泵送高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)和變形性能研究

趙 科

（中建交通建設(shè)集團(tuán)華南公司，廣東 深圳 518000）

高性能混凝土在橋梁及其他工程的建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，但可能會(huì)出現(xiàn)高性能混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)的完整性受損，耐久性降低[1]。傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的不科學(xué)是導(dǎo)致高性能混凝土出現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵原因，為此需要探討科學(xué)可行的配合比設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)對(duì)高性能混凝土變形性能的研究和深化設(shè)計(jì)，以充分提升高性能混凝土的工程性能。

1 高性能混凝土的特點(diǎn)及泵送特性分析

1.1 高性能混凝土的特點(diǎn)

隨著工程質(zhì)量要求的提高，越來(lái)越多優(yōu)質(zhì)的材料被應(yīng)用于工程中，其中高性能混凝土頗具代表性。在以往的研究中，針對(duì)泵送C50 及以下等級(jí)混凝土的研究工作較多，但對(duì)C50 以上的高性能混凝土的研究相對(duì)有限，而普通混凝土的配合比、泵送方式等在高性能混凝土中均缺乏可行性，因此需要加強(qiáng)對(duì)高性能混凝土相關(guān)技術(shù)的探討，例如優(yōu)化設(shè)計(jì)配合比、匹配科學(xué)的泵送工藝，充分發(fā)揮出高性能混凝土的性能優(yōu)勢(shì)[2]。

高性能混凝土的強(qiáng)度和耐久性均不突出，為提高強(qiáng)度，常增加單位體積的水泥用量，但再澆筑階段有明顯的水化熱作用，迫使混凝土內(nèi)部溫度升高。溫度失控時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫，粗骨料的粒徑較小，過(guò)度增加集料的尺寸將對(duì)混凝土的性能造成不良影響[3]。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，相應(yīng)的單位用水量減少，通常以0.2～0.35 的水膠比進(jìn)行拌制。高性能混凝土拌和中普遍摻入外加劑，目的在于改善混凝土的和易性，避免在終凝后出現(xiàn)劇烈的收縮徐變現(xiàn)象[4]。

1.2 高性能混凝土的泵送特性

泵送混凝土是工程中的常見(jiàn)施工方法，即以混凝土泵為主要裝置，將混凝土沿管道輸送至指定地點(diǎn)，進(jìn)而澆筑到位。普通混凝土的泵送工藝經(jīng)過(guò)持續(xù)的探索后已經(jīng)較為成熟，通常在水泥含量為300kg/m3、坍落度18mm～22mm、粗骨料粒徑在40mm 以下、含砂率約為40%時(shí)的混凝土具有良好的可泵性[5]。而高性能混凝土的水灰比低于0.35，含砂率約為37%，粗骨料粒徑在30mm 以內(nèi)，坍落度約為14cm，此類(lèi)指標(biāo)并不能有效滿足泵送要求，原因在于施工中存在坍落度損失，可泵性差。混凝土的黏度大、標(biāo)號(hào)高，泵送過(guò)程中的流動(dòng)性不足，泵送效率偏低，甚至存在堵管問(wèn)題。如果持續(xù)以高壓狀態(tài)泵送，泵送裝置超負(fù)荷運(yùn)行，穩(wěn)定性和可靠性均偏低[6]。提高砂率在改善高性能混凝土可泵性方面有一定的作用，但容易破壞混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致成型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度偏低。針對(duì)前述問(wèn)題，該文在保證混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下，拌和時(shí)摻入適量的減水劑，適度提高混凝土的坍落度，以達(dá)到高效泵送到位的目的。同時(shí)使用合理的配套泵送設(shè)備，借助機(jī)械設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)提高施工效率。

2 箱梁C55高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則及方法

高性能混凝土應(yīng)具有無(wú)龜裂、低滲透和自愈等特點(diǎn)，以此來(lái)保證混凝土性能的可靠性和成型結(jié)構(gòu)的耐久性。配合比設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞相關(guān)性能要求來(lái)進(jìn)行，具體思路如下：1）減少水泥用量。過(guò)量的水泥將產(chǎn)生劇烈的水化熱作用，導(dǎo)致高性能混凝土內(nèi)部溫度異常升高，增加開(kāi)裂的可能性。為此，需要在不影響混凝土強(qiáng)度的前提下減少水泥用量。2）減少用水量，不超過(guò)165kg/m3。3）最大堆積密度。加強(qiáng)級(jí)配設(shè)計(jì)，通過(guò)此方式增加堆積密度。

綜上所述，在高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮強(qiáng)度、可泵性以及結(jié)構(gòu)完整性等多方面的要求，協(xié)調(diào)好水泥用量、用水量、外加劑摻量等指標(biāo)，提升配合比的可行性，使拌和后的高性能混凝土具有突出的綜合性能優(yōu)勢(shì)。

2.2 箱梁C55混凝土配合比優(yōu)化及力學(xué)性能

該文以某橋梁工程為例，圍繞混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，共提出4 組配合比，分別如下：第1 組，SG-XL1，未摻粉煤灰；第2～4 組，SG-XL2～SG-XL4，摻入9.6%～10.7%的Ⅱ級(jí)粉煤灰。考慮3d、7d、28d 和90d 齡期，分別對(duì)各齡期的各組混凝土組織試驗(yàn)，評(píng)價(jià)物理力學(xué)性能和耐久性，判斷各組配合比的可行性。C55 混凝土的配合比組別及具體用量見(jiàn)表1。

表1 箱梁C55 混凝土配合比設(shè)計(jì)

針對(duì)各組配合比對(duì)應(yīng)的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。分析發(fā)現(xiàn)，在箱梁混凝土齡期達(dá)到28d 時(shí)，對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到C55，不同組別的抗壓強(qiáng)度增加速度存在差異。其中摻入粉煤灰的組別增加速度更快且和易性也得到了改善，彈性模量和耐久性均良好，抗碳化、抗氯離子滲透、抗?jié)B性能均突出，在山區(qū)以及其他潮濕的地區(qū)具有可行性。

表2 箱梁混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度

3 設(shè)備的選型和操作注意事項(xiàng)

為適應(yīng)高性能混凝土的泵送要求，混凝土泵送設(shè)備制造商在提高高性能混凝土的吸入效率和泵送效率方面已進(jìn)行了深入研究，研制出了適合高性能混凝土的泵送設(shè)備，提高了泵的吸料能力和泵送性能。但作為施工單位要正確選型，避免選型失誤造成經(jīng)濟(jì)損失。由于高性能混凝土具有流動(dòng)性、抗?jié)B性和抗水性較好的等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)混凝土施工質(zhì)量有重要意義，因此需要認(rèn)真做好高性能混凝土泵送的工程施工管理。設(shè)備選型和操作時(shí)應(yīng)注意以下8 個(gè)方面。

第一，通常C60 以上、坍落度在14mm～18mm 的高性能混凝土的泵送距離或高度只有普通混凝土的1/3～1/2，如果泵送距離較長(zhǎng)，應(yīng)選擇泵送壓力較大的混凝土泵。一般情況下，高、中、低壓均宜采用高壓混凝土泵。如果是高標(biāo)號(hào)混凝土，則最好選用中壓型混凝土泵，否則將給施工人員帶來(lái)很大不便，因此應(yīng)適當(dāng)減少泵送時(shí)間，以免影響工程質(zhì)量。

第二，由于高性能混凝土泵流動(dòng)性差，因此應(yīng)注意所選混凝土泵的吸料能力。吸入混凝土能力差，易吸入空氣，造成泵送效率低，甚至堵管。為了保證正常工作，需要加大吸料量和延長(zhǎng)泵的壽命，因此一定要加強(qiáng)對(duì)混凝土泵性能及使用、維護(hù)等知識(shí)的學(xué)習(xí)與了解，并經(jīng)常檢查泵是否處于良好狀態(tài)，以防發(fā)生事故。

第三，如果混凝土坍落度小，流動(dòng)性就差，就必須注意其攪拌能力，一旦攪不動(dòng)，泵送能力就會(huì)下降，必要時(shí)可咨詢制造商。另外應(yīng)注意選擇合適的攪拌站，以減少泵送功率。同時(shí)還要做好日常養(yǎng)護(hù)工作，確保泵送性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，盡量不影響施工質(zhì)量。

第四，泵送高性能混凝土?xí)r應(yīng)盡量減少坍落度損失，混凝土管路密封性要好，避免出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。澆筑前對(duì)混凝土進(jìn)行防凍處理，使其具有一定抗?jié)B性能。當(dāng)溫度低于-10℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止?jié)沧ⅰＨ绻麣鉁爻^(guò)50℃，則需要采取保溫措施，嚴(yán)禁將混凝土直接澆入地下。

第五，泵送時(shí)坍落度損失大，凝結(jié)時(shí)間短。為防止堵管，泵送過(guò)程中的停頓時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，特別是操作手不能長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)混凝土泵。如果停頓時(shí)間較長(zhǎng)，可采用反泵來(lái)防止堵管。同時(shí)要經(jīng)常檢查泵體是否有漏液現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換新配件。

第六，在泵送過(guò)程中，必須注意料斗內(nèi)的混凝土務(wù)必在攪拌軸中線以上，否則會(huì)吸空，泵送時(shí)發(fā)生混凝土離析，或由于吸空、氣體壓縮而造成堵管。如果發(fā)生這種情況，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。如不及時(shí)處理，將會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的質(zhì)量。因此，需要對(duì)混凝土進(jìn)行必要處理后才能繼續(xù)使用，這樣就可以避免因泵送引起的塌方事故。

第七，由于高性能混凝土比普通混凝土難于泵送，因此摻入一定量的減水劑、改善坍落度可提高泵送性能。摻合料可改善混凝土的和易性和可泵性，可使混凝土在高溫、遠(yuǎn)距離運(yùn)送條件下仍能順利泵送。摻加少量的外加劑會(huì)增加其強(qiáng)度并延緩早期失水時(shí)間，因此要根據(jù)不同情況適當(dāng)?shù)剡x擇外加劑。

第八，為減少或防止施工過(guò)程中發(fā)生裂縫，必須嚴(yán)格控制混凝土拌合物的溫度，控制好水泥用量及配合比，保證良好的流動(dòng)性和耐久性，并采取防裂措施。總之，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高性能混凝土的研究工作。

4 橋梁箱梁高性能粉煤灰混凝土的變形性能試驗(yàn)與分析

4.1 收縮性能的試驗(yàn)與分析

開(kāi)裂是混凝土的常見(jiàn)病害。開(kāi)裂的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性不足，力學(xué)性能降低，其中混凝土的收縮是關(guān)鍵原因。為此，該文探尋了高性能粉煤灰混凝土的收縮特性，具體如圖1 所示。

結(jié)合圖1 進(jìn)行分析，早齡期混凝土的自收縮頗為劇烈，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，自收縮值呈增加的趨勢(shì)。在硬化后階段，混凝土的形態(tài)趨于穩(wěn)定，自收縮值雖然有變化，但幅度較小。原因在于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加，使混凝土具備了較強(qiáng)的抵抗變形的性能。收縮初期的收縮變形對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響微乎其微。但進(jìn)入收縮后期時(shí)，混凝土易由于異常收縮而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響尤為嚴(yán)重。為此，可采取在混凝土中摻入粉煤灰的方法調(diào)節(jié)水泥的水化反應(yīng)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土自收縮的控制。摻入的粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2接觸，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)活性受到抑制，收縮變形程度相對(duì)較小，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 高性能混凝土自縮規(guī)律

4.2 徐變性能的試驗(yàn)與分析

以C55 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為例，按照0、12%、10%、18%的粉煤灰摻量拌制混凝土，評(píng)價(jià)各組箱梁試驗(yàn)塊的徐變性能。具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。

表3 徐變?cè)囼?yàn)混凝土配合比

在確定各組試驗(yàn)的材料取用方式后，按照如下流程進(jìn)行試驗(yàn)：于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d，對(duì)試件做徐變測(cè)試。取試塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度的40%作為徐變應(yīng)力，加載前先對(duì)試塊進(jìn)行預(yù)壓對(duì)中，再逐步加載至徐變應(yīng)力，在此期間測(cè)量試塊的收縮應(yīng)變值。該文為對(duì)比分析更加直觀，選取不加載試塊。徐變測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)合表4 進(jìn)行分析，混凝土初凝開(kāi)始至7d 內(nèi)的階段，混凝土的徐變以較快的速度發(fā)展，后續(xù)徐變趨于緩慢；齡期達(dá)到180d 時(shí)，徐變達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。與未摻入粉煤灰的組別相比，摻入粉煤灰后的混凝土的徐變值更低。原因是粉煤灰的加入細(xì)化了混凝土毛細(xì)孔，這個(gè)細(xì)微的變化使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)的密實(shí)性有所提升，在后期強(qiáng)度較高。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，集料用量減少，膠凝材料用量增加，徐變值呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。

表4 高性能混凝土徐變測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述關(guān)于高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)和變形性能的研究，該文提出了一些關(guān)鍵的工作方法，總結(jié)如下：1）粉煤灰是改善混凝土性能的重要材料，在摻入適量的粉煤灰后，混凝土的和易性得以優(yōu)化，抗壓強(qiáng)度提高，便于施工的同時(shí)還能保證混凝土的成型質(zhì)量。2）和膠凝材料用量較少的混凝土相比，增加膠凝材料的用量后，混凝土的早期收縮更明顯，易影響混凝土的成型質(zhì)量。為緩解混凝土的自收縮，可以采取增加粉煤灰摻量的方法，以減少膠凝材料的用量，并在一定程度上抑制水化熱。3）在高性能混凝土拌和中摻入粉煤灰后，可提高混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量，促進(jìn)后期強(qiáng)度的提高并且混凝土成型過(guò)程中的徐變量也將得到有效控制。4）在用水量一定的前提下，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，集料用量減少，膠凝材料用量增加，徐變值增大。