夏季炎热气候条件下高性能混凝土试验研究及应用

王忆宁,杨远明,李 建

(中铁五局集团有限公司,贵阳 550003)

夏季炎热气候条件下高性能混凝土试验研究及应用

王忆宁,杨远明,李 建

(中铁五局集团有限公司,贵阳 550003)

通过大幅度调整混凝土水泥用量,减少水化热,降低水泥的水化速度,从混凝土自身内因上最大限度降低和缓解了高性能混凝土夏季施工所产生的问题。

炎热气候;高性能混凝土;粉煤灰;耐久性

1 概述

武广铁路客运专线是我国首条设计时速 350 k m,线路里程最长,投资规模最大的客运专线。它有着建设标准高、技术要求高、质量目标高的三大特点。要实现质量零缺陷,达到设计使用年限 100年的目标,混凝土结构的耐久性是工程的关键,而高性能混凝土又是保证混凝土结构长期耐久性的关键技术措施。武广铁路客运专线地处湖南、湖北境界,该地区夏季炎热少雨,高温持续时间长,7～8月平均气温在 35℃以上,最高气温达 45℃;在高温环境条件下拌和、运输、浇筑混凝土,水泥水化速度快,水化热集中,一是混凝土热量聚积,不易散发,升温过快,温峰过高,温差大,早期强度增长过快,造成混凝土出现收缩裂纹、温度裂纹和混凝土内部大量肉眼不可见的细小裂纹,从而严重影响混凝土的质量和耐久性;二是在高气温下进行混凝土施工,混凝土中的水蒸发快,水泥水化速度快,凝结快,导致混凝土坍落度经时损失大,极易造成混凝土泵送时堵管,严重影响施工进度和质量,特别是对大体积混凝土和现浇墩台施工尤其重要。如采用液氮、冰块降温,成本太高,难以承受,如何采用经济合理的措施,解决炎热夏季高性能耐久混凝土施工问题,具有十分重要的意义。

通过大幅度调整混凝土中的水泥用量和粉煤灰用量,减少和降低水泥的水化速率和水化热,同时充分利用粉煤灰掺加到一定比例时产生的减水作用,进一步降低混凝土的水胶比,保证了混凝土缓凝性能,混凝土早期强度也满足了正常施工的要求,从混凝土自身内因上最大限度降低和缓解了夏季施工所产生的危害;同时采取降低原材料温度,减少混凝土在拌和、运输过程中的吸热,加强混凝土的养护等措施,成功解决了炎热季节大体积墩台高性能混凝土经时损失大、泵送时易堵管、浇筑困难、混凝土入模温度高,易产生温度裂缝等难题,既保证了高性能耐久混凝土质量,又加快了施工进度,还降低了混凝土成本。

2 大掺量粉煤灰高性能混凝土

目前,国内对大掺量粉煤灰高性能混凝土尚没有统一的定义,有些研究者认为,当混凝土胶凝材料中粉煤灰用量超过水泥用量时,即粉煤灰掺量大于 50%时,便定义为大掺量粉煤灰高性能混凝土。在试验中所采用的粉煤灰掺量为 50%～70%。

3 大掺量粉煤灰高性能混凝土试验分析

通过配制和施工桥梁墩台等大体积混凝土,对大掺量粉煤灰高性能混凝土的拌和物性能和硬化后的力学、耐久性能进行试验分析。

试验中选取 3种粉煤灰掺量(50%、55%、70%)配合比(表 1)进行试验分析。

表1 混凝土配合比

3.1 试验原材料

采用郴州东江金 P.O42.5水泥;耒阳大唐电厂风选 F类粉煤灰,烧失量 4.79%,需水量比 95%,细度13.9%;湘潭华强磨细矿粉,需水量比 98%,28 d活性指数 112%;仙岭石场 5～31.5 m m连续级配碎石,三级掺配,含泥量 0.4%,泥块含量 0.1%;耒阳银州中砂,细度模数 2.9,含泥量 0.6%,泥块含量 0.1%;山西凯迪 K D S P聚羧酸盐高性能减水剂;拌和用水,p H值7.52。

选用表 1中 1--2、2--2、3--2、4--1配合比检测在不同温度条件下的初凝时间,试验结果见图 1。

3.2 混凝土拌和物性能试验

3.2.1 凝结时间

图 1 混凝土初凝时间与环境温度关系曲线

从图 1中可以看出,在环境温度 20℃时,各配合比混凝土的初凝时间在 700～850 m i n,但随着环境温度的升高,各混凝土间的初凝时间差逐渐变大。在 40℃时,粉煤灰掺量 70%混凝土拌和物的初凝时间与掺量 50%的相差约 100 m i n,与参照配合比相比,相差250 m i n以上,由图示中的结果进而说明大掺量粉煤灰混凝土在外部环境温升较大时,其初凝时间的变化幅度较参照配合比小得多。主要原因是较大的粉煤灰掺量,能降低混凝土的水化速率,延长水化时间,即使在较高的环境温度下,混凝土也具有较长的凝结时间。大掺量粉煤灰混凝土的这种特点,在夏季施工是非常有利的,特别对大体积混凝土工程,能避免施工冷缝的形成,降低混凝土塑性开裂的可能性,使混凝土表面不易产生裂缝,耐久性得以保证。

3.2.2 流动度(坍落度)损失

选取表 1中 1--2、2--2、3--2、4--1配合比检测在环境温度 40℃时混凝土拌和物的坍落度损失,试验结果如图 2所示。

图 2 混凝土坍落度与时间关系曲线

由图 2可知,在高环境温度时,大掺量粉煤灰混凝土坍落度损失比参照配合比小,参照配合比混凝土拌和物 1h坍落度损失达 70 m m,2 h高达 140 m m,而大掺量粉煤灰混凝土 1h坍落度损失仅 20 m m左右,2 h损失亦不超过 70 m m,这对夏季混凝土的正常连续泵送施工是很有利的,还有利于混凝土的较远距离和较长时间运输。

按表 1中 2--2、3--2、4--1配合比分别浇筑尺寸150 c m×150 c m×150 c m混凝土试验块,预埋测温元件,检测混凝土在硬化过程中的温度变化情况,测试结果详见表 2和图 3。

3.2.3 混凝土温度

表2 混凝土试验块实测温度

图 3 混凝土试验块芯部温度变化曲线

从表 2列的测量数据并结合图 3可以看出,混凝土硬化过程中,大掺量粉煤灰混凝土温峰出现时间较参照配合比混凝土温峰出现时间晚,粉煤灰掺量 55%的温峰出现时间 4～5d左右,温度峰值 45～46℃,粉煤灰掺量 70%的温峰出现时间 6～7 d左右,温度峰值42～44℃,而参照配合比温峰出现时间在 3 d左右,温度峰值 52～55℃。随着粉煤灰掺量的增大,混凝土芯部温度变化曲线变得平缓,大掺量粉煤灰混凝土的温度升降梯度明显小于参照配合比混凝土的温度升降梯度,从而可有效控制由于温度应力而产生的温度裂纹。

3.3 硬化混凝土的力学及耐久性能

按表 1中的混凝土配合比成型试件,测试混凝土的力学和耐久性能,结果见表 3和表 4。

3.3.1 力学性能

由表 3的数据可知,大掺量粉煤灰高性能混凝土在低水胶比(一般小于 0.35)的条件下,同样具有良好的力学性能。立方体抗压强度 56 d有 37～47 M P a,6个月高达 48～62 M P a,其 4个月和 6个月龄期的抗压强度大部分高于参照配合比混凝土的抗压强度,特别是大掺量粉煤灰高性能混凝土后期强度增长空间大,6个月较 56 d的增长幅度约为 30%以上,而参照配合比混凝土的增长幅度却不到 20%,并且大掺量粉煤灰高性能混凝土有同参照配合比混凝土相近的弹性模量和劈裂抗拉强度,具有较好的抗变形和抗拉能力。通过对试验数据的进一步分析,可以得出,大掺量粉煤灰高性能混凝土的抗压强度受水胶比和粉煤灰掺量的影响较大,粉煤灰掺量在 50%～70%的大掺量粉煤灰混凝土水胶比低的,粉煤灰掺量低的,抗压强度相对较高。

表3 混凝土力学性能试验结果汇总

表4 混凝土耐久性能试验结果汇总

3.3.2 耐久性能

从表 4所列的试验结果可以看出,大掺量粉煤灰高性能混凝土 14d电通量高达3000～4 700 C,28 d亦有1400～2500C,而 6个月电通量仅为 350～500 C。因早期粉煤灰在混凝土中仅起填充作用,混凝土内部结构还不够密实,有许多孔隙存在,从而导致混凝土的抗电离子渗透能力低,电通量值偏大,到后期由于粉煤灰的“微集料效应”和“火山灰效应”作用使混凝土变得更加致密,故其抗离子渗透和抗水渗透性能得到很大程度的提高。同时由试验结果可知,大掺量粉煤灰混凝土电通量的大小主要取决于水胶比和粉煤灰掺量的高低,在一定的粉煤灰掺量范围内,水胶比低的,粉煤灰掺量低的电通量值普遍偏小,特别在 56 d龄期以前更为明显。

武广铁路客运专线中铁五局施工段内的仙岭、雷大桥、下邓家湾、邓家湾、颜家等特大桥的承台均为大体积混凝土(单个承台混凝土数量 200～400 m3不等),配筋较密,正常情况下混凝土运输时间需 0.5～2 h。夏季施工期间,为保证混凝土的工程质量,除在施工工艺上采取了有效可行的措施外,同时使用了大掺量粉煤灰高性能混凝土配合比(表 1中 2--2配合比,粉煤灰掺量 55%,水胶比 0.34)。

施工中,混凝土拌和物工作性良好,各项指标均符合要求,泵送顺畅,易振捣,混凝土均系连续一次性浇筑成型。承台成品外观色泽均匀、无蜂窝麻面、无施工冷缝,未出现有害裂纹,混凝土的强度和耐久性指标均满足要求,结果见表 5。

另外,4个月龄期时,经观测抗裂环形试件的侧面无肉眼可见裂纹,碳化深度值为 0,胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀系数均大于 0.80。综上所述,说明大掺量粉煤灰高性能混凝土在一定掺量范围内具有良好的抗离子渗透、抗裂、抗碳化、抗水渗透、抗化学侵蚀等能力,耐久性能良好。

4 夏季施工应用实例

表5 承台混凝土试件强度及电通量试验结果汇总

5 结语

大掺量粉煤灰高性能混凝土由于其大掺量粉煤灰和低水泥用量的典型特点,使混凝土的水化速率和温度升降梯度大幅降低,故夏季施工中,能有效避免坍落度损失过大、损失过快、凝固硬化过快,使混凝土具有良好的工作性,利于浇筑施工;而且还会减小混凝土的体积变化,防止混凝土早期开裂和温度裂缝的产生,增强混凝土的抗裂性,同时使混凝土内部结构更加密实,保证了混凝土的力学和耐久性能。

但是,大掺量粉煤灰高性能混凝土也存在一定的局限性,在大量的试验中发现:

(1)粉煤灰的掺量并不是越大越好,应根据原材料的性能和施工要求通过试配来确定合理的掺量;

(2)大掺量粉煤灰高性能混凝土拌和物的含气量损失较其他混凝土快,施工中应重点控制;

(3)在低温季节和冬期施工阶段不宜采用大掺量粉煤灰高性能混凝土。

U 238;U444

B

1004-2954(2010)01-0113-03

2009-11-30

王忆宁(1963—),男,高级工程师。