粗骨料种类和品质对C60混凝土徐变性能的影响

2021-09-03周敏杨腾宇邱冰郭立贤宋普涛王良波王晶冷发光

新型建筑材料 2021年8期

周敏，杨腾宇，邱冰，郭立贤，宋普涛，王良波，王晶，冷发光

（1.佛山市交通科技有限公司，广东佛山 528042；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司，广东佛山 528042）

0 引言

连续刚构桥是大跨径桥梁建设中常用的一种结构体系，具有施工操作简便、受力合理、造价经济等优势，但国内外在桥梁长期运营过程中发现，连续刚构，尤其是大跨径连续刚构桥梁存在主跨长期下挠、梁体开裂两类通病。研究发现[1-6]，导致大跨径连续刚构桥梁出现跨中下挠与开裂病害的原因有很多，因混凝土自身收缩徐变大导致混凝土桥梁长期预应力损失进而导致桥梁下挠及开裂病害是当前桥梁发生跨中下挠与开裂病害首要因素。调研发现[7-10]，大跨径连续刚构桥梁下挠与开裂问题在大跨径桥梁密集的广东地区尤为突出（如虎门大桥、南海金沙大桥、顺德水道特大桥），除结构设计差异及原材料、施工等导致混凝土自身徐变性能差异外，较大的交通密度及较多的重载超载情况进一步加剧了大跨度桥梁的跨中下挠及开裂破坏问题。

进行低徐变混凝土的配制及应用是目前实现混凝土桥梁下挠及开裂病害控制的常用技术措施。国内关于基于混凝土配合比参数优化的低徐变混凝土配制方面的研究较多，关于混凝土用原材料基本性能控制方面的研究较少。黄海生等[11]研究了掺合料对再生混凝土徐变性能的影响，结果表明，粉煤灰掺量分别为40%、30%时，对再生混凝土的总徐变和基本徐变抑制效果最优，粉煤灰和矿粉复掺与粉煤灰单掺相比具有相似的规律，且对再生混凝土徐变的抑制效果更佳。李蒙等[12]研究了石灰石粉掺量对混凝土徐变系数的影响，结果表明，混凝土徐变系数随着石灰石粉掺量的增加而增大，实际应用中石灰石粉掺量不宜超过10%。杨腾宇等[13]研究了水胶比、胶凝材料用量、砂率、掺合料的掺用比例、混凝土含气量、骨料种类对混凝土徐变性能的影响规律，结果表明，各因素对90 d徐变度影响顺序为：不掺掺合料>增加胶凝材料用量>单掺粉煤灰>采用砂岩骨料>低胶凝材料用量=降低砂率>提高混凝土含气量。

混凝土用原材料特别是骨料的种类、空隙率等对混凝土力学性能及耐久性能影响很大[14-16]，骨料的基本特性对混凝土力学性能及耐久性能产生影响的同时势必会影响到混凝土的徐变性能。本项目针对广东地区典型粗骨料状况，以广佛肇北江大桥主桥115+215+115 m连续刚构现浇梁C60混凝土工程为依托，配制出性能满足要求的现浇梁C60混凝土，研究了粗骨料种类、公称粒径、针片状颗粒含量及空隙率对C60混凝土徐变性能的影响规律，为该项目工程建设及其他相关科研及工程应用项目提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：广东某水泥厂，P·O52.5，3、28d抗压强度分别为32、59 MPa；粉煤灰：广东某电厂，Ⅰ级，烧失量3.2%，45μm筛筛余5%，需水量比93%；矿粉：S95级，7、28 d活性指数分别为78%、95%，流动度比97%；外加剂：聚羧酸系高性能减水剂，含固量35%，减水率33%；细骨料：广东某地河砂，含泥量1.8%，细度模数3.0；粗骨料：采用3种不同岩性粗骨料，其中花岗岩母岩、石灰岩母岩、砂岩母岩的轴压强度分别为122、129、115MPa。

1.2 试验方法

本研究对比设置了不同碎石种类、空隙率、公称粒径及针片状颗粒含量几个典型骨料性能指标，不同粗骨料种类及关键性能参数见表1。

表1 粗骨料种类及关键性能参数

根据设计要求，混凝土应具有良好的泵送性能，混凝土初始坍落度为（230±20）mm，7 d抗压强度≥54 MPa，28 d抗压强度≥69.9 MPa；7 d弹性模量≥2.9×104MPa；C60低徐变混凝土90 d徐变度≤30×10-6MPa-1。

C60低徐变混凝土基准配合比为：胶凝材料由75%水泥+15%粉煤灰+10%矿粉组成，总用量为490 kg/m3，水胶比0.3，砂率37%，设计湿表观密度2450 kg/m3。通过调整混凝土外加剂掺量使得混凝土坍落度满足设计要求，各组配合比参数及对应的混凝土坍落度、抗压强度、弹性模量试验结果见表2。

表2 配合比及混凝土性能

由表2可知，通过调整外加剂掺量可使各组混凝土的坍落度满足设计要求，混凝土的7、28 d抗压强度及7 d弹性模量均符合设计文件要求。

对上述各组配合比开展徐变性能试验。徐变混凝土试块的制备及试验方法参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》进行，实验室温度20℃，相对湿度60%。徐变试验用混凝土试块拆模后先标准养护7 d，而后移至徐变室内继续干燥养护至28 d，按照GB/T 50082—2009的规定加载后测试混凝土不同龄期的收缩值及徐变值，计算混凝土1、3、7、14、28、56、90d的徐变度。

2 结果与分析

2.1 粗骨料种类对低收缩混凝土徐变度的影响（见图1）

图1 粗骨料种类对C60混凝土徐变度的影响

由图1可见，对比1-1A、1-1B及1-1C混凝土，粗骨料为砂岩时C60混凝土的徐变度最大，粗骨料为花岗岩的次之，粗骨料为石灰岩的最低。0～14d龄期内各混凝土徐变度增长最快，14 d后混凝土徐变度增长速度变缓。粗骨料为砂岩的C60混凝土90 d徐变度最大为19×10-6MPa-1，粗骨料为花岗岩和石灰岩的C60混凝土90 d徐变度较粗骨料为砂岩的分别降低了47%、53%。混凝土徐变受粗骨料弹性模量的影响很大，混凝土强度等级相当时，粗骨料的弹性模量越高，加载后徐变应变越小，在徐变应变基本相当时，由此计算出的徐变度越低。3种粗骨料母岩中，石灰岩的轴压强度最高，石灰岩次之，砂岩最低，骨料的弹性模量与轴压强度成正比，因此3种粗骨料弹性模量由高到低为石灰岩>花岗岩>砂岩，采用3种粗骨料配制混凝土的徐变度由高到低为砂岩混凝土>花岗岩混凝土>石灰岩混凝土。

2.2 粗骨料粒径对低收缩混凝土徐变度的影响（见图2）

图2 粗骨料公称粒径范围对C60混凝土徐变度的影响

由图2可见，对比1-1A、1-2A及1-2B混凝土，随公称粒径中最大颗粒尺寸的增加，C60混凝土徐变度先减小后增大，公称粒径为5～20 mm时C60混凝土徐变度最大，公称粒径为5～25 mm时C60混凝土徐变度最小。各组C60混凝土14d内徐变度增长最快，14 d后徐变度增长减缓。公称粒径为5～20 mm的C60混凝土90 d徐变度最大为17×10-6MPa-1，公称粒径为5～31.5 mm及5～25 mm的C60混凝土90 d徐变度较公称粒径为5～20mm的分别降低了40%、70%。

2.3 粗骨料针片状颗粒含量对低收缩混凝土徐变度的影响（见图3）

图3 针片状颗粒含量对C60混凝土徐变度的影响

由图3可见，对比1-3A及1-3B混凝土，粗骨料空隙率相近时，针片状颗粒含量越小时C60混凝土的徐变度越小。2组C60混凝土14 d内徐变度增长最快，14 d后徐变度增长减缓。针片状颗粒含量为8%时C60混凝土徐变度最大，90 d徐变度为17×10-6MPa-1，针片状颗粒含量由8%降低到5%，C60混凝土90 d徐变度降低了12%。在混凝土中粗集料中针片状颗粒大多倾向于水平排列，这使得针片状颗粒下部表面容易出现因气泡阻滞产生的气孔及微裂缝等缺陷，进而劣化骨料与浆体界面过渡区形貌，降低混凝土的密实度，降低混凝土的弹性模量，进而导致混凝土徐变应变增大。

2.4 空隙率对低收缩混凝土徐变度的影响（见图4）

图4 空隙率对C60混凝土徐变度的影响

由图4可见，对比1-3B、3-1A及3-1B混凝土，粗骨料针片状颗粒含量（16～19 mm）相同时，空隙率越低，C60混凝土徐变度越小。3组C60混凝土14 d内徐变度增长最快，14 d后徐变度增长减缓。空隙率为46.3%时C60混凝土90 d徐变度最大，为17×10-6MPa-1，空隙率由46.3%降至44.1%、43.4%时，C60混凝土的90 d徐变度分别降低了5%、11%。

综合以上研究结果可知，各因素对徐变度影响大小的顺序分别为公称粒径≈粗骨料种类>针片状颗粒含量≈空隙率。因此为降低广佛肇北江大桥梁体徐变度，提高桥体的抗变形性能，进行项目用C60低徐变混凝土配制时应重点优选粗骨料种类，筛选骨料最佳公称粒径范围，在此基础上进一步优选骨料的针片状颗粒含量及空隙率。