白色高强桥塔混凝土力学性能研究

2021-03-16夏京亮关青锋杜玉生

建材世界 2021年1期

孙军，夏京亮，关青锋，杜玉生

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013)

科科迪大桥位于科特迪瓦阿比让市Cocody湾，主线总长约1.63 km，包含一座全长630 m、主跨200 m的钢槽梁单塔斜拉桥；主引桥为预应力简直T梁桥，全长258.15 m；主线路基长710 m；B匝道含4条支线，其中B5匝道为预应力混凝土梁桥，全长147.5 m；还有A和C匝道；匝道路基线路共长3.7 km。主跨斜拉桥塔高108.6 m，混凝土用量约3.2万m3，根据科科迪桥专用技术条款CCTP1.3.7要求：索塔需采用初步设计单位(ARCADIS)所选择的白色混凝土。该工程处于西非中心科特迪瓦，更是位于科特迪瓦首都和经济中心阿比让市，影响力大，地标性工程，不仅实体质量要求高，对外观质量要求更高，旨在打造成艺术品的景观桥，因此白色混凝土质量对于工程质量起到决定性的作用。

白色混凝土是采用白色硅酸盐水泥、白色矿物掺合料、浅色骨料和不染色的外加剂配制而成的混凝土[1-4]。从前期初步的水化热和绝热温升试验发现，白色水泥早期水化速率较高，混凝土早期绝热温升效应较普通混凝土更为显著。论文分别采用普通水泥与白色水泥制备高强混凝土，对比水泥类型对混凝土的工作性和力学性能的影响，以掌握使用白色水泥制备混凝土对高强混凝土桥塔结构服役性能的影响。为降低胶凝材料水化热和绝热温升，采用矿粉和不同掺量石灰石粉替换部分水泥用量，研究复合矿物掺和料对混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

白色硅酸盐水泥采用CEM Ⅰ 52.5，亨特白度91，初凝时间172 min，终凝时间270 min，比表面积410 m2/kg，3 d、28 d抗压强度分别为36.5 MPa、61.8 MPa，密度3.08 g/cm3。普通水泥采用PO 52.5水泥，3 d、28 d抗压强度分别为31.5 MPa、62.3 MPa，密度2.99 g/cm3。矿粉采用白色矿粉，亨特白度87，比表面积405 m2/kg，7 d活性指数83%、28 d活性指数102%，密度2.81 g/cm3，流动度比98.3%。所用石灰石粉的碳酸钙含量81%，细度8.5%(45 μm筛余)，7 d活性指数63%，28 d活性指数65%，流动度比104%，亨特白度89。细骨料采用河砂，细度模数2.5。粗骨料采用片麻岩5～25碎石，颜色较浅。减水剂采用聚羧酸系减水剂，含固量21.3%，减水率27.5%。

1.2 方法

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080—2016测试混凝土坍落度、扩展度、含气量和倒置坍落度筒排空时间。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019测试混凝土抗压强度，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测试龄期为3 d、7 d、28 d、56 d；混凝土劈裂抗拉强度(以下称劈拉强度)，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测试龄期为28 d、56 d；混凝土抗压弹性模量，试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，测试龄期为28 d、56 d。

1.3 混凝土配合比

白色高强桥塔混凝土试验配合比见表1，设计为C60强度等级混凝土，胶凝材料用量为484 kg/m3，水胶比为0.33，砂率为42%。采用普通硅酸盐水泥与白色硅酸盐水泥进行对比研究白色高强混凝土性能，胶凝材料分别由矿粉30%、矿粉20%+石灰石粉10%、矿粉10%+石灰石粉20%与70%水泥复合而成。

表1 试验混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 结果与分析

2.1 白色高强混凝土拌合物性能

表2第2列为新拌浆体坍落度测试结果。对于掺不同含量石灰石粉浆体，白色水泥混凝土坍落度更大，WC-1坍落度为200 mm，PC-1坍落度为195 mm。使用不同水泥成型的新拌浆体坍落度随着石灰石粉用量的上升而增大，当石灰石粉掺量从0增大到20%时，WC浆体坍落度从200 mm依次增大到215 mm、225 mm，PC浆体坍落度从195 mm分别增大至205 mm、220 mm。

表2中扩展度变化规律与坍落度类似，随着石灰石粉掺量增大，WC-1至WC-3浆体扩展度分别为480 mm、550 mm和610 mm；而PC-1至PC-3浆体扩展度依次为455 mm、510 mm和560 mm，可见白色水泥混凝土工作性比普通水泥混凝土更好。为进一步观察不同水泥混凝土的粘聚性，论文测试不同浆体的倒置坍落度排空时间，发现白色水泥混凝土排空时间比普通混凝土低，且随石灰石粉掺量上升而降低。从含气量数据可知，石灰石粉掺量增大提高了浆体含气量，除了PC-2组，PC浆体含气量均低于WC组。图1对混凝土拌合性能和石灰石粉掺量的关系进行回归分析，可知石灰石粉的掺入有利于提高浆体工作性。石灰石粉在水化环境中一般充当惰性材料，其颗粒填充至水泥颗粒间隙，降低达到所要求流动性的需水量，并通过滚动效应降低水泥熟料颗粒之间的咬合、摩擦作用，提高浆体的流动性。

表2 混凝土拌合物性能

2.2 白色高强混凝土抗压强度

图2为表1中各配合比混凝土养护不同龄期后的抗压强度。尽管水泥类型和石灰石掺量不同，WC-1至PC-3混凝土的抗压强度均随龄期延长而提高。

3 d抗压强度显示白水泥混凝土早期强度更高，从上文中水泥3 d强度和凝结时间可知，白水泥早期强度高，即白水泥早期水化更快，短时间内生成大量CSH等产物，提高浆体密实程度和不同组分之间的粘结力，提高混凝土抗压强度[5]。然而，随着养护龄期延长，普通混凝土强度增长更快，达到28 d时，PC-1抗压强度比WC-1稍高，掺入石灰石粉后WC和PC混凝土抗压强度相差不大。当龄期达到56 d，PC-1、PC-2抗压强度为79.3 MPa和77.3 MPa，分别比WC-1和WC-2高2.4 MPa和3.2 MPa。说明使用白色水泥时，混凝土早期强度较高，但后期强度比普通水泥混凝土稍低。

对比不同石灰石粉掺量下混凝土抗压强度可知，石灰石粉的使用会降低高强混凝土的抗压强度。对于白色水泥混凝土，石灰石粉替代矿粉比率为10%、20%分别令3 d抗压强度降低8.3%、10.2%，令56 d抗压强度降低3.6%、5.1%；对于普通水泥混凝土，石灰石粉替代矿粉比率为10%、20%分别令3 d抗压强度降低2.5%、8.7%，令28 d抗压强度降低3.8%、7.4%。可见掺入石灰石粉对白色水泥混凝土的早期强度和普通水泥混凝土的后期强度影响更大，其中10%石灰石粉掺量对不同龄期抗压强度削弱幅度基本位于5%以内，考虑到石灰石粉的经济优势，该劣化效果在可接受范围内。

图3为含有不同石灰石粉混凝土28 d抗压强度与扩展度之间的关系，其表明石灰石粉掺量上升后浆体扩展度将增大，同时导致硬化浆体强度下降。从上文分析可知，石灰石粉有利于增大新拌浆体的流动性能，但是石灰石粉作为惰性材料，掺入混凝土中降低了具有火山灰活性的矿粉含量，削弱了水化程度，令水化产物生成量下降，浆体内部粘结程度降低；由于石灰石粉基本不参与水化反应，其填充在水泥颗粒间隙后，可供水泥水化的自由水分增多，间接提高了实际水胶比，浆体硬化后存在更多有害孔和多害孔，抗压强度因而下降。

2.3 白色高强混凝土劈拉强度

图4为WC和PC混凝土养护至28 d和56 d的劈拉强度。由于早期混凝土水化程度较弱，劈拉强度过低，不具参考意义，故未测试3 d和7 d劈拉强度。混凝土通常由水、水泥、砂和碎石混合而成，属于多相复合材料，不同相之间存在界面过渡区，除了咬合、摩擦作用，过渡区之间的粘合主要依靠水泥熟料水化产物CSH凝胶等产生的粘结力。由于界面两侧物相密度、表面粗糙度和吸附性能等属性存在较大差异，即使存在粘结力，界面过渡区仍然存在较多微裂缝和孔隙甚至微小气泡等微缺陷，在外荷载作用下，过渡区容易出现应力集中，微裂缝沿着裂缝前端迅速发展，不同位置的裂缝贯通后，浆体受荷面积下降，造成应力重分布，令浆体内部裂纹数量和面积持续累积，导致混凝土在短期内形成贯通裂缝，遭受劈裂破坏[6]。

综合28 d和56 d劈拉强度测试结果，以白色水泥制备的混凝土比普通水泥混凝土劈拉强度更高。例如，WC-1试件的28 d、56 d劈拉强度分别为4.76 MPa和4.95 MPa，PC-1的28 d、56 d劈拉强度为4.28 MPa和4.86 MPa，分别降低了10.1%和18.2%。掺入石灰石粉后混凝土劈拉强度随水泥种类变化的变化规律与此类似。

对于白色水泥混凝土，使用10%、20%石灰石粉替换矿粉时，混凝土劈拉强度随石灰石粉掺量增大而降低。相对于WC-1，WC-2和WC-3的28 d劈拉强度分别下降4.8%、10.5%，56d劈拉强度分别下降6.7%、10.5%。对于普通水泥混凝土，试件劈裂抗拉强度同样随石灰石粉掺量上升而下降。相对于PC-1，PC-2和PC-3的28 d劈拉强度分别上升2.1%和下降4.2%，56 d劈拉强度分别下降6.0%、7.6%。

2.4 白色高强混凝土弹性模量

材料的弹性模量是其刚度的度量，弹模较高时，在相同应力下材料变形较低。混凝土材料在服役期间常常受到钢筋、构筑节点等部位的约束，变形较大时容易造成开裂，进而降低材料受荷面积，内部应力上升，且容易遭受外界侵蚀介质入侵，耐久性下降[7]。混凝土为多相非均匀复合材料，其弹性行为受主要组分(如粗骨料)的体积分数、密度、弹性模量和界面过渡区的特性影响，同时混凝土的弹性模量与内部孔隙率密切相关。因此，测试混凝土不同龄期弹性模量可从侧面掌握混凝土内部的水化程度和骨料的刚性支撑作用。表3为不同混凝土试件的28 d、56 d弹性模量测试结果。

表3和图5表明，混凝土弹性模量随龄期延长而提高，提高石灰石粉掺量将降低混凝土弹性模量。此外，水泥类型对混凝土不同龄期的弹性模量影响不大，因为弹模主要由骨料组分的物理性质决定。图6阐述了由不同类型水泥制备的混凝土28 d、56 d抗压强度与相应龄期下弹性模量的关系。可发现总体上高强混凝土抗压强度较高时，硬化试件往往具有更高的弹性模量，在同等荷载作用下可产生更低的变形，可满足对混凝土结构服役期间变形幅度要求严格的设计要求。