗用混凝土試塊拆模后先標準養護7 d，而后移至徐變室內繼續干燥養護至28 d，按照GB/T 50082—2009的規定加載后測試混凝土不同齡期的收縮值及徐變值，計算混凝土1、3、7、14、28、56、90d的徐變度。

2 結果與分析

2.1 粗骨料種類對低收縮混凝土徐變度的影響（見圖1）

圖1 粗骨料種類對C60混凝土徐變度的影響

由圖1可見，對比1-1A、1-1B及1-1C混凝土，粗骨料為砂巖時C60混凝土的徐變度最大，粗骨料為花崗巖的次之，粗骨料為石灰巖的最低。0～14d齡期內各混凝土徐變度增長最快，14 d后混凝土徐變度增長速度變緩。粗骨料為砂巖的C60混凝土90 d徐變度最大為19×10-6MPa-1，粗骨料為花崗巖和石灰巖的C60混凝土90 d徐變度較粗骨料為砂巖的分別降低了47%、53%。混凝土徐變受粗骨料彈性模量的影響很大，混凝土強度等級相當時，粗骨料的彈性模量越高，加載后徐變應變越小，在徐變應變基本相當時，由此計算出的徐變度越低。3種粗骨料母巖中，石灰巖的軸壓強度最高，石灰巖次之，砂巖最低，骨料的彈性模量與軸壓強度成正比，因此3種粗骨料彈性模量由高到低為石灰巖>花崗巖>砂巖，采用3種粗骨料配制混凝土的徐變度由高到低為砂巖混凝土>花崗巖混凝土>石灰巖混凝土。

2.2 粗骨料粒徑對低收縮混凝土徐變度的影響（見圖2）

圖2 粗骨料公稱粒徑范圍對C60混凝土徐變度的影響

由圖2可見，對比1-1A、1-2A及1-2B混凝土，隨公稱粒徑中最大顆粒尺寸的增加，C60混凝土徐變度先減小后增大，公稱粒徑為5～20 mm時C60混凝土徐變度最大，公稱粒徑為5～25 mm時C60混凝土徐變度最小。各組C60混凝土14d內徐變度增長最快，14 d后徐變度增長減緩。公稱粒徑為5～20 mm的C60混凝土90 d徐變度最大為17×10-6MPa-1，公稱粒徑為5～31.5 mm及5～25 mm的C60混凝土90 d徐變度較公稱粒徑為5～20mm的分別降低了40%、70%。

2.3 粗骨料針片狀顆粒含量對低收縮混凝土徐變度的影響（見圖3）

圖3 針片狀顆粒含量對C60混凝土徐變度的影響

由圖3可見，對比1-3A及1-3B混凝土，粗骨料空隙率相近時，針片狀顆粒含量越小時C60混凝土的徐變度越小。2組C60混凝土14 d內徐變度增長最快，14 d后徐變度增長減緩。針片狀顆粒含量為8%時C60混凝土徐變度最大，90 d徐變度為17×10-6MPa-1，針片狀顆粒含量由8%降低到5%，C60混凝土90 d徐變度降低了12%。在混凝土中粗集料中針片狀顆粒大多傾向于水平排列，這使得針片狀顆粒下部表面容易出現因氣泡阻滯產生的氣孔及微裂縫等缺陷，進而劣化骨料與漿體界面過渡區形貌，降低混凝土的密實度，降低混凝土的彈性模量，進而導致混凝土徐變應變增大。

2.4 空隙率對低收縮混凝土徐變度的影響（見圖4）

圖4 空隙率對C60混凝土徐變度的影響

由圖4可見，對比1-3B、3-1A及3-1B混凝土，粗骨料針片狀顆粒含量（16～19 mm）相同時，空隙率越低，C60混凝土徐變度越小。3組C60混凝土14 d內徐變度增長最快，14 d后徐變度增長減緩。空隙率為46.3%時C60混凝土90 d徐變度最大，為17×10-6MPa-1，空隙率由46.3%降至44.1%、43.4%時，C60混凝土的90 d徐變度分別降低了5%、11%。

綜合以上研究結果可知，各因素對徐變度影響大小的順序分別為公稱粒徑≈粗骨料種類>針片狀顆粒含量≈空隙率。因此為降低廣佛肇北江大橋梁體徐變度，提高橋體的抗變形性能，進行項目用C60低徐變混凝土配制時應重點優選粗骨料種類，篩選骨料最佳公稱粒徑范圍，在此基礎上進一步優選骨料的針片狀顆粒含量及空隙率。

3 結語

（1）粗骨料種類、公稱粒徑、針片狀顆粒含量及空隙率對C60混凝土徐變性能影響的順序為：公稱粒徑≈粗骨料種類>針片狀顆粒含量≈空隙率。

（2）粗骨料為砂巖的C60混凝土90d徐變度最大，為19×10-6MPa-1，粗骨料為花崗巖和石灰巖的C60混凝土90 d徐變度較粗骨料為砂巖的分別降低了47%、53%。

（3）公稱粒徑為5～20 mm的C60混凝土90 d徐變度最大，為17×10-6MPa-1，公稱粒徑為5～31.5 mm及5～25 mm的C60混凝土90 d徐變度較公稱粒徑為5～20 mm的分別降低了40%、70%。

（4）針片狀顆粒含量為8%的C60混凝土90 d徐變度最大，為17×10-6MPa-1，針片狀顆粒含量由8%降低到5%時，C60混凝土90 d徐變度降低了12%。

（5）空隙率為46.3%時C60混凝土的90 d徐變度最大，為17×10-6MPa-1，空隙率由46.3%降低到44.1%、43.4%時，C60混凝土90 d徐變度分別降低了5%、11%。