摘要：研究以某长江大桥项目为背景，通过不同胶材用量、不同胶材比例和不同水胶比进行了C50梁高性能混凝土的配制研究，探究了掺合料改善混凝土性能的机理。结果表明，增加胶凝材料用量或粉煤灰用量可以提高混凝土的工作性能，但矿粉掺入对混凝土工作性能不利。粉煤灰和矿粉的掺入可以提高混凝土的体积稳定性和抗氯离子渗透性能，对混凝土抗裂性能也有利，但粉煤灰和矿粉掺量过大，不利于混凝土早期强度的发展。混凝土中掺入粉煤灰能减小混凝土大孔的分布进而转化成为小孔，对混凝土的孔结构分布具有明显的改善作用，使混凝土内部孔结构分布合理，可以大幅度提高混凝土的抗渗性能和耐久性。
关键词：高性能混凝土；抗渗透性；抗裂性能；孔结构分析；机理研究
1 引言
该长江公路大桥路线全长为7.548km，其中长江大桥（主桥、滩桥、跨堤孔桥）长4.374km，南岸引桥长1.634km，北岸引桥长1.540km。主航道桥为主跨938m双塔钢箱及钢箱结合梁斜拉桥。
混凝土是该大桥工程使用的主要结构材料，混凝土的工作性能、力学性能、抗侵蚀性能、抗开裂性能和耐久性等对整个大桥的质量和长期安全使用起着十分重要的作用。梁体混凝土强度等级为C50，为预应力混凝土结构，对混凝土耐久性提出了很高的要求，不允许出现裂缝，同时梁体要求混凝土表面平整、光洁、无蜂窝麻面、无水线等外观缺陷。另外，桥址周边聚集众多大型钢铁，化工企业，这些生产企业向大气排放大量的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等工业废气，可能形成酸雨，对大桥钢筋混凝土结构的耐久性产生一定的不利影响。因此如何保持梁体C50混凝土的的力学性能和抵抗腐蚀介质侵蚀的耐久性能成为混凝土配制的关键。
本研究针对该长江大桥C50梁体混凝土面临的问题，开展C50梁体高性能混凝土的配制，以耐久性为核心，重点关注混凝土的早期力学性能、工作性能和体积稳定性，兼顾梁体混凝土的外观质量和经济性，以配制出满足现场施工要求的C50高性能混凝土，并探究其内在的作用机理。
2 试验原材料及试验方法
2.1 试验原材料
⑴ 水泥：本试验水泥为亚东水泥有限公司生产的P.O52.5普通硅酸盐水泥，其物理和力学性能如表1所示。
表1 水泥的物理力学性能
⑵ 矿物掺合料：本研究采用武汉青源电力集团干灰开发有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰和武汉武新新型建材有限公司生产的S95级矿粉，各种矿物掺合料的物理性能如表2和表3所示。
表2 粉煤灰物理性能
规格性能指标
细度
（%）含水量
（%）烧失量
（%）密度
（kg/m3）需水量比
（%）SO3含量
（%）碱含量
（%）
Ⅱ级15.80.12.82.1351010.371.10
表3 矿粉物理性能
密度
（g/cm3）比表面积
（m2/kg）烧失量
（%）SO3含量
（%）流动度比
（%）Cl-含量
（%）含水量
（%）活性指数（%）
7d28d
2.914121.71.31030.0080.17898
⑶ 细集料与粗集料：本研究使用的细集料为洞庭湖出产的天然河砂，河砂细度模数2.8，含泥量为0.6%，堆积密度为1566kg/m3。粗集料选择粒形和级配良好的碎石，优选压碎值、针片状含量和含泥量低，无碱活性的碎石。粗集料选用湖北阳新生产的5～25mm连续级配碎石，堆积密度1486 kg/m3，压碎值9.4%。
⑷ 减水剂：本研究选用四川铁科新型建材有限公司生产的TK-PCA2缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水剂性能指标如表4所示。
表4 减水剂的性能指标
品牌固含量
（%）氯离子含量
（%）减水率
（%）含气量
（%）收缩率比
（%）抗压强度比（%）
7d28d
TK-PCA21.10.02272.9108142134
2.2 试验方法
混凝土的坍落度、含气量、泌水率及凝结时间试验等按《普通混凝土拌和物性能试验方法》进行。混凝土的抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度和弹性模量按《普通混凝土力学性能试验方法》进行。混凝土的抗氯离子渗透性能采用28d、56d及84d的氯离子扩展系数进行评定，测试具体方法按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》相关规定进行。混凝土早期抗裂性对比试验采用平板法，按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》早期抗裂试验进行。混凝土干燥收缩及徐变试验按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行。
3 混凝土配合比设计及性能研究
主引桥C50梁混凝土要求具有良好的施工性能、力学性能、抗开裂性能、抗氯离子渗透性能和外观质量要求，通过试验研究提出相应的满足设计要求的梁混凝土配合比。主引桥C50梁采用粉煤灰和矿粉复掺，尽量减小胶材及水泥用量，控制用水量，增加粗骨料用量，以提高混凝土的体积稳定性、减小徐变，确保梁整体结构的安全使用。
梁C50混凝土配合比设计各项控制指标如下：
a、较高的早期强度。混凝土强度等级为C50，考虑混凝土预应力张拉，要求混凝土早期强度高，混凝土5d抗压强度大于设计值的80%。
b、混凝土要有良好的工作性。控制混凝土坍落度为160~200mm，并且粘聚性好、不离析、不泌水；混凝土的经时坍落度损失小（1h经时损失值小于10%）。
c、混凝土外观质量好。箱梁混凝土外观无色差，表面无龟裂纹。
d、60d抗压强度≥59.9MPa；
e、抗裂试验满足要求。
f、抗氯离子侵蚀性能：84天氯离子扩散系数小于2.0×10-12m2/s。
3.1 试验配合比及工作性能
试验分别对不同胶材用量、不同胶材比例和不同水胶比的C50梁高性能混凝土进行配制如表5所示。从表5的试验结果可知，梁C50混凝土的工作性能良好，混凝土坍落度接近，但由于胶凝材料较多，混凝土整体偏粘，混凝土扩展度较小。
表5 主引桥C50梁高性能混凝土试验配合比
编号原材料用量（kg/m3）工作性能（mm）
水泥粉煤灰矿粉砂碎石水外加剂坍落度扩展度
L140872/7191078153.65.76170450
L2360120/7191078153.65.76175465
L336072487191078153.65.76180465
L4367.573.5497151072151.95.88185460
L5367.54973.57151072151.95.88175465
L634398497151072151.95.88190475
L7350100507121065150.05.75180470
L840050507121065150.05.75175460
3.2 力学性能
主引桥C50梁高性能混凝土的力学性能试验结果如图1所示。为了满足梁早期张拉的力学性能要求，除L2组外，其他几组配合比的混凝土5d抗压强度均达到了设计强度的80%，L1~L8各组配合比所配制的混凝土的7d抗压强度均达到了设计值90%以上，60d抗压强度满足混凝土的配制强度要求。粉煤灰掺量对梁混凝土早期强度影响较大，随着粉煤灰掺量增加，混凝土早期抗压强度有一定的降低，而提高胶材用量和增加水泥用量对提高混凝土的早期抗压强度有一定的作用。随着粉煤灰掺量和矿粉的增加，混凝土的早期弹性模量有所降低，但后期弹性模量基本接近。
图1 主引桥C50梁高性能混凝土力学性能试验结果
3.3 抗渗性能
主引桥C50梁高性能混凝土各组配合比的抗氯离子渗透性能（RCM法）试验结果如图2所示，各组配合比均满足梁混凝土抗氯离子渗透性能要求。随着掺合料用量的提高，混凝土抗氯离子渗透性能有一定程度的提高。粉煤灰和矿粉双掺时比单掺粉煤灰的混凝土抗氯离子渗透性能更优，并且矿粉对抗氯离子渗透性能的提高优于粉煤灰。
图2 主引桥C50梁高性能混凝土抗氯离子渗透性能试验结果
3.4 收缩性能
主引桥C50梁高性能混凝土的抗收缩性能试验结果见图3所示。随着胶凝材料用量和水泥用量的提高，梁混凝土的收缩性能逐渐增大，粉煤灰的掺入可以改善的混凝土的体积稳定性，收缩降低。粉煤灰和矿粉双掺时比单掺粉煤灰的混凝土体积稳定性更优，抗收缩性能有较大程度的提高。
图3 主引桥C50梁高性能混凝土收缩性能试验结果
3.5 徐变性能
主引桥C50梁高性能混凝土的徐变性能试验结果见图4所示。随着混凝土胶凝材料用量的增加，混凝土的徐变值和徐变度降低，粉煤灰和矿粉掺量增加，混凝土的徐变值和徐变度也逐渐降低，掺合料的增加改善了混凝土内部的颗粒级配，混凝土中孔隙减小，密实性增加，因而徐变度降低。主引桥C50梁混凝土180d徐变度在35×10-6/MPa到50×10-6/MPa之间，具有较好的体积稳定性。
（a）主引桥C50梁高性能混凝土徐变值
（b）主引桥C50梁高性能混凝土徐变度
图4 主引桥C50梁高性能混凝土徐变值及徐变度
3.6 抗裂性能
主引桥C50梁高性能混凝土的早期的平板法抗裂性能试验结果如表4.4-7所示。几组梁高性能混凝土配合比抗裂性能均为L-Ⅳ级，其中随着胶凝材料和水泥用量的增加，混凝土水化热和收缩同时增大，开裂风险也更大，在胶凝材料相同时，掺入复掺粉煤灰和矿粉混凝土比单掺粉煤灰的混凝土抗开裂性能好。混凝土用水量降低时，混凝土开裂风险也相应的降低。
表4.4-6 主引桥C50梁高性能混凝土早期抗裂性能试验结果
编号胶材用量
（kg/m3）胶凝材料
比例早期抗裂评价指标
n/a/b/c/
根mm2/根根/m2mm2/m2
L248075：25：0128.46.35180.3
L348075：15：10148.64.12200.2
L449075：15：10126.38.41221.2
L649070：20：10123.59.2216.2
L750070：20：10230.28.25249.1
4 掺合料改善混凝土性能的机理研究
4.1 掺合料改善混凝土干缩性能的试验研究
混凝土干缩变形是因存在于毛细孔中游离水蒸发而使孔中水面下降，曲率增大，孔内负压而引起的体积收缩。在环境相对湿度较小时，混凝土将产生一定程度的收缩，一般规律是：7~14d龄期收缩值显著增加，90d后逐渐缓慢。因此，对混凝土早期进行保温养护是减少干缩裂缝的有效措施。
试验针对以C50梁为例研究干缩率与掺合料用量的关系，试验结果见图2所示。随着胶凝材料用量和水泥用量的提高，承台和梁混凝土的收缩性能逐渐增大，粉煤灰的掺入可以改善的混凝土的体积稳定性，收缩收缩降低。粉煤灰和矿粉双掺时比单掺粉煤灰的混凝土体积稳定性更优，抗收缩性能有较大程度的提高。这是由于粉煤灰的微集料效应和火山灰反应生成大量C-S-H凝胶，填充了混凝土中毛细孔，相应补偿了因孔隙失水而产生的干缩。
低水胶比的高强混凝土，结构形成以后的自收缩在早期就已经发展迅速，同时由于其相应的弹性模量发展速度也较传统的普通混凝土发展迅速，因此在约束条件下更容易引起早期开裂。粉煤灰和矿粉可以降低混凝土早期收缩的作用，并且混凝土自收缩率下降幅度随粉煤灰掺量的增加而增大，因此掺入适量的粉煤灰和矿粉对于改善早龄期混凝土的抗裂性具有明显的益处。
4.2 掺和料改善混凝土耐久性能的机理研究
以C50混凝土配合比L4为例，利用压汞仪对掺粉煤灰和没有掺粉煤灰的混凝土孔结构进行分析，结果如图6所示。从图中可以看出，掺30%粉煤灰试样碳化区域的总孔隙率（16.4%）要高于未掺粉煤灰的试样（15.9%），但其孔径主要分布在10nm-1000nm之间，而未掺粉煤灰试样的孔径主要分布10nm-10000nm之间；尤其在1000nm-10000nm之间未掺粉煤灰的试样包含的10000nm左右较大空隙明显要多于掺粉煤灰的试样，掺粉煤灰试样在10nm-100nm区间的孔径分布明显高于未掺粉煤灰的试样。
掺入粉煤灰能减小混凝土大孔的分布进而转化成为小孔，对混凝土的孔结构分布具有明显的改善作用，使混凝土内部孔结构分布合理，大孔径和连通孔减小，大幅度的提高了混凝土的抗渗性能。混凝土的扩散系数与粉煤灰的火山灰活性有着密切的关系。矿物掺和料的二次水化，与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，减少Ca(OH)2含量，并且干扰水化物的结晶，使水化物结晶颗粒尺寸变小，富集程度和取向程度下降，从而改善混凝土界面结构和水泥石孔结构，大大提高了混凝土的抗渗性。
混凝土的扩散系数随着矿物掺和料的掺量增加而降低，这与国内外众多学者的研究结果是一致的。一方面混凝土的微观结果得到良好的改善；另一方面，火山灰反应降低了混凝土孔溶液中的Ca2+和OH-的浓度，所以扩散系数低。掺合料的掺入在早期对其抗渗性并不明显，但在后期则表现出掺量大，抗渗性能好，这与后期的二次水化有密切联系。
5 结论与建议
⑴ 通过对不同胶材用量、不同胶材比例和不同水胶比的C50梁高性能混凝土进行配制研究，增加胶凝材料用量或粉煤灰用量可以提高混凝土的工作性能，但矿粉掺入对混凝土工作性能不利，混凝土表现较粘。另一方面，胶凝材料用量过大，混凝土收缩变大，同时对于混凝土的经济性不利。
⑵ 粉煤灰和矿粉的掺入可以提高混凝土的体积稳定性和抗氯离子渗透性能，对混凝土抗裂性能也有利，但粉煤灰和矿粉掺量过大，不利于混凝土早期强度的发展，对于C50混凝土早期预应力张拉不利，因此合理控制粉煤灰和矿粉掺量是改善C50混凝土性能，均衡混凝土经济性的关键，综合而言本试验L4组配合比最优。
⑶粉煤灰和矿粉的潜在活性降低了早期强度增长率，同时也使混凝土中收缩拉应力的最大值得到了有效降低；另外，在干燥条件下，粉煤灰具有良好的保水性，促使混凝土内部保持较低的湿度变化梯度，从而抑制或推迟早期微裂缝的产生。
⑷随着粉煤灰掺量的增加，水泥基材料的初始开裂时间延长，粉煤灰的延迟水化作用大大降低了该材料体系的早期开裂敏感性。粉煤灰的掺入对混凝土的体积变形性能具有良好的改善作用。随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土的早期和后期收缩逐渐降低，粉煤灰的掺入对混凝土的抗收缩性能改善效果明显。
⑸混凝土中掺入粉煤灰能减小混凝土大孔的分布进而转化成为小孔，对混凝土的孔结构分布具有明显的改善作用，使混凝土内部孔结构分布合理，大孔径和连通孔减小，可以大幅度提高混凝土的抗渗性能和耐久性。
参考文献：
[1] 黄君哲，王胜年， 潘德强． 海工高性能混凝土结构使用寿命预测浅析[J]．水运工程，2004(2).
[2] 孙家瑛,邓世汉,张杰.跨海大桥混凝土抗裂的技术措施.铁道科学与工程学报,2007.02
[3] 黄毅,孙建渊,黄士柏.跨海大桥全寿命耐久性设计与施工技术.华东交通大学学报,2007.08
[4] 方泽锋，施惠生.粉煤灰对水泥浆体的水化及亚微观结构的影响[J].粉煤灰综合利用，2003,5：48-51.
论文作者:柯炎军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：混凝土论文; 性能论文; 粉煤灰论文; 引桥论文; 用量论文; 抗压强度论文; 耐久性论文; 《基层建设》2019年第19期论文;