桥梁用C60高性能补偿收缩混凝土性能研究

侯明扬，孙志勇，李梦希，张新龙，邓 毅，张国荣

(1.滇中新区嵩昆路建设指挥部， 云南 昆明 650211； 2.滇中新区管委会规建部， 云南 昆明 650000；3.苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 211112； 4.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室， 江苏 南京 211112)

嵩昆路军长立交桥梁工程辅道桥采用C60高性能补偿收缩混凝土现浇施工，混凝土优良的工作性能是施工浇筑、振捣过程中混凝土密实性的前提；而混凝土力学性能和耐久性能是混凝土结构适用性和安全性的保障[1-2]。因此，有必要对C60高性能补偿收缩混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能进行系统研究，以便对混凝土配合比关键参数设计提供指导。

目前，主要集中在对补偿收缩混凝土的变形性能和抗裂性能的研究[3-12]，且研究基本针对中低强度补偿收缩混凝土[13-16]，对高强度补偿收缩混凝土性能的研究较少，对本工程中C60高性能补偿收缩混凝土的制备缺乏指导性，因此，有必要针对嵩昆路军长立交桥梁工程当地原材料特性，开展配合比关键参数对混凝土性能的影响规律研究，对C60高性能补偿收缩混凝土的制备有重要的指导意义。

本文采用室内试验方法，系统研究水胶比、砂率、矿物掺合料、膨胀剂掺量等配合比关键参数对C60补偿收缩混凝土工作性能、力学性能和耐久性能影响规律。其中工作性能主要测试初始坍落度和1 h坍落度损失，力学性能主要测试抗压强度(7 d、28 d)和弹性模量(28 d)，耐久性主要测试氯离子扩散系数(28 d)和电通量(56 d)。

根据工程设计文件要求，同时考虑桥梁工程所处的环境类别为I类环境(一般环境或碳化环境)，为保证工程混凝土密实性，按照IV-D(氯离子环境类别，作用等级D级)来控制，即C60高性能补偿收缩混凝土关键性能指标具体要求如表1所示。研究成果可有效指导实际工程中C60补偿收缩混凝土的制备过程，有效保证依托工程的经久耐用。

表1 C60高性能补偿收缩混凝土关键性能指标要求

1 试验

1.1 原材料

(1) 水泥(C)。云南东骏生产的P.O 52.5水泥，其初凝时间为236 min，终凝时间为359 min，比表面积为342 m2/kg，安定性合格。

(2) 粉煤灰(FA)。I级，烧失量为4.5%，需水量比为90%，细度(45 um筛余)为10.2%。

(3) 磨细矿渣(SL)。S75级，比表面积为354 m2/kg，烧失量为1.11%，7 d活性指数为67%，28 d活性指数为82%。

(4) 细集料(S)：普通河砂，细度模数为3.1，含泥量为2.4%，坚固性为3%。

(5) 粗集料(G)：玄武岩碎石，采用10 mm～20 mm和5 mm～10 mm两种级配石子按照8∶2比例进行混合时，满足混凝土用碎石5 mm～20 mm连续粒级要求，压碎值为8.3%，针片状含量为3.1%，含泥量为0.5%，泥块含量为0.1%。

许昌市位于东经 113°03′-114°19′，北纬 33°42′-34°24′，地处河南省中部，伏牛山余脉向豫东平原过渡地带，地势西北高，东南低，平均海拔70米左右。建成区内地形平坦，流经市区的清河、清泥河、饮马河、运粮河、护城河、天宝河、许扶运河等7条河，市区及周围的北海、芙蓉湖、鹿鸣湖、东湖、小西湖、灞陵湖、双龙湖、秋湖湿地8大湖泊。本研究主要以许昌市建成区为主，主要涉及许昌市的四个区：魏都区、东城区、建安区、高新区。魏都区位于许昌市中心城区，东城位于许昌市区东部，建安区位于许昌市中部，环抱许昌市魏都区，高新区位于许昌市区西南部，与市区紧密相邻。

(6) 减水剂(A)。云南建投高分子公司生产的聚羧酸PCA型，减水率为26%，泌水率比为65%，固含量为12.17%。

(7) 膨胀剂(EA)。江苏省博特公司生产的复合膨胀剂，比表面积为210 m2/kg，碱含量为0.27%，氯离子含量为0.018%，水中7 d限制膨胀率为0.065%，空气中21 d限制膨胀率为0.010%，7 d抗压强度为23.2 MPa，28 d抗压强度为45.2 MPa。

1.2 配合比设计

试验研究水胶比、砂率、矿物掺合料、膨胀剂掺量四个配合比关键参数对C60高性能补偿收缩混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响。其中各影响因素设计值及编号如表2所示。

1.3 试验方法

(1) 工作性能。混凝土拌合物流动性用坍落度表示，坍落度和1 h坍落度损失率按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[17](GB/T 50080—2002)规定采用坍落度筒进行测试，同时对混凝土拌合物黏聚性、保水性进行观察评价。

其中1 h坍落度损失率(%)按下式进行计算：

(1)

式中：T1h为1 h后混凝土拌合物坍落度，mm；T0为混凝土拌合物初始坍落度，mm。

表2 影响因素设计值及编号

(2) 力学性能。混凝土力学性能试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》[18](GB/T 50081—2002)进行。其中混凝土抗压强度采用边长为150 mm立方体试块，弹性模量采用150 mm×150 mm×300 mm试块，标准养护到规定龄期分别测试混凝土试块的抗压强度和弹性模量。

(3) 耐久性能。主要测试混凝土的氯离子扩散系数和电通量耐久性指标，具体按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[19](GB/T 50082—2009)。混凝土试件在标准养护条件下养护到相应的龄期，将试件进行切割打磨加工，混凝土试件采用直径为100 mm，高度为50 mm的圆柱体试件。

2 结果分析

2.1 水胶比的影响

不同水胶比混凝土工作性能和力学性能见表3。由表3可知，各组混凝土初始坍落度和1 h坍落度损失率均满足指标控制要求。其中随着水胶比的增加，抗压强度和弹性模量呈现明显下降趋势，将结果和28 d抗压强度和弹性模量的技术要求对比可知，三组均满足工程要求。

表3 不同水胶比混凝土工作性能和力学性能

不同水胶比混凝土氯离子扩散系数、电通量试验结果分别如图1和图2所示。由图1、图2可看出，三组混凝土氯离子扩散系数和电通量均满足设计要求，处于较低的水平，即混凝土密实性能均优异。随着水胶比的增加，混凝土的氯离子扩散系数和电通量均呈现增加趋势，这主要是由于水胶比的增加，使得混凝土密实性能略有降低。

图1 水胶比对氯离子扩散系数的影响

图2水胶比对电通量的影响

水胶比越低，力学性能越大，但水胶比越低，胶凝材料用量增加，对补偿收缩混凝土是负效应，增加开裂风险，因此，综合水胶比对混凝土耐久性能的影响规律，确定最佳水胶比为0.26。

2.2 砂率的影响

不同砂率混凝土工作性能和力学性能试验结果如表4所示。由表4可知，各组混凝土工作性能和力学性能均满足指标控制要求，且随着砂率从39%增加到43%，抗压强度和弹性模量均呈现先增加后降低的趋势，存在最佳砂率，这主要是由于砂率变化对混凝土颗粒堆积密实性的影响。

表4 不同砂率混凝土工作性能和力学性能

不同砂率混凝土氯离子扩散系数、电通量试验结果分别如图3和图4所示。由图3、图4可看出，随着砂率从39%增加到43%，混凝土氯离子扩散系数和电通量均呈现先降低后增加的趋势，即存在最佳砂率。因此，砂率选择41%为宜。

图3砂率对氯离子扩散系数的影响

2.3 矿物掺合料对耐久性能的影响

掺入不同矿物掺合料混凝土的工作性能和力学性能试验结果见表5。由表5可见，各组混凝土工作性能和力学性能均满足指标控制要求，矿物掺合料的掺入对抗压强度略有增加，对弹性模量略有降低；当总掺量控制为20%时，随着粉煤灰掺量的增加，28 d抗压强度略有降低，弹性模量略有降低，这主要由于与粉煤灰相比，磨细矿渣对早期强度和弹性模量的发展有重要的促进作用。

图4 砂率对电通量的影响

掺入不同矿物掺合料混凝土的氯离子扩散系数、电通量试验结果分别如图5和图6所示。由图5、图6可看出当不掺矿物掺合料时，混凝土氯离子扩散系数和电通量分别为11.3×10-12m2/s和1560C，均超过指标控制要求。掺入掺合料的混凝土的氯离子扩散系数和电通量显著降低，这主要是由于矿物掺合料二次水化反应和微集料填充效应使混凝土密实性显著提升，从而表现出优异的耐久性能[20-21]。

图5矿物掺合料对氯离子扩散系数的影响

因此，制备高性能混凝土须掺入适量的矿物掺合料，以提高混凝土密实性和耐久性。本工程宜根据周边矿物掺合料的供应情况，选择质量优良、稳定掺合料制备C60高性能补偿收缩混凝土。

图6矿物掺合料对电通量的影响

2.4 膨胀剂对耐久性能的影响

不同膨胀剂掺量混凝土的工作性能和力学性能试验结果见表6。各组混凝土工作性能和力学性能均满足指标控制要求，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土抗压强度呈现下降趋势，这主要由于膨胀剂采用等量取代胶凝材料的内掺方式。一方面，等量取代的膨胀剂活性不及水泥活性；另一方面，膨胀剂掺量增加时，水泥用量相应的降低，导致水化产物量降低，密实性降低。因此，膨胀剂对混凝土力学性能有不利的影响。但弹性模量出现先增加后降低趋势，与理论分析规律不一致，这种小范围的波动可以认为是试验误差产生的。

表6 不同膨胀剂掺量混凝土工作性能和力学性能

不同膨胀剂掺量混凝土的氯离子扩散系数、电通量试验结果分别如图7和图8所示。

图7膨胀剂对氯离子扩散系数的影响

由图7、图8可看出随着膨胀剂的增加，混凝土氯离子扩散系数和电通量呈现先降低后增加的趋势，这主要是由于膨胀剂掺量的增加，一方面混凝土膨胀率增加，这对混凝土密实性是正效应；另一方面，膨胀剂掺量的增加，水泥用量降低，导致生成的水化产物量降低，这对混凝土密实性是负效应。因此，正负效应叠加的效果就出现一个最佳掺量值。综合考虑混凝土各性能影响规律，膨胀剂的最佳掺量为8%。

图8膨胀剂对电通量的影响

3 结 论

(1) 随着水胶比的增加，抗压强度和弹性模量呈现明显下降趋势，混凝土的氯离子扩散系数和电通量均呈现增加趋势，考虑到水胶比越低，胶凝材料用量增加，对补偿收缩混凝土是负效应，增加开裂风险，推荐最佳水胶比为0.26。

(2) 当砂率从39%增加到43%，混凝土抗压强度、弹性模量呈现先增后减的趋势，氯离子扩散系数和电通量呈现先减后增趋势，推荐最佳砂率为41%。

(3) 矿物掺合料的掺入对抗压强度略有增加，对弹性模量略有降低，但满足工程要求；矿物掺合料的掺入显著降低了混凝土的氯离子扩散系数和电通量，建议工程根据周边矿物掺合料的供应情况，选择质量优良、稳定掺合料制备C60高性能补偿收缩混凝土。

(4) 膨胀剂的掺入使混凝土抗压强度呈现下降趋势，这主要由于膨胀剂采用等量取代胶凝材料的内掺方式。