大桥箱梁流态混凝土的试配及性能试验

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摘要：公路桥涵箱梁混凝土强度等级一般为C50?C60，施工上采用泵送工艺，要求混凝土具有较大坍落度，并且经时坍落度损失小。着重探讨了配制流态箱梁混凝土时原材料的选用及对混凝土性能的影响，坍落度损失的控制方法。还介绍了流态箱梁混凝土的物理力学性能和抗氯离子侵蚀能力的试验数据。

关键词：流态混凝土；配合比；箱梁；坍落度；力学性能

公路上桥梁箱梁强度等级为C50～C60高性能混凝土的应用已经越来越多，在以往的施工中都采用现场搅拌和吊斗运输,工程应用中发现这种方法存在施工速度慢，混凝土质量不稳定的问题。集中预拌和泵送工艺具有机械化程度高、速度快、工效高、混凝土质量稳定的优点，可以解决桥梁高性能混凝土施工中出现的上述问题。混凝土的泵送工艺要求混凝土呈流态，具有较大的坍落度，一般为150-200 mm。

配制流态箱梁混凝土可以通过掺加高效减水剂、活性掺合料以及选用优质原材料来实现。在本文中着重探讨了配制流态箱梁混凝土时原材料的选用及对混凝土性能的影响，坍落度损失的控制方法，流态箱梁混凝土的部分物理力学性能和抗氯离子侵蚀能力。

1 流态箱梁混凝土的试配

1.1 原材料选择

1.1.1 粗骨料

与试配低坍落度箱梁混凝土相比，流态箱梁混凝土对原材料的要求更高，尽可能地减少对强度和流动性的不良影响。从粗骨料的颗粒级配、含泥量、针片状颗粒含量3个性能指标看，含泥量对混凝土强度的影响最大，针片状颗粒含量次之。由于流态箱梁混凝土中含有较多的水泥砂浆，粗骨料的级配对工作性和强度的影响相对要小。试验结果列于表1。

表1 粗骨料性能对强度的影响

注：混凝土配合比例为：水泥：粉煤灰：矿渣：砂：碎石：水：外加剂=320：60：120：659：1076：150：5.0

1.1.2 细骨料

细骨料应选用含泥量小的河砂。砂的细度模数直接影响混凝土的用水量，为了在不降低流动度的情况下减少混凝土的用水量，降低混凝土的水灰比，细度模数为2.8?3.1之间的砂较合适。

1.1.3 水泥

水泥的强度是确定混凝土强度的一个主要因素。配制流态箱梁混凝土，必须保证混凝土强度，所以选择强度较高的水泥尤为重要。一般来说，水泥强度不宜小于所配制混凝土的强度等级。

1.2 水灰比的确定

混凝土的强度与灰水比的关系是线性关系，对于普通碎石混凝土可以用直线方程表示：

fcu=0.46fce( c/w-0.07) ⑴

从理论上讲，流态箱梁混凝土的强度与灰水比的关系也可从这条直线上延伸而得到。但高强度等级混凝土与普通混凝土水灰比相差很大,低强度等级混凝土水灰比较大，水泥的水化反应进行充分，高强度混凝土水灰比低，其中一部分水泥颗粒未能水化，只起到填充作用，所以按式计算出的强度比对应灰水比试验检测的强度高。因此水灰比必须由试验或参照经验数据确定。

1.3 掺合料

流态箱梁混凝土水泥用量较大，此时再继续增大水泥用量对混凝土后期的耐久性能会造成不利影响。在混凝土中掺入部分活性掺合料，不仅可以起充填作用，其活性组分还可与Ca(OH)2反应生成CSH凝胶，提高混凝土强度。对于流态箱梁混凝土，掺合料还能改善混凝土的拌和性能，减少混凝土的泌水，提高可泵性，减缓混凝土的坍落度损失。对于跨海大桥的箱梁还能够降低氯离子扩散系数，对体积较大构件可以有效降低混凝土的水化热。

目前，常用的掺合料是粉煤灰、磨细矿渣，粉煤灰和磨细矿渣均含有较多的活性组分，主要成分是SiO2和Al2O3。磨细矿渣含有较高的CaO，见表2。

表2 粉煤灰和磨细矿潦的化学成分

经过粉煤灰、磨细矿渣掺入混凝土对比试验，可以看出，掺合料不仅可以提高混凝土的强度，还可以改善混凝土拌和物性能。试验结果列于表3。

表3不同掺合料混凝土性能

注：混凝土基准配合比为：水泥：砂：碎石：水：外加剂=500：659：1076：150：5.0

1.4 外加剂与坍落度损失的控制

配制流态箱梁混凝土为了达到低用水量，又具有大坍落度的要求，一般要通过掺聚羧酸系高性能减水剂来实现。聚羧酸系高性能减水剂的减水率可以达到25%?35%。以聚羧酸系高性能减水剂配制的流态箱梁混凝土要想应用于施工,必须解决坍落度损失问题。从搅拌站生产并运输到工地，一般要30-60min，到工地时混凝土应有140-160 mm的坍落度，才能进行泵送。

控制混凝土的坍落度损失可以从以下4方面进行。

1.4.1 载体流化剂

载体流化剂就是用活性载体(如粉煤灰)吸附外加剂制成一定粒径的颗粒,加入流态混凝土中，让外加剂慢慢溶解而逐渐释放出来,使液相中保持有一定浓度的外加剂，从而使坍落度长时间保持稳定。

在试验中以粉煤灰作为外加剂的载体。将粉煤灰与一定量外加剂(比例为1:1)加水混合搅拌成泥浆状，然后搓成直径1-2 cm左右的小颗粒，放入烘箱中烘干，变成粉脆的球体，按2%的掺量加入混凝土中，试验结果示于表4。

表4 载体流化剂控制坍落度损失效果

由此可见，加入载体流化剂后，混凝土坍落度经过120min只有稍降低，而对照组60min坍落度损失达40%，载体流化剂的方法可以有效控制混凝土的坍落度损失。

1.4.2 复合减水剂

复合减水剂是指通过机械混合的方法，将几种不同的外加剂均匀地复合成一体。没有缓凝成分的减水剂试配出的流态箱梁混凝土，坍落度损失很快，一般60 min 损失60%-70%。使用缓凝减水剂可以抑制水泥的早期水化，从而减缓流态箱梁混凝土的坍落度损失。试验结果列于表5。

表5 复合外加剂控制坍落度损失的效果

注：混凝土配合比例为：水泥：粉煤灰：矿渣：砂：碎石：水：外加剂=320：60：120：659：1076：150：5.0

1.4.3 掺合料的固体流化剂作用

优质粉煤灰中含有大量的微珠，这些微珠颗粒细小，表面光滑呈球状。当混凝土具有大流动度的情况下，水泥浆体中凝絮结构已被完全破坏并分散，再添加外加剂已无法使坍落度继续增大。这时加入细小光滑的微珠球体，嵌于水泥颗粒之间，起到滚珠润滑作用，增加混凝土的流动度。而且由于粉煤灰的水化速度很慢，由微球的滚珠润滑作用产生的流动性增加，长时间内不会降低，可以达到延缓坍落度经时损失的目的，试验结果见表6。

表6 粉煤灰对坍落度损失的影响

注：混凝土基准配合比为：水泥：砂：碎石：水：外加剂=500：659：1076：150：5.0

　　试验结果表明掺入的粉煤灰具有固体流化剂的作用，同时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。而且混凝土内部的空隙减少，结构更加密实，强度有所提高。

　　在混凝土中复掺一定比例的磨细矿渣可以改善新拌混凝土工作性能，磨细矿渣的分散作用，使混凝土流动度增大。

　　1.4.4 改变混凝土搅拌顺序

　　在水泥含有的几种矿物(C3S 、C2S、 C3A、 C4AF)中，以C3A对外加剂的吸附量最大，随着C3A的水化,液相中外加剂残余量大量减少。C3A具有很快的水化速度，如果能预先让C3A先进行部分水化，而后再加入外加剂，就能减少外加剂损失，也降低了混凝土坍落度损失。为此可以改变混凝土的投料顺序，将砂、水泥与部分水混合，让水与水泥先接触，C3A开始水化，隔2～3min后再投入碎石和余下的水以及外加剂、掺合料。这样混凝土的搅拌时间虽有延长，却可以使混凝土的坍落度损失降低，试验结果见表7。

表7 不同搅拌顺序对坍落度损失的影响

　注：混凝土配合比例为：水泥：粉煤灰：矿渣：砂：碎石：水：外加剂=320：60：120：659：1076：150：5.0

　　2 流态箱梁混凝土力学性能及耐久性能

　　2.1 试验混凝土配合比

　　水泥采用闽福52.5级普通硅酸盐水泥，28d抗压强度为55.7Mpa;粗骨料为粒径5～25mm的连续级配碎石，符合I类碎石技术要求；细骨料为细度模数2.9的龙海河砂,符合I类砂技术要求。减水剂为福建科之杰新材料有限公司生产的Point-S聚羧酸系缓凝高性能减水剂，掺量1%；磨细矿渣是福建科之杰新材料有限公司生产的S95矿渣粉，掺量24%；粉煤灰为漳州益材建材有限公司生产的I级灰，掺量12%。混凝土水灰比为0.30，砂率为38%。配制的混凝土强度等级为C55箱梁混凝土，坍落度达200～220mm。

2.2 流态箱梁混凝土力学性能

　　流态箱梁混凝土由于掺入了粉煤灰和聚羧酸系缓凝髙性能减水剂,与低坍落度高强混凝土相比，早期强度发展较慢，3d强度为28d强度的48%，7d强度达28d强度的66%，后期强度增长较大，180d强度比28d强度增长28%。试验结果见表8，其他力学性能见表9。

表8 不同龄期混凝土抗压强度

表9 流态箱梁混凝土力学特性

　　2.3 流态箱梁混凝土的收缩性能和氯离子渗透系数性能

　　试验采用100mm×100mm×515mm棱柱体试件(集料最大粒径为25mm)，采用混凝土收缩仪，试件两端预埋测头。试件带模养护1d,拆模后应立即检测预埋测头的距离。在标准养护室养护，在要求龄期后移入室温为℃，湿度%的恒温恒湿室内开始定期测量长度。长度测量采用外径千分卡，测量精度0.01mm。龄期28d收缩值与6个月时之比为72%，混凝土早期收缩开展较完全，试验结果见表10和图1。

表10 流态箱梁混凝土各龄期收缩率

图1 流态箱梁混凝土经时收缩率

分别采用电通量法和RCM法对28d和56d混凝土试样进行试验。由于使用适量的磨细矿渣和粉煤灰，混凝土中火山灰效应形成致密水化产物,改善了混凝土的微结构。只要水灰比比较低，通过火山灰效应，混凝土抗氯离子渗透性能得到了提高。结果见表11。

表11流态箱梁通緩土氯离子扩散系数和电通量

　　3 结语

　　(1)原材料的性能对配置流态髙强混凝土有重要的影响，含泥量和针片状含量较大的粗骨料可使混凝土强度明显降低，细骨料应选用细度模数2.8～3.1的洁净的砂，水泥强度不宜低于混凝土的强度等级。

　　(2)聚羧酸系缓凝高性能减水剂和掺合料是配制流态箱梁混凝土不可缺少的组分，它可以提高混凝土强度，改善混凝土性能，有利于泵送施工。

　　(3)通过使用缓凝型高性能减水剂、掺入一定量的优质粉煤灰及磨细矿渣和改变混凝土的搅拌顺序等简便易行的方法，可以有效地控制流态箱梁混凝土的坍落度损失，使1h损失率不大于30%。但在有弹性模量要求的箱梁混凝土中，粉煤灰掺量不宜过髙。

　　(4)流态箱梁混凝土的部分力学性能和抗氯离子渗透性能能够满足箱梁的技术要求，混凝土的收缩在28d龄期大部分开展完成，因此控制混凝土早期裂缝十分重要，养护的温度和湿度应得到有效控制。

　　参考文献：

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