耐久性混凝土双掺技术在预制梁中的应用

郭 启 高

(中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300350)

混凝土作为现代建筑结构主要材料，随着其技术的成熟，不仅要求具有良好的工作性，合格的力学性能，另外还需要其结构耐久性，耐久性作为混凝土在各种环境条件下保证长期使用功能的指标，越来越受到施工设计行业的重视，尤其铁路预制梁的生产[1].要保证混凝土长期稳定的工作性能，就要从混凝土原材料及配合比、混凝土施工工艺、混凝土保养等方面着手，其中最根本的还是在混凝土原材料及配合比方面[2].矿物掺合料作为混凝土原材料一种，在现在高性能混凝土中得到广泛的应用，在铁路预制梁规范中，各项指标已经作了具体要求[2].混凝土双掺技术在改善混凝土拌和物性能，提高混凝土混凝土强度及其耐久性方面运用已久，其优势还在于矿物掺合料多为燃煤发电厂或矿石工业废渣，低廉的价格直接降低了混凝土成本，变废为宝，改善环境[3].本文通过对粉煤灰、矿粉在不同掺配比例下的混凝土拌和物性能、强度和耐久性的影响对比试验，并对结果进行分析总结，论证了其适用性及可行性，为梁场降低成本，提高效率，保证质量提供依据.

1 工程简介

安宁制梁场承担着云南安宁工业园区新亚美谷物流园铁路专用线工程全部T梁的生产工作，包括3座中桥、8座大桥、2座特大桥的所有预制T梁，梁型有通桥(2012)2101和通桥(2012)2109两种，其中L=32 m(角钢支架法)T梁262片，L=32 m(设声屏障)T梁28片，L=24 m(角钢支架法)T梁34片，L=24 m(设声屏障)T梁2片.该梁场使用的C55梁体混凝土采用粉煤灰、矿粉双掺技术，不仅需要满足工作性、强度要求，还应满足耐久性能要求(见表1).

表1 混凝土耐久性能指标

2 混凝土原材料指标

1)水泥：云南昆钢嘉华水泥建材有限公司生产的P.042.5规格水泥，其比表面积：326 m2/kg，胶砂7 d、28 d抗压强度值分别为27.3 MPa、51.7 MPa，其余指标均满足规范要求.

2)细骨料：红河州添石建筑材料有限公司，中粗砂，细度模数：2.8，含泥量：0.4%，含泥块量：0.1%，其余指标均满足规范要求.

3)粗骨料：安宁隆瑞混凝土有限公司采石场，5～10 mm、10～20 mm以4∶6比例组成5～20 mm连续级配且其级配满足规范要求，压碎值指标：6.5%，含泥量：0.3%，含针片状量：5.4%，其余指标均满足规范要求.

4)粉煤灰：昆明环恒粉煤灰有限公司，F类1级，细度：10.6%，烧失量：3.62%，需水量比：94%，其余指标均满足规范要求.

5)矿渣粉：马龙耀明资源综合利用有限公司，S95级，比表面积：440 m2/kg，流动度比：106%，烧失量：0.32%，7 d、28 d活性指数分别为78%、102%，其余指标均满足规范要求.

6)减水剂：浙江五龙新材股份有限公司，聚羧酸系髙性能减水剂，减水率wg=32%，含气量A=5.1%，抗压强度比(1 d，3 d，7 d，28 d)分别为184%，168%，156%，148%，其余各项指标均满足规范要求.

7)水：安宁制梁场饮用水.

3 混凝土配合比设计

根据TB/T3043-2005《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》规范[4]要求，预制梁混凝土配合比中每立方米水泥用量不宜低于400 kg，混凝土胶凝材料总用量不应超过500 kg，水胶比不应大于0.35，掺和料最大掺量不应大于水泥总用量的25%.因此为了满足要求且方便比较，设计C55配合比采用固定水泥用量为400 kg，固定水胶比为0.29，固定胶凝材料掺量为水泥用量的25%，假定容重为2 450 kg，砂率39%，分别调整胶凝材料用量中粉煤灰与矿粉掺加比例，通过二者不同的掺量对混凝土拌合物性能、混凝土7 d、28 d抗压强度及耐久性能中的抗氯离子渗透性能，即电通量指标进行比较，具体混凝土配合比设计表及混凝土性能结果见表2、3.

表2 混凝土配合比设计表

表3 混凝土性能试验结果

4 试验数据分析

4.1 对混凝土拌合物性能影响

通过表3混凝土拌合物坍落度结果可以发现，当胶凝材料掺量为水泥用量的25%固定的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土拌合物性能中坍落度呈现增长趋势，当掺量比例为1∶1后混凝土拌合物1 h后坍落度基本保持不变.这主要是由于粉煤灰在混凝土中的作用机理，即粉煤灰的形态效应和微集料效应起到良好的作用[5].其中形态效应主要是由于其矿物组成中的硅铝酸盐玻璃珠和海绵体就像玻璃球一样细而光滑，能起到滚珠作用，增加了水泥颗粒间的流动性.而微集料效应就是通过粉煤灰中的微细颗粒分散和润滑水泥浆体，降低水泥颗粒间的黏聚性，从而增加混凝土拌合物坍落度.另外由于颗粒均匀分布于水泥颗粒之间，减慢了水泥水化作用，因此，混凝土经时损失也会随着粉煤灰相对掺量增加而减小[6].

4.2 对混凝土强度影响

通过表3混凝土7、28d标准试件抗压强度结果可以发现，当胶凝材料掺量为水泥用量的25%固定的情况下，随着矿粉掺量的增加，混凝土各龄期强度总体呈现增长趋势.这主要是由于矿粉在混凝土中的作用机理，即矿粉在混凝土中的微晶核效应及火山灰效应[7].其中微晶核效应主要是由于它能在水泥水化过程中起到加速的作用，提供充足的反应空间，改善水泥水化后产生的水化产物均匀分布，形成致密结构，从而提高混凝土硬化后的力学性质[8].而火山灰效应是由于矿粉的矿物组成，使其在水泥水化过程中与多余的氢氧化钙反应生成致密的C—H—S凝胶，同时改善混凝土微观结构、降低混凝土内部空隙率，从而提高混凝土力学性能[9].

4.3 对混凝土抗氯离子渗透性能影响

通过表3混凝土56 d混凝土抗氯离子渗透性能结果可以发现，当胶凝材料掺量为水泥用量的25%固定的情况下，混凝土的抗氯离子渗透性能虽然有些许变化，但是变化幅度很小[10].这要从混凝土渗透性方面分析，其实混凝土中的水泥在水化过程中只有少部分水参与水化作用，而多余的水则在水泥硬化后蒸发，这就使混凝土内部形成包括毛细孔、凝胶孔在内的诸多孔隙，其中影响最大的就是毛细孔，由于外部环境中有害物质，尤其是氯盐环境下，氯离子会通过毛细孔渗透到混凝土结构，不仅破坏混凝土结构稳定性，而且对混凝土内部钢筋起到锈蚀作用，从而使混凝土胀裂、破坏[11].简单说就是由于混凝土中水泥水化会使混凝土产生不密实现象，但是通过掺加粉煤灰、矿粉等掺和料，由于其较细的颗粒组成，通过各种反应，改善了混凝土的界面结构，提高了混凝土密实性，从而降低混凝土内部孔隙率，提高混凝土抗氯离子渗透能力[12].

4.4 对混凝土整体性能影响

通过上述试验对比，可见TB/T3043-2005《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》规范[13]中对胶凝材料用量中矿物掺合料用量限制的准确性，表3中的结果除了少数配合比初始坍落度超过规定(180±20 mm)的要求外，其余指标均能满足规范要求.但是从各项指标综合考虑，当固定胶凝材料中矿物掺和料掺量在水泥用量的25%时，粉煤灰与矿粉掺量比例为1∶1时，混凝土坍落度、试件强度、混凝土抗氯离子渗透性均能都达到相对最优状态[14].

5 结 语

耐久性混凝土作为现代混凝土代表，必定会持续健康发展下去，其理念跟现代建筑行业贯彻的“百年大计，经济环保，持续发展”等思想紧密相关，而矿物掺合料的应用，尤其是双掺技术的应用在高性能混凝土中起到至关重要的作用[15].本文通过对粉煤灰和矿粉按照不同比例掺加，让其在各自的性能领域发挥作用.虽然二者也有相同的作用机理，比如微集料效应、火山灰效应，但是也有各自擅长的方面，比如在规范要求的范围内，粉煤灰对提高混凝土流动性、降低坍落度损失等方面作用更明显，矿粉则有利于混凝土强度的增长.通过此次对比试验，得出该制梁场最优的双掺方案，能更科学的指导生产.