矿物掺合料对桥塔混凝土性能与微结构的影响

徐小华，谢俊凡，夏伟航，李北星

（1.湖北省赤壁长江公路大桥有限公司，湖北 赤壁 437300；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

0 引言

赤壁长江公路大桥主桥设计为双塔双索面结合梁斜拉桥，桥塔结构横桥向为H 形结构，北塔高217.33 m，南塔高223.0 m，混凝土设计C50强度。桥塔混凝土施工中存在高程泵送、裂缝控制、外观质量提升和耐久性要求高等技术难题，其中的下塔柱起步段、下横梁与塔柱连接处等部位属于大体积高强混凝土，易产生温度裂缝；上塔柱高空竖向结构施工难以实施良好养护，增大早期收缩开裂风险，降低混凝土耐久性尤其是表层结构的抗渗和碳化耐久性。国内已建成的大跨径混凝土斜拉桥混凝土桥塔发生开裂现象较为普遍[1-5]，主要为竖向裂缝。因此，桥塔混凝土的施工须解决可泵性与抗裂性问题。

根据不同高程对混凝土泵送工作性与抗裂性要求及施工养护难易程度的差异，将塔柱混凝土配合比分为3 个部位进行设计和性能研究：下塔柱、下横梁大体积抗裂性混凝土；中塔柱高程泵送高性能混凝土（泵送高度约＜150 m）；上塔柱及上横梁超高程泵送高性能混凝土（泵送高度≥150 m）。本文对比研究了单掺粉煤灰、复掺粉煤灰和矿粉配制的桥塔C50 混凝土性能，并分析了矿物掺合料对桥塔混凝土亚微观结构的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1） 水泥：华新水泥股份有限公司黄石厂P.O42.5 水泥，3 d 抗压强度为 31.5 MPa，28 d 抗压强度为48.0 MPa。

2） 粉煤灰：华能岳阳电厂F 类I 级粉煤灰（FA），需水量比93%，细度（45 μm 方孔筛筛余）为7.3%。

3） 矿粉：荆州中和新型建材有限责任公司S95 级磨细矿渣粉（KF），比表面积425 m2/kg，流动度比100%，28 d 胶砂活性指数104%。

4） 细骨料：岳阳洞庭湖河砂，细度模数2.81，含泥量1.6%。

5） 粗骨料：湖南临湘凡泰碎石，压碎值15.1%，针片状含量4.9%；5~20 mm 二级配，4.75~9.5 mm 与 9.5~19.0 mm 掺配比例为 2∶8。

6）外加剂：江苏博特PCA-1 缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率为27%。

1.2 试验方法

1） 混凝土拌合物工作性依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，力学性能依据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。抗压强度试件为150 mm×150 mm×150 mm 立方体，抗压弹性模量试件为 150 mm×150 mm×300 mm 棱柱体。

2）混凝土抗氯离子渗透性试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中电通量法和氯离子扩散系数快速测定的RCM 法分别进行测定，试件尺寸为φ100 mm×50 mm。

3）碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，改为养护7 d 后进行碳化试验。

4）混凝土干燥收缩依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的接触法收缩试验来测定，试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，试件标准养护3 d 后开始干缩试验，干缩室温度（20±2）℃，相对湿度（60±5）%。采用千分表测量试件的长度变化。

5）掺矿物掺合料的水泥胶砂试样孔结构测定采用Auto Pore IV9510 型压汞仪，微结构和水化产物形貌观察采用JSM-5610LV 型场发射环境扫描电镜（SEM）。胶砂试样配比为胶砂比1∶3、水胶比0.30，并掺入胶凝材料用量1.2%的聚羧酸减水剂，以调整胶砂跳桌流动度达（180±10）mm。

1.3 混凝土配合比

表1 为试验用配合比。

表1 桥塔C50 混凝土配合比设计Table 1 Mix proportion design of C50 concrete for bridge tower

在 表1 中 ， T470F20K10、 T480F15K10 和T490F15K10 这3 个复掺粉煤灰和矿粉的配合比是经过优化确定拟分别用于下塔柱和下横梁、中塔柱、上塔柱和上横梁的混凝土配合比，随着泵送高度上升，胶凝材料用量有所增加。另外，3 个单掺粉煤灰15%、20%、25%的混凝土配合比也是桥塔混凝土以前施工常用配比，作为与复掺粉煤灰和矿粉混凝土对比试验用。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土工作性与力学性能

由表2 桥塔混凝土基本性能可知，拟用于桥塔不同高程施工的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 这3 个复掺粉煤灰和矿粉配比在保持水胶比固定和减水剂掺量不变情况下，随胶凝材料浆体数量增加，混凝土坍落度和扩展度增加，其中配比T490F15K10 坍落度为235 mm，扩展度达630 mm，完全能满足上塔柱超高程泵送的流动性要求；该3 组混凝土的抗压强度7 d 龄期均超过50 MPa，28 d 强度相对于标准要求的59.9 MPa试配强度有较大富余，且较7 d强度有较大增长，增幅达21.8%~31.4%，强度随龄期增长的幅度高于单掺粉煤灰的3 个配比。3 组复掺粉煤灰和矿粉混凝土的弹性模量差别不大，28 d 弹性模量值均超过了40 GPa 的试配要求。另外，单掺粉煤灰的混凝土中，随着粉煤灰掺量增加，混凝土流动性有所增大，抗压强度和弹性模量随之降低，且强度值小于复掺粉煤灰和矿粉配比。

基于上述理论分析结果，通过分别具有梯形机构及回转支承的两台架车，对其在转向过程中的操作力大小进行对比试验验证，初始条件如下：

表2 桥塔混凝土工作性与力学性能Table 2 Workability and mechanical properties of bridge tower concrete

2.2 混凝土抗氯离子渗透性

由表3 结果可以看出，除基准样T480F0 外，其他6 组试样28 d 电通量均小于1 000 C，84 d氯离子扩散系数均小于3.5×10-12m2/s，符合桥塔混凝土耐久性设计指标要求。相比而言，复掺25%~30%粉煤灰和矿粉的3 组混凝土电通量整体低于单掺粉煤灰15%~25%的3 组混凝土，氯离子扩散系数也小，表明复掺粉煤灰和矿粉混凝土试样密实性更高，抗氯离子渗透性更强。参考JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性评定标准》中抗氯离子渗透性能等级划分标准，以28 d 电通量值为划分依据，桥塔T480F15K10 配比的抗氯离子渗透性等级达到了很好级（Q-Ⅴ），另2 个复掺粉煤灰和矿粉配比达到了好级（Q-Ⅳ）；以84 d 氯离子扩散系数值为依据，桥塔T470F20K10 配比的抗氯离子渗透性等级达到了很好级（RCM-Ⅴ），另2 个复掺粉煤灰和矿粉配比达到了好级（RCM-Ⅳ）。

表3 桥塔混凝土抗氯离子渗透性Table 3 Resistance to chloride ion permeability of bridge tower concrete

2.3 混凝土抗碳化性能

表4 是桥塔混凝土碳化56 d 的试验结果。可以看出，基准样T480F0 配比的碳化深度最小，而随着矿物掺合料掺量增多，混凝土碳化深度增大。这一方面是因为矿物掺合料的掺入降低了水泥用量，进而减少了早期水化反应形成的Ca（OH）2数量；另一方面，后期矿物掺合料的二次水化反应，进一步消耗大量的Ca（OH）2，上述两方面的作用使混凝土碱储备量明显下降，导致混凝土抵抗CO2的侵蚀能力较弱[6]，从而加速了碳化进程。相比而言，同掺量矿物掺合料下，复掺粉煤灰和矿粉的T480F15K10 配比抗碳化性能好于单掺粉煤灰的T480F25。参照《混凝土耐久性评定标准》对抗碳化性能等级划分标准，拟用于桥塔施工的3组复掺粉煤灰和矿粉混凝土的28 d 碳化深度均小于5 cm，抗碳化性能等级评定为T-Ⅳ级（好级）。

表4 桥塔混凝土碳化深度Table 4 Carbonation depth of bridge tower concrete

2.4 混凝土干燥收缩

对拟用于桥塔施工的3 组C50 混凝土干燥收缩进行了试验，结果见图1 所示。

图1 混凝土干缩曲线图Fig.1 Drying shrinkage curve of concrete

结果显示：

1）3 组试样的干缩率随龄期的增加而增大，在28 d 之内干缩增长最为显著，28 d 干缩率已达90 d 的84.8%~88.8%，在28~56 d 之间的干缩增长变得缓慢，56 d 之后趋于稳定。

2）3 组试样90 d 干缩值均满足小于400×10-6的设计要求。参考DB32/T 2170—2012《低收缩低徐变桥梁高性能混凝土技术规程》，T470F20K10、T480F15K10 两个配比的28 d 干缩值也符合该规程规定的低收缩桥梁混凝土28 d 龄期干缩值小于250×10-6的技术要求。

3） 与 T480F15K10 和 T490F15K10 相 比 ，T470F20K10 试样90 d 干燥收缩率分别减小了12.1%、20.5%。这主要是因为T470F20K10 配比的胶凝材料用量最低，其中的粉煤灰掺量又最大，降低了胶凝材料体系的收缩。粉煤灰在早期对胶凝体系的水化抑制作用及粉煤灰的微集料填充、火山灰效应增加了混凝土的密实性[7-8]，加之粉煤灰颗粒的弹性模量高于水泥颗粒，在水泥浆体内起着限制浆体收缩的作用，这些均促成了粉煤灰能够减少混凝土的干缩。

2.5 孔结构分析

混凝土的孔结构对力学性能和耐久性都有很大的影响，因此研究孔结构对改善混凝土的性能具有不可或缺的作用。我国吴中伟院士[9]将混凝土孔结构按大小及是否有害分为四级：孔径小于20 nm为无害孔，孔径处于20~100 nm 为少害孔，孔径处于100~200 nm 为有害孔，孔径超过200 nm 为多害孔。图2 是4 组不同掺合料掺量的混凝土微分孔体积分布曲线，表5 是4 组掺入不同矿物掺合料的胶砂试样孔结构参数测定结果。

图2 不同掺合料掺量的混凝土微分孔体积分布曲线Fig.2 Distribution curve of differential pore volume for concrete with different content of mineral admixtures

表5 不同矿物掺合料胶砂的孔结构特征参数Table 5 Characteristic parameters of pore structure of mortar with different mineral admixtures

由图2 和表5 可以看出：1）与纯水泥试样F0相比，复掺粉煤灰和矿粉的F10K10、F20K10 胶砂试样总孔隙体积降低了9.3%、11.4%，平均孔径降低了8.3%、20%，孔隙率降低了11.1%、12.7%，且F10K10、F20K10 孔径分布中小于20 nm 的无害孔显著增多，而多害孔有一定程度下降，相比而言F20K10 胶砂孔结构优于F10K10 胶砂；2）掺合料掺量同为20%的F10K10 和F20 试样，F10K10 较F20 试样总孔隙体积、平均孔径、孔隙率分别降低了4.3%、6.2%、7.6%，且小于100 nm 的无害孔和少害孔有所增长，而大于200 nm 的多害孔显著降低。上述结果表明，掺入适量矿物掺合料不仅能降低混凝土的孔隙率，而且可细化孔尺寸，使无害孔增多、多害孔减少，从而增进混凝土的密实度，由此可改善混凝土的力学性能和耐久性。另外，在矿物掺合料掺量相同条件下，粉煤灰与矿粉的复掺对孔结构的改善作用优于单掺粉煤灰，主要是由于粉煤灰与矿粉二者在粒径叠加和成分互补的物理与化学效应。矿物掺合料对混凝土孔结构的改善主要归结于其火山灰效应和微集料填充作用，掺合料的二次水化反应减少了混凝土中对强度不利的Ca（OH）2的含量，形成了更多低钙硅比的低碱性C-S-H 凝胶而共同改善了浆体-骨料界面结构，二次水化产物的形成和掺合料细粉的微集料填充效应又共同细化了混凝土的孔结构，降低了孔隙率。

2.6 SEM 分析

图3 是4 组掺入不同矿物掺合料的胶砂试样水化28 d 的微观形貌SEM 照片。纯水泥试样F0水化生成大量絮凝状C-S-H 凝胶产物，同时也生成大量板状CH 晶体呈规则的定向排列；F20 试样中圆球形粉煤灰颗粒表面已覆盖了一层水化产物，其周边存在许多絮凝状C-S-H 凝胶产物，仍能观察到粉煤灰的较完整形貌，说明粉煤灰在28 d 龄期并未完全水化；F10K10、F20K10 两个试样中，均能看到表面已发生水化的粉煤灰颗粒，而无法观察到完整的不规则矿粉颗粒，其与周边水化产物融为一体，表明矿粉水化程度较粉煤灰更为充分。相比F20，F10K10 和F20K10 的内部微结构更为致密。

图3 不同矿物掺合料胶砂水化28 d 龄期SEM 照片Fig.3 SEM photographs for mortar hydrated at 28 d age with different mineral admixtures

3 结语

1）基于桥塔不同高程对混凝土泵送工作性与抗裂性要求的差异及施工养护的难易程度，设计的 T470F20K10、T480F15K10、T490F15K10 三个复掺粉煤灰和矿粉C50 混凝土配合比，不仅工作性和强度符合设计和施工要求，且抗氯离子渗透性、抗碳化性能达到好级或很好级，干缩值较低。

2）桥塔混凝土采用单掺粉煤灰时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土流动性增大，抗压强度和弹性模量随之降低，抗碳化性能下降，抗氯离子渗透性增强。而采用复掺粉煤灰和矿粉配制时，总矿物掺合料掺量相同情况下，其强度和弹性模量高于单掺粉煤灰混凝土，且后期强度增幅显著，抗氯离子渗透性和抗碳化性也优于单掺粉煤灰混凝土。

3）矿物掺合料的火山灰效应和微集料填充效应细化了混凝土孔结构，降低了孔隙率，提高了密实度，改善了界面过渡区微结构，共同参与了对混凝土的力学性能和耐久性改善。在矿物掺合料掺量相同条件下，粉煤灰与矿粉的复掺对孔结构的改善作用优于单掺粉煤灰。