大橋箱梁流態(tài)混凝土的試配及性能試驗(yàn)

陜西省公路勘察設(shè)計(jì)院 · 2012-05-03 00:00

  摘要:公路橋涵箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般為C50?C60,施工上采用泵送工藝,要求混凝土具有較大坍落度,并且經(jīng)時(shí)坍落度損失小。著重探討了配制流態(tài)箱梁混凝土?xí)r原材料的選用及對(duì)混凝土性能的影響,坍落度損失的控制方法。還介紹了流態(tài)箱梁混凝土的物理力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

  關(guān)鍵詞:流態(tài)混凝土;配合比;箱梁;坍落度;力學(xué)性能

  公路上橋梁箱梁強(qiáng)度等級(jí)為C50~C60高性能混凝土的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多,在以往的施工中都采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌和吊斗運(yùn)輸,工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種方法存在施工速度慢,混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。集中預(yù)拌和泵送工藝具有機(jī)械化程度高、速度快、工效高、混凝土質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),可以解決橋梁高性能混凝土施工中出現(xiàn)的上述問(wèn)題?;炷恋谋盟凸に囈蠡炷脸柿鲬B(tài),具有較大的坍落度,一般為150-200 mm。

  配制流態(tài)箱梁混凝土可以通過(guò)摻加高效減水劑、活性摻合料以及選用優(yōu)質(zhì)原材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文中著重探討了配制流態(tài)箱梁混凝土?xí)r原材料的選用及對(duì)混凝土性能的影響,坍落度損失的控制方法,流態(tài)箱梁混凝土的部分物理力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕能力。

  1  流態(tài)箱梁混凝土的試配

  1.1  原材料選擇

  1.1.1  粗骨料

  與試配低坍落度箱梁混凝土相比,流態(tài)箱梁混凝土對(duì)原材料的要求更高,盡可能地減少對(duì)強(qiáng)度和流動(dòng)性的不良影響。從粗骨料的顆粒級(jí)配、含泥量、針片狀顆粒含量3個(gè)性能指標(biāo)看,含泥量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響最大,針片狀顆粒含量次之。由于流態(tài)箱梁混凝土中含有較多的水泥砂漿,粗骨料的級(jí)配對(duì)工作性和強(qiáng)度的影響相對(duì)要小。試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1  粗骨料性能對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)編號(hào)

粗骨料性能指標(biāo)

坍落度/mm

28 d強(qiáng)度/MPa

1-1

含泥量0%

215

70.7

1-2

含泥量1.0%

210

61.2

1-3

含泥量2.3%

205

52.8

2-1

針片狀含量0%

210

71.0

2-2

針片狀含量35%

145

58.5

3-1

級(jí)配良好

215

66.7

3-2

級(jí)配較差

215

64.8

  注:混凝土配合比例為:水泥:粉煤灰:礦渣:砂:碎石:水:外加劑=320:60:120:659:1076:150:5.0

  1.1.2  細(xì)骨料

  細(xì)骨料應(yīng)選用含泥量小的河砂。砂的細(xì)度模數(shù)直接影響混凝土的用水量,為了在不降低流動(dòng)度的情況下減少混凝土的用水量,降低混凝土的水灰比,細(xì)度模數(shù)為2.8?3.1之間的砂較合適。

      1.1.3  水泥

  水泥的強(qiáng)度是確定混凝土強(qiáng)度的一個(gè)主要因素。配制流態(tài)箱梁混凝土,必須保證混凝土強(qiáng)度,所以選擇強(qiáng)度較高的水泥尤為重要。一般來(lái)說(shuō),水泥強(qiáng)度不宜小于所配制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

     1.2  水灰比的確定

  混凝土的強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系是線性關(guān)系,對(duì)于普通碎石混凝土可以用直線方程表示:

  fcu=0.46fce( c/w-0.07)  ⑴

  從理論上講,流態(tài)箱梁混凝土的強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系也可從這條直線上延伸而得到。但高強(qiáng)度等級(jí)混凝土與普通混凝土水灰比相差很大,低強(qiáng)度等級(jí)混凝土水灰比較大,水泥的水化反應(yīng)進(jìn)行充分,高強(qiáng)度混凝土水灰比低,其中一部分水泥顆粒未能水化,只起到填充作用,所以按式(1)計(jì)算出的強(qiáng)度比對(duì)應(yīng)灰水比試驗(yàn)檢測(cè)的強(qiáng)度高。因此水灰比必須由試驗(yàn)或參照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

  1.3  摻合料

  流態(tài)箱梁混凝土水泥用量較大,此時(shí)再繼續(xù)增大水泥用量對(duì)混凝土后期的耐久性能會(huì)造成不利影響。在混凝土中摻入部分活性摻合料,不僅可以起充填作用,其活性組分還可與Ca(OH)2反應(yīng)生成CSH凝膠,提高混凝土強(qiáng)度。對(duì)于流態(tài)箱梁混凝土,摻合料還能改善混凝土的拌和性能,減少混凝土的泌水,提高可泵性,減緩混凝土的坍落度損失。對(duì)于跨海大橋的箱梁還能夠降低氯離子擴(kuò)散系數(shù),對(duì)體積較大構(gòu)件可以有效降低混凝土的水化熱。

  目前,常用的摻合料是粉煤灰、磨細(xì)礦渣,粉煤灰和磨細(xì)礦渣均含有較多的活性組分,主要成分是SiO2和Al2O3。磨細(xì)礦渣含有較高的CaO,見(jiàn)表2。

表2  粉煤灰和磨細(xì)礦潦的化學(xué)成分

化學(xué)成分

燒失成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

SO3

粉煤灰/%

4.62

49.37

29.63

9.70

3.72

0.44

1.13

0.30

1.06

磨細(xì)礦渣/%

0.80

34.08

14.57

4.05

38.21

6.40

1.10

0.34

0.28

     經(jīng)過(guò)粉煤灰、磨細(xì)礦渣摻入混凝土對(duì)比試驗(yàn),可以看出,摻合料不僅可以提高混凝土的強(qiáng)度,還可以改善混凝土拌和物性能。試驗(yàn)結(jié)果列于表3。 

表3不同摻合料混凝土性能

摻合料摻量/%

坍落度/mm

R7/MPa

R28/MPa

0

180

43.1

61.4

24(磨細(xì)礦渣)

200

41.7

69.2

12(粉煤灰)

210

39.8

66.5

注:混凝土基準(zhǔn)配合比為:水泥:砂:碎石:水:外加劑=500:659:1076:150:5.0

  1.4  外加劑與坍落度損失的控制

  配制流態(tài)箱梁混凝土為了達(dá)到低用水量,又具有大坍落度的要求,一般要通過(guò)摻聚羧酸系高性能減水劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚羧酸系高性能減水劑的減水率可以達(dá)到25%?35%。以聚羧酸系高性能減水劑配制的流態(tài)箱梁混凝土要想應(yīng)用于施工,必須解決坍落度損失問(wèn)題。從攪拌站生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)焦さ兀话阋?0-60min,到工地時(shí)混凝土應(yīng)有140-160 mm的坍落度,才能進(jìn)行泵送。

  控制混凝土的坍落度損失可以從以下4方面進(jìn)行。

  1.4.1  載體流化劑

  載體流化劑就是用活性載體(如粉煤灰)吸附外加劑制成一定粒徑的顆粒,加入流態(tài)混凝土中,讓外加劑慢慢溶解而逐漸釋放出來(lái),使液相中保持有一定濃度的外加劑,從而使坍落度長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

  在試驗(yàn)中以粉煤灰作為外加劑的載體。將粉煤灰與一定量外加劑(比例為1:1)加水混合攪拌成泥漿狀,然后搓成直徑1-2 cm左右的小顆粒,放入烘箱中烘干,變成粉脆的球體,按2%的摻量加入混凝土中,試驗(yàn)結(jié)果示于表4。

表4  載體流化劑控制坍落度損失效果

編號(hào)

外加劑品種

不同時(shí)間坍落度變化/mm

抗壓強(qiáng)度/Mpa

初始

30min

60min

120min

3 d

7 d

28 d

1

外加劑

210

180

120

-

30.2

46.5

65.6

2

外加劑+2%載體流化劑

210

200

190

175

23.1

43.7

63.1

  由此可見(jiàn),加入載體流化劑后,混凝土坍落度經(jīng)過(guò)120min只有稍降低,而對(duì)照組60min坍落度損失達(dá)40%,載體流化劑的方法可以有效控制混凝土的坍落度損失。

  1.4.2  復(fù)合減水劑

  復(fù)合減水劑是指通過(guò)機(jī)械混合的方法,將幾種不同的外加劑均勻地復(fù)合成一體。沒(méi)有緩凝成分的減水劑試配出的流態(tài)箱梁混凝土,坍落度損失很快,一般60 min 損失60%-70%。使用緩凝減水劑可以抑制水泥的早期水化,從而減緩流態(tài)箱梁混凝土的坍落度損失。試驗(yàn)結(jié)果列于表5。

表5 復(fù)合外加劑控制坍落度損失的效果

編號(hào)

外加劑品種

不同時(shí)間坍落度變化/mm

抗壓強(qiáng)度/MPa

初始

30min

60min

3d

7d

28d

1

聚羧酸系高性能減水劑

185

105

75

42.6

56.4

65.5

2

聚羧酸系緩凝高性能減水劑

210

165

135

34.3 

45.1

65.9

  注:混凝土配合比例為:水泥:粉煤灰:礦渣:砂:碎石:水:外加劑=320:60:120:659:1076:150:5.0

  1.4.3  摻合料的固體流化劑作用

  優(yōu)質(zhì)粉煤灰中含有大量的微珠,這些微珠顆粒細(xì)小,表面光滑呈球狀。當(dāng)混凝土具有大流動(dòng)度的情況下,水泥漿體中凝絮結(jié)構(gòu)已被完全破壞并分散,再添加外加劑已無(wú)法使坍落度繼續(xù)增大。這時(shí)加入細(xì)小光滑的微珠球體,嵌于水泥顆粒之間,起到滾珠潤(rùn)滑作用,增加混凝土的流動(dòng)度。而且由于粉煤灰的水化速度很慢,由微球的滾珠潤(rùn)滑作用產(chǎn)生的流動(dòng)性增加,長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)降低,可以達(dá)到延緩坍落度經(jīng)時(shí)損失的目的,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6  粉煤灰對(duì)坍落度損失的影響

編號(hào)

外加劑品種

不同時(shí)間坍落度變化/mm

抗壓強(qiáng)度/MPa

初始

30min

60min

3d

7d

28d

1

聚羧酸系緩凝高性能減水劑,不含粉煤灰

205

155

105

34.3

45.4

65.6

2

聚羧酸系緩凝高性能減水劑,外加粉煤灰15%

205

165

135

29.6

40.8

62.8

     注:混凝土基準(zhǔn)配合比為:水泥:砂:碎石:水:外加劑=500:659:1076:150:5.0

  試驗(yàn)結(jié)果表明摻入的粉煤灰具有固體流化劑的作用,同時(shí)粉煤灰的加入使混凝土拌和物的和易性、可泵性、保水性得到改善。而且混凝土內(nèi)部的空隙減少,結(jié)構(gòu)更加密實(shí),強(qiáng)度有所提高。

  在混凝土中復(fù)摻一定比例的磨細(xì)礦渣可以改善新拌混凝土工作性能,磨細(xì)礦渣的分散作用,使混凝土流動(dòng)度增大。

  1.4.4  改變混凝土攪拌順序

  在水泥含有的幾種礦物(C3S 、C2S、 C3A、 C4AF)中,以C3A對(duì)外加劑的吸附量最大,隨著C3A的水化,液相中外加劑殘余量大量減少。C3A具有很快的水化速度,如果能預(yù)先讓C3A先進(jìn)行部分水化,而后再加入外加劑,就能減少外加劑損失,也降低了混凝土坍落度損失。為此可以改變混凝土的投料順序,將砂、水泥與部分水混合,讓水與水泥先接觸,C3A開(kāi)始水化,隔2~3min后再投入碎石和余下的水以及外加劑、摻合料。這樣混凝土的攪拌時(shí)間雖有延長(zhǎng),卻可以使混凝土的坍落度損失降低,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7  不同攪拌順序?qū)μ涠葥p失的影響

編號(hào)

攪拌順序

外加劑

不同時(shí)間坍落度變化/mm

抗壓強(qiáng)度/MPa

初始

30min

60min

3d

7d

28d

1

普通攪拌順序

聚羧酸系緩凝高性能減水劑

195

170

115

30.4

46.6

66.1

2

改編后的攪拌順序

聚羧酸系緩凝高性能減水劑

220

215

170

27.8

43.8

63.2

 注:混凝土配合比例為:水泥:粉煤灰:礦渣:砂:碎石:水:外加劑=320:60:120:659:1076:150:5.0

  2  流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)性能及耐久性能

  2.1  試驗(yàn)混凝土配合比

  水泥采用閩福52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,28d抗壓強(qiáng)度為55.7Mpa;粗骨料為粒徑5~25mm的連續(xù)級(jí)配碎石,符合I類碎石技術(shù)要求;細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.9的龍海河砂,符合I類砂技術(shù)要求。減水劑為福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的Point-S聚羧酸系緩凝高性能減水劑,摻量1%;磨細(xì)礦渣是福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉,摻量24%;粉煤灰為漳州益材建材有限公司生產(chǎn)的I級(jí)灰,摻量12%?;炷了冶葹?.30,砂率為38%。配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55箱梁混凝土,坍落度達(dá)200~220mm。

     2.2  流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)性能

  流態(tài)箱梁混凝土由于摻入了粉煤灰和聚羧酸系緩凝髙性能減水劑,與低坍落度高強(qiáng)混凝土相比,早期強(qiáng)度發(fā)展較慢,3d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的48%,7d強(qiáng)度達(dá)28d強(qiáng)度的66%,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大,180d強(qiáng)度比28d強(qiáng)度增長(zhǎng)28%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8,其他力學(xué)性能見(jiàn)表9。

表8  不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

齡期/d

3

7

28

60

90

180

抗壓強(qiáng)度/MPa

33.4

46.2

69.7

74.6

82.6

89.3

比值(與28d強(qiáng)度)

47.9

66.3

100.0

107.0

118.5

128.1

 

表9  流態(tài)箱梁混凝土力學(xué)特性

齡期

d

軸芯抗壓強(qiáng)度

Mpa

抗折強(qiáng)度

Mpa

劈裂拉壓強(qiáng)度

Mpa

彈性模量Ec

MPa

28

57.4

6.4

5.3

3.83×104

60

63.5

6.6

6.0

3.96×104

  2.3  流態(tài)箱梁混凝土的收縮性能和氯離子滲透系數(shù)性能

  試驗(yàn)采用100mm×100mm×515mm棱柱體試件(集料最大粒徑為25mm),采用混凝土收縮儀,試件兩端預(yù)埋測(cè)頭。試件帶模養(yǎng)護(hù)1d,拆模后應(yīng)立即檢測(cè)預(yù)埋測(cè)頭的距離。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù),在要求齡期后移入室溫為(20±3)℃,濕度(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)開(kāi)始定期測(cè)量長(zhǎng)度。長(zhǎng)度測(cè)量采用外徑千分卡,測(cè)量精度0.01mm。齡期28d收縮值與6個(gè)月時(shí)之比為72%,混凝土早期收縮開(kāi)展較完全,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10和圖1。

表10  流態(tài)箱梁混凝土各齡期收縮率

齡期/d

1

3

7

14

28

45

60

90

120

150

180

收縮率/×10-6

52

89

128

171

213

225

237

261

278

284

297

圖1  流態(tài)箱梁混凝土經(jīng)時(shí)收縮率

    分別采用電通量法和RCM法對(duì)28d和56d混凝土試樣進(jìn)行試驗(yàn)。由于使用適量的磨細(xì)礦渣和粉煤灰,混凝土中火山灰效應(yīng)形成致密水化產(chǎn)物,改善了混凝土的微結(jié)構(gòu)。只要水灰比比較低,通過(guò)火山灰效應(yīng),混凝土抗氯離子滲透性能得到了提高。結(jié)果見(jiàn)表11。

表11流態(tài)箱梁通緩?fù)谅入x子擴(kuò)散系數(shù)和電通量

項(xiàng)目

氯離子擴(kuò)散系數(shù)RCM法

×10-12m2/s

電通量法/C

28d齡期

1.89

941

56d齡期

1.37

796

  3  結(jié)語(yǔ)

  (1)原材料的性能對(duì)配置流態(tài)髙強(qiáng)混凝土有重要的影響,含泥量和針片狀含量較大的粗骨料可使混凝土強(qiáng)度明顯降低,細(xì)骨料應(yīng)選用細(xì)度模數(shù)2.8~3.1的潔凈的砂,水泥強(qiáng)度不宜低于混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

  (2)聚羧酸系緩凝高性能減水劑和摻合料是配制流態(tài)箱梁混凝土不可缺少的組分,它可以提高混凝土強(qiáng)度,改善混凝土性能,有利于泵送施工。

  (3)通過(guò)使用緩凝型高性能減水劑、摻入一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰及磨細(xì)礦渣和改變混凝土的攪拌順序等簡(jiǎn)便易行的方法,可以有效地控制流態(tài)箱梁混凝土的坍落度損失,使1h損失率不大于30%。但在有彈性模量要求的箱梁混凝土中,粉煤灰摻量不宜過(guò)髙。

  (4)流態(tài)箱梁混凝土的部分力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能能夠滿足箱梁的技術(shù)要求,混凝土的收縮在28d齡期大部分開(kāi)展完成,因此控制混凝土早期裂縫十分重要,養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度應(yīng)得到有效控制。

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