C60超早強(qiáng)自密實(shí)混凝土的研究及應(yīng)用

摘  要：為了滿足大量橋梁、高速公路、鐵路、機(jī)場跑道等搶修工程的需要，本文將自密實(shí)混凝土技術(shù)和早強(qiáng)混凝土技術(shù)相結(jié)合，通過使用快硬硫鋁酸鹽水泥和促凝劑配制出一種超早強(qiáng)自密實(shí)混凝土。文中詳細(xì)研究了促凝劑的摻量對混凝土流動(dòng)性及早期強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了混凝土抗?jié)B性和耐凍融性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該混凝土坍落度260mm、擴(kuò)展度650mm，常溫下一小時(shí)抗壓強(qiáng)度可達(dá)30Mpa以上，同時(shí)具有很好的抗?jié)B性和耐凍融性。本文還研究了這種混凝土在負(fù)溫下的強(qiáng)度增長情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在－30℃的環(huán)境溫度下，該混凝土仍然可以實(shí)現(xiàn)1小時(shí)20MPa抗壓強(qiáng)度的超早強(qiáng)特性，非常適合嚴(yán)寒及冬季搶修工程的使用。目前該混凝土已經(jīng)在很多搶修工程進(jìn)行了大量應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：超早強(qiáng) ；自密實(shí) ； 促凝劑  ；工程搶修  

前言

  　硫鋁酸鹽水泥（SAC）作為我國四大特種水泥品種（白水泥、低熱大壩水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥）之一，經(jīng)過三十多年的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)形成了一定的生產(chǎn)和使用規(guī)模，其中快硬硫鋁酸鹽水泥（R•SAC）因?yàn)槠湓鐝?qiáng)、快硬、負(fù)溫水化、低干縮等特點(diǎn)，在搶修、搶建工程、冬季施工工程等有較大量的應(yīng)用。

　　自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，SCC）的概念最早由日本東京大學(xué)的混凝土實(shí)驗(yàn)室提出，隨即得到了鹿島（Kajima）、前田工機(jī)（Maeda）、大成建設(shè)（Taisei）等日本大型建筑公司的認(rèn)同[1]。自密實(shí)混凝土僅靠自重便可流過密集的鋼筋并填充整個(gè)復(fù)雜的模型，同時(shí)不離析、不泌水，保持自身的均勻性。這一特性使得自密實(shí)混凝土在澆注過程中省去了人工振搗，這不僅節(jié)約了人力、減少了噪音污染，而且避免了振搗工人因?yàn)槁┱窕蚱渌僮魇д`帶來的混凝土質(zhì)量缺陷。同時(shí)在一些特殊部位，例如鋼管混凝土、鋼筋密集的混凝土、形狀特殊的預(yù)制件等，因?yàn)闊o法進(jìn)行人工振搗，也必須使用自密實(shí)混凝土。正因?yàn)橐陨戏N種優(yōu)點(diǎn)，自密實(shí)混凝土在日本和歐美等國家發(fā)展很快，目前國內(nèi)發(fā)展也較為迅速。

　　本文將自密實(shí)混凝土技術(shù)和快硬硫鋁酸鹽水泥混凝土技術(shù)相結(jié)合，通過使用快硬硫鋁酸鹽水泥和混凝土外加劑配制出一種超早強(qiáng)自密實(shí)混凝土，這種混凝土坍落度260mm、擴(kuò)展度650mm，常溫下一小時(shí)抗壓強(qiáng)度30MPa以上，適用于機(jī)場、鐵路、公路和橋梁等搶修、搶建及冬季施工工程。 

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1  原材料

　　水泥：42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，天津華遠(yuǎn)特種水泥廠，詳細(xì)性能見表1

　　粉煤灰：II級灰，北京石景山電廠

　　集料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.4；碎石，5mm～25mm連續(xù)集配；產(chǎn)地均為河北涿州

　　減水劑：萘系，UNF-5高效減水劑，粉狀，產(chǎn)地天津

　　促凝劑：自制

　　拌合水：飲用水



1.2  試驗(yàn)方法

1.2.1 基礎(chǔ)配合比

　　參考國內(nèi)外有關(guān)自密實(shí)混凝土的學(xué)術(shù)論文，確定自密實(shí)混凝土試驗(yàn)的基礎(chǔ)配合比，并進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上添加促凝劑調(diào)節(jié)混凝土的凝結(jié)時(shí)間和小時(shí)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)及養(yǎng)護(hù)條件按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。基礎(chǔ)配合比見表2

1.2.2 流動(dòng)性試驗(yàn)

　　流動(dòng)性也可以稱為自填充性，這一指標(biāo)用來衡量自密實(shí)混凝土在自重下對模型的填充能力。國內(nèi)一般采用坍落度和擴(kuò)展度來衡量，要求坍落度不小于250mm，擴(kuò)展度不小于600mm[2]；而日本一般對坍落度沒有要求，要求擴(kuò)展度不小于600mm，同時(shí)要求擴(kuò)展度達(dá)到500mm的時(shí)間不高于15秒[3]；流動(dòng)性有時(shí)也采用U型箱試驗(yàn)來測量，通過U型箱兩邊混凝土的高度差來衡量自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性[4]。本文的流動(dòng)性試驗(yàn)主要通過坍落度、擴(kuò)展度、U型箱試驗(yàn)來完成，U型箱示意圖如圖1。坍落度試驗(yàn)的同時(shí)觀察粗骨料是否被均勻輸送到最邊緣，拌合物有無離析、泌水、抓底等現(xiàn)象。 




1.2.3 抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B及凍融循環(huán)試驗(yàn)

　　混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試塊大小為100mm×100mm×100mm，按標(biāo)準(zhǔn)要求折算成標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度。一小時(shí)和兩小時(shí)強(qiáng)度從加水?dāng)嚢栝_始計(jì)算，提前5分鐘拆模，其它齡期的試塊按照混凝土力學(xué)性能檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。 

　　由于硬化后的混凝土的密實(shí)性非常好，按照普通方法無法檢測其抗?jié)B性，因此抗?jié)B性試驗(yàn)采用1d齡期的混凝土，2.0MPa恒壓8小時(shí)，然后將抗?jié)B試塊劈開，觀察水的滲透高度。

　　凍融循環(huán)試驗(yàn)按照GBJ82－85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，取兩組28d齡期的試塊，一組進(jìn)行凍融試驗(yàn)，另一組繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)作為對比組。凍融試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的慢凍法，規(guī)則為－20℃凍4h、20℃水中融4h，8h為一個(gè)循環(huán)。 
 
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1  流動(dòng)性試驗(yàn)

　　按照表2所列混凝土的配合比進(jìn)行試配試驗(yàn)，混凝土拌合物初始坍落度270mm，擴(kuò)展度700mm，黏聚性良好，無離析、泌水、抓底現(xiàn)象。U型箱試驗(yàn)時(shí)，拌合物從一側(cè)通過鋼筋網(wǎng)片流至另一側(cè)，沒有骨料堆積現(xiàn)象，兩側(cè)高度差為零。

2.2  促凝劑的摻量對混凝土流動(dòng)性及小時(shí)強(qiáng)度的影響

　　在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上按照水泥質(zhì)量的百分比摻入促凝劑進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)雖然混凝土坍落度相同，但是擴(kuò)展度有大有小，因此對于黏聚性良好的自密實(shí)混凝土來說，擴(kuò)展度數(shù)據(jù)比坍落度更能真實(shí)反應(yīng)混凝土拌合物的流動(dòng)性情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3：


   

　　從圖2、3可知，隨著促凝劑摻量的增加，混凝土拌合物擴(kuò)展度逐漸減小而1小時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)促凝劑摻量達(dá)到3％時(shí)，擴(kuò)展度260mm、1小時(shí)抗壓強(qiáng)度33.2MPa，流動(dòng)性和小時(shí)強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)都比較理想，因此促凝劑摻量選定為水泥量的3％，最終配合比如表3：

2.3 抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B及凍融試驗(yàn)

　　按照表3的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，1h、2h、1d、28d的抗壓強(qiáng)度分別為33.2MPa、42.5 MPa、55.1 MPa、68.5 MPa。取1d齡期的抗?jié)B試塊，在混凝土抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)上2.0MPa恒壓8小時(shí)后劈開，平均滲透高度只有4.1cm，抗?jié)B性非常好。200次凍融質(zhì)量損失0.8%、抗壓強(qiáng)度損失1.2%；300次凍融質(zhì)量損失1.1%、抗壓強(qiáng)度損失2.9％。

2.4  溫度對小時(shí)抗壓強(qiáng)度的影響

　　調(diào)整水溫和料溫，保證混凝土拌合物的溫度分別為10℃和20℃，成型后立刻帶模放入低溫試驗(yàn)箱中，低溫試驗(yàn)箱溫度分別調(diào)節(jié)為0℃、－10℃、－20℃、－30℃，測量1小時(shí)抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4：

 
   
　　由圖4可知，隨著環(huán)境溫度的降低，混凝土1小時(shí)抗壓強(qiáng)度也降低。但是只要保證拌合物初始溫度不小于20℃，即使是在－30℃環(huán)境溫度下，超早強(qiáng)混凝土的1小時(shí)抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到20MPa以上，這一點(diǎn)說明了超早強(qiáng)混凝土非常適合嚴(yán)寒地區(qū)和冬季的搶修工程。 

3 工程應(yīng)用

3.1  西直門立交橋搶修工程 

　　北京市西直門北立交橋內(nèi)環(huán)通道橋位于西、北二環(huán)交界處，是北京市區(qū)交通系統(tǒng)的重要組成部分。2001年北京市市政工程管理處檢測發(fā)現(xiàn)二環(huán)路內(nèi)環(huán)主路橋病害嚴(yán)重，橋梁處于危險(xiǎn)狀態(tài)，立即采取了支護(hù)措施。2006年4月有關(guān)部門對該橋梁繼續(xù)了復(fù)核檢測并制訂了搶修加固方案。該橋每小時(shí)的交通量約2500輛，如果采用常規(guī)的方法進(jìn)行斷路施工，工期太長，會(huì)對二環(huán)路乃至整個(gè)北京市區(qū)的交通產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。 

　　經(jīng)過甲方、設(shè)計(jì)、施工等單位多次討論，決定采用中冶集團(tuán)建筑研究總院工程材料院研制的C60超早強(qiáng)自密實(shí)混凝土對橋梁進(jìn)行加固?；炷脸怂酝獾钠渌M分在工廠預(yù)拌均勻，現(xiàn)場直接加水?dāng)嚢?。具體施工方案為：

 （1） 夜里11點(diǎn)半進(jìn)行斷路施工，次日凌晨6點(diǎn)開放交通；

 （2） 施工時(shí)首先將橋面破損的混凝土剔除，厚度約10cm；

 （3） 進(jìn)行垂直鉆孔植筋并鋪設(shè)水平鋼筋；

 （4） 涂刷水性環(huán)氧混凝土界面處理劑；

 （5） 混凝土攪拌、鋪攤、抹平，初凝后進(jìn)行拉毛處理。

　　整個(gè)加固工程持續(xù)兩周，混凝土用量約500m3，現(xiàn)場取樣1小時(shí)抗壓強(qiáng)度接近40MPa，完全滿足通車要求。加固后的橋面經(jīng)過一個(gè)月左右的觀察，無有害裂縫產(chǎn)生，受到了甲方、設(shè)計(jì)和施工方的一致好評。隨后該材料還在京沈高速、機(jī)場高速、四環(huán)路健翔橋等多個(gè)工程進(jìn)行了應(yīng)用，均取得了很好的效果。

4 結(jié)論

 （1） 通過使用快硬硫酸酸鹽水泥和促凝劑可以配制出1小時(shí)抗壓強(qiáng)度大于30MPa的C60超早強(qiáng)自密實(shí)混凝土；

 （2） 由于該材料的超早強(qiáng)、自密實(shí)等特點(diǎn)，可以大量縮短搶修時(shí)間，非常適合在高速公路、立交橋、鐵路、機(jī)場跑道等搶修工程中使用；

 （3） 該材料在－30℃環(huán)境下仍可以實(shí)現(xiàn)超早強(qiáng)，適合在嚴(yán)寒及冬季搶修工程中使用；

 （4） 該材料的推廣使用，不僅能產(chǎn)生企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，也可以產(chǎn)生很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。