泵送高性能混凝土配合比设计和变形性能研究

2022-05-13徐天良王卿周洋

中外公路 2022年2期

关键词：徐变粉煤灰箱梁

徐天良, 王卿, 周洋

(1.中铁二局第六工程有限公司, 四川成都 610031; 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410219)

1 前言

目前，中国处于基础设施建设大开发阶段，高性能混凝土广泛应用于桥梁设计建造中。然而，混凝土开裂时有发生，致使混凝土耐久性差，严重威胁到桥梁的使用寿命。因此，控制优化混凝土变形性能十分必要[1-9]。

仅出于对强度、经济性、安全性、工作性的考虑，传统混凝土配合比设计对混凝土配合比参数考虑不全面，仅仅限制最小水泥用量和最大水灰比，因此，混凝土耐久性很难得到保证。

关于对高性能混凝土进行配合比设计已有不少学者开展过研究。赵聪[10]等研究了Ⅱ级粉煤灰部分代替水泥拌制成的高性能混凝土，从经济性、耐久性探讨了其优越性；米哲[11]研究了C55高性能混凝土配合比的设计计算、试配调整和施工过程中配合比的调整对混凝土性能的影响；张剑峰[12]等从粉煤灰掺量与混凝土工作性、强度及28 d氯离子扩散系数之间的关系研究了粉煤灰掺量对混凝土性能的影响。

以上研究多局限于粉煤灰对混凝土强度、耐久性、经济性等一种或两种优越性进行比较，没有系统研究配合比的设计方法以及混凝土的性能。基于此，该文以三角岩大桥为工程背景，针对工程结构的关键位置设计使用高性能混凝土。结合三角岩大桥高扬程泵送混凝土的优化试验研究，在研发高性能混凝土制备技术的基础上，提出高性能混凝土配合比设计方法，并且采用试验方法以探究粉煤灰对高性能混凝土变形性能的影响。

2 工程概况

三角岩大桥为湖南省高速公路网规划“五纵七横”路网中的第二横——张家界至花垣高速公路上的一座特大桥，跨越峡谷地貌，主桥为(66+3×120+66) m连续刚构，长492 m，桥墩为双肢变截面空心薄壁墩，最大墩高132 m，如图1所示。

图1 三角岩大桥立面图(单位：m)

3 箱梁C55高性能混凝土配合比设计

3.1 高性能混凝土配合比设计原则及方法

体积稳定性、抗裂性是提高混凝土耐久性的决定性因素，耐久性高的混凝土具有低渗透性、无龟裂性，具有自愈性等特点。高性能混凝土配合比设计原则如表1所示。

表1 高性能混凝土配合比设计原则

对高性能混凝土进行配合比设计时，以混凝土的强度作为设计依据，综合考虑各种因素的影响。合理确定混凝土配合料中水泥，水灰比，外加剂等用量。

3.2 三角岩大桥箱梁C55混凝土配合比优化及其力学性能

基于配合比设计原则，以三角岩大桥为工程背景，设计优化了4组施工配合比。第1组SG-XL1没有添加粉煤灰，第2～4组SG-XL2～SG-XL4分别掺入9.6%～10.7%的Ⅱ级粉煤灰。分别对3、7、28、90 d混凝土进行物理力学性能、耐久性对比试验。C55混凝土配合比如表2所示。

试验测试结果如表3所示。由表3可知：箱梁混凝土28 d抗压强度均已达到了C55，添加粉煤灰的混凝土抗压强度发展更快，和易性也有所改善。因此，添加粉煤灰混凝土弹性模量、耐久性满足连续刚构混凝土与预应力施工要求，具有良好的抗碳化、抗渗和抗氯离子渗透能力，能够适应山区潮湿的环境要求。

表2 箱梁C55混凝土配合比设计

表3 箱梁混凝土工作性能和抗压强度

续表3

4 桥用高性能粉煤灰混凝土变形性能

4.1 桥用高性能粉煤灰混凝土的收缩性能

混凝土的收缩是诱发混凝土开裂的重要原因，混凝土开裂严重影响混凝土的耐久性与桥梁的使用寿命。高性能粉煤灰混凝土收缩规律如图2所示。

图2 高性能混凝土自缩规律

由图2可以看出：从初凝至初始反应期的2～4 h内，早龄期混凝土的自收缩发展较迅速，高性能混凝土的自收缩值与养护时间呈线性关系。但是，随着混凝土的终凝，在硬化后阶段，混凝土自收缩值渐渐稳定，主要原因是结构强度增加，抵抗变形的能力增强。

混凝土收缩初期的收缩变形对结构的影响可以忽略，但是在结构成形后的收缩后期，收缩变形主要是以结构的缝隙来体现，这种变形对结构影响很大。

在混凝土中掺入粉煤灰，主要通过影响水泥的水化反应来调节结构的自干缩。一般而言，粉煤灰的反应机理是通过与水泥水化产生的Ca(OH)2进行反应，结构的反应活性与速度都很慢。因此，由水化反应产生的收缩也相对较慢，但是由于后期混凝土强度的提高，结构的收缩变形也会随之减小。

4.2 桥用高性能粉煤灰混凝土的徐变性能

针对同一强度等级C55混凝土，分别对每组箱梁试验试块采用不同的粉煤灰掺量，掺量百分比分别为0、12%、10%、18%。试验工况如表4所示。

表4 徐变试验混凝土配合比

采用GB/T 50082—2009试验方法[13]，观测4组试块的徐变。

试验步骤：在标准养护室养护7 d后，对成型后的混凝土试件进行徐变测试[14]。徐变应力取试块设计抗压强度的40%，加载之前，需要对试块进行预压对中，对中完成后，试块加载到徐变应力，测量收缩应变值，同时设置不加载试块的对比试验。试验结果如表5所示。

由表5可知：高性能混凝土的徐变在混凝土初凝起始时间至7 d内，徐变发展很快，随着养护时间加长，发展趋于缓慢，到了180 d，徐变发展平稳。掺入粉煤灰的高性能混凝土徐变值明显低于没有掺入粉煤灰的高性能混凝土，主要原因是因为粉煤灰细化了混凝土毛细孔，改善了混凝土的内部结构，提高了结构的密实性，相应地提高了混凝土的后期强度[15]；在用水量一定时，随着混凝土强度等级的提高，胶凝材料用量增加，集料特别是粗骨料用量减少，混凝土的徐变值增大。