大吸水率粗集料高性能海工混凝土配合比设计研究

2018-03-09白鹏宇张岩祝长春

新型建筑材料 2018年2期

白鹏宇，张岩，祝长春

（1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中交路桥建设有限公司，北京 100027）

0 前言

莫桑比克马普托（Maputo）大桥，位于莫桑比克首都马普托市向南去往南非与莫桑比克南部卡萨通商（Casa Commercial）边界口岸的干线公路上，路线主线全长约114 km。其中马普托大桥由南引桥、主桥、北引桥组成，主桥为悬索桥方案，主桥跨径680 m，目前为非洲跨径最大的悬索桥。

马普托大桥横跨马普托湾，自然条件复杂，所处海水化学侵蚀环境对结构腐蚀作用按不同分区由中等程度（C级）至极端严重程度（F级），结构设计使用年限为100年。大量研究表明，海港工程混凝土结构耐久性最主要的问题是Cl-渗入混凝土引发钢筋腐蚀破坏。因此，本跨海大桥结构混凝土必须具有良好的抗Cl-渗透性。国内多数海工工程采取掺合料双掺、低水胶比的方法来提高混凝土的密实度从而降低混凝土中Cl-渗透性[1]。

现今，整个非洲大陆常见的粗骨料可满足GB/T 14685—2011《建筑用碎石、卵石》中级配、压碎值等要求，但吸水率通常在2%～5%，不符合GB/T 14685—2011小于2%的要求。吸水率高的粗骨料在混凝土拌合时会吸收部分的拌合水，降低新拌混凝土的流动度，因该种吸附为物理吸附，当外界环境如温度、压力发生变化时，这部分水将发生脱附导致浇注后的混凝土性能发生变化[2-3]。若依据高吸水率的轻集料混凝土进行设计，势必会造成胶凝材料用量过高，配合比富余系数过高从而造成经济上的浪费[4-6]。因此，为了保证马普托大桥混凝土的制备，需要在地材限制的情况下研究如何使用2%～4%高吸水率粗骨料配制海工高性能混凝土。

1 原材料

（1）水泥：莫桑比克Matola CM水泥厂回转窑生产的CEM II/A-L42.5 N水泥，细度（80 μm筛筛余）0.6%，标准稠度用水量28.7%，安定性合格，MgO含量1.13%，SO3含量2.37%，主要物理力学性能见表1。

表1 水泥的主要物理力学性能

（2）粉煤灰：南非ULULA产的Ⅰ级粉煤灰品，细度（45 μm筛筛余）10%，主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

（3）细骨料：莫桑比克Moamba河流天然河砂，基本性能和筛分结果分别见表3和表4。

表3 河砂的基本性能

表4 河砂的筛分结果

（4）粗骨料：分别由莫桑比克Boane地区Namaacha石场和Hipermaquinas石场生产，Namaacha碎石（简称N石）为5～10 mm、10～25 mm双级配反击破流纹岩碎石，外观偏红色，无潜在碱活性，根据级配曲线按2∶8的质量比配合使用；Hipermaquinas碎石（简称 H 石）为 5～10 mm、10～25 mm 双级配反击破流纹岩碎石，外观偏青色，无潜在碱活性，根据级配曲线按3.5∶6.5的质量比配合使用。粗骨料的基本性能见表5。

表5 粗骨料的基本性能指标

（5）减水剂：上海三瑞VIVID-500聚羧酸系高性能减水剂，主要性能指标见表6。

表6 减水剂的主要性能指标

（6）水：符合饮用水标准的地下水。

2 配合比试验研究

2.1 粗骨料品种对海工混凝土性能的影响

由表5可以看出，项目所能采购到的粗骨料为吸水率超过2%的碎石，为了明确2种碎石的应用范围，对2种碎石的吸水率进行对比，并将2种碎石中小于75 μm的颗粒（石粉）利用BJH法进行孔分布测试，结果见图1、图2、表7。

图1 2种碎石的吸水率对比

图2 2种碎石的孔径分布

表7 BJH法粗骨料的孔分布

从图1可以看出，N石的吸水速率以及饱和吸水量均大于H石。N石在1 h时已经趋于吸水平衡，而H石则在3 h后吸水才趋于平衡。

从2种骨料中小于75 μm颗粒（石粉）的比表面积结果可以看出，其比表面积已经超过了水泥的比表面积，同时可以测出其平均孔径分别为20.7、14.4 nm，结合化学成分分析结果可知，这2种粗骨料大吸水率主要因为其为多孔结构。N石所含孔体积大于H石，从而能吸附更多的水，表现为吸水率更大。

将2种粗骨料分别应用于C40混凝土中，C40混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（细骨料）∶m（粗骨料）∶m（水）∶m（减水剂）=328∶109∶744∶948∶166∶5.24，性能测试结果见表8。

表8 不同粗骨料配制C40混凝土的性能

由表8可见，在相同配合比情况下，用2种不同碎石配制的C40混凝土工作性差异较大，其中使用H石配制的混凝土初始流动性比N石要大，力学性能方面也优于N石配制的混凝土，经时损失方面H石略大一些。究其原因在于H石的吸水量小于N石，由于H石的孔径小于N石，导致所吸附的水释放出来的速度变慢，表现为经时损失大于N石；H石的表观密度大于N石，石头表现更为坚硬，故此抗压强度也更高一些。考虑到施工现场石材匮乏，确定使用施工性保持更为良好的N石配制C40海工混凝土，而使用力学性能更优的H石配制C50海工混凝土。

2.2 马普托大桥C40海工混凝土配合比的确定

以N石作为粗骨料，确定砂率为44%，固定密度为2300 kg/m3，减水剂掺量为1.2%，用水量为166 kg/m3，通过变化胶凝材料总量达到改变水胶比的目的。考察C40混凝土在0.36、0.38、0.40三个水胶比、20%、25%、30%、35%、40%五个粉煤灰掺量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力学性能，结果见表9。

由表9可以看出，所有混凝土配合比的抗压强度富余系数均较高。混凝土抗压强度发展趋势符合水胶比越低强度越高的规律；同样粉煤灰掺量情况下，水胶比为0.38和0.36的抗压强度较为接近，比水胶比为0.40的混凝土强度高10%以上。故此，综合抗压强度以及生产成本，选择0.38水胶比为C40混凝土的最佳水胶比。

表9 水胶比和粉煤灰掺量对C40混凝土性能的影响

对比C40混凝土在0.38水胶比下工作性及力学性能变化可以看出，粉煤灰掺量增大，混凝土初始坍落度增大，表明粉煤灰的需水量低于水泥；且随着粉煤灰掺量提高，坍落度保持更佳。粉煤灰能在混凝土中起到“滚珠”效应，因此，粉煤灰掺量增大对混凝土施工性有所改善，可以提高混凝土的工作性。从抗压强度结果对比可以看出，粉煤灰掺量增大，混凝土的7 d、28 d强度均下降，其中7 d强度下降比较明显，28 d强度降幅较小。粉煤灰掺量小于30%时，7 d强度变化不大，故为了降低海工混凝土的早期水化热以提高混凝土的耐久性，应进一步提高粉煤灰掺量以降低早期放热。粉煤灰掺量在35%以下时，28 d强度波动较小。因此为了达到降低混凝土早期水化热但不影响后期强度的目的，选择粉煤灰掺量为35%为最佳掺量。C40大吸水率粗集料海工混凝土的最佳配合比为：胶凝材料总量437 kg/m3，水胶比0.38，粉煤灰掺量35%。

2.3 马普托大桥C50海工混凝土配合比的确定

以H石作为粗骨料，确定砂率为40%，固定密度为2360 kg/m3，减水剂掺量为1.2%，固定用水量为162 kg/m3，通过变化胶凝材料总量达到改变水胶比的目的。考察C50混凝土在0.31、0.33、0.35三个水胶比、20%、25%、30%、35%、41%五个粉煤灰掺量下新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力学性能，结果见表10。

由表10可见，所有混凝土配合比的抗压强度富余系数均较高。混凝土强度发展趋势符合水胶比越低强度越高的规律。C50混凝土主要用于塔柱和T梁，因塔柱采用液压爬模方式施工，T梁7 d需要张拉，故对7 d强度要求比较高，需要达到设计强度的110%。0.35水胶比下7 d强度均不能满足要求，0.33和0.31水胶比时可以达到要求，综合强度和成本要求，选择0.33水胶比为C50混凝土的最佳水胶比。

表10 水胶比和粉煤灰掺量对C50混凝土性能的影响

对比C50混凝土在0.33水胶比下工作性能变化及力学性能变化，可以看出，粉煤灰掺量超过25%后，坍落度变化并不大，可能因为此时浆骨比达到了35∶65，为最佳浆骨比，混凝土对水的敏感度降低，从而坍落度经时变化变小。故在0.33水胶比下，粉煤灰掺量变化对混凝土的工作性影响较小。从抗压强度数据可以看出，粉煤灰掺量增大，混凝土的7 d、28 d抗压强度均下降，其中7 d强度下降较明显，28 d强度下降幅度略小。为了满足施工要求，希望获得较高的7 d强度，故此选择20%为粉煤灰最佳掺量。C50大吸水率粗集料海工混凝土的最佳配合比为：胶凝材料总量491 kg/m3，水胶比0.33，粉煤灰掺量20%。