适用于高速公路桥梁的高性能混凝土制备及性能评价*

2022-08-02张雨雷李明宇王健华刘佳奇马吉坤管浩添

化学与粘合 2022年4期

郭雷，张雨雷，李明宇，王健华，刘佳奇，马吉坤，管浩添

（中建-大成建筑有限责任公司，北京 100048）

引言

混凝土是高速公路建设过程中用量最大的建筑材料之一，近年来，随着我国经济的高速发展，对于高速公路用高性能混凝土的需求量也在逐年增长。与普通混凝土相比，高性能混凝土通常具有更好的工作性能、力学性能、耐久性能及其他各项综合性能，因此被大量应用于高速公路的建设过程中[1～5]。

从1988年我国建成第一条自己的高速公路开始，到2018年时，我国的高速公路里程数已经达到了13万公里以上，在高速公路的建设施工过程中，不仅积累了大量的施工、设计以及管理方面的经验，也为高性能混凝土技术的发展提供了良好的平台。针对某些特殊区域或者特殊工况环境，例如高速公路大型跨径桥梁等，其设计及施工工艺均比较复杂，建造过程中一旦出现事故，将造成比较严重的后果，因此需要在建造过程中使用高性能混凝土，以确保施工安全。虽然高性能混凝土已经在高速公路建设施工过程中得到了比较广泛的应用，但仍然存在许多问题需要解决，在具体应用过程中应综合考虑原料、施工环境、环保要求以及经济因素等，研究合理的配制技术[6～12]。因此，本文以高速公路桥梁用高性能混凝土为研究对象，开展了水胶比、砂率和矿渣粉掺量等关键参数对高性能混凝土工作性能和力学性能的影响研究，为高性能混凝土在高速公路桥梁建设施工过程中的应用提供一定的技术支持。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

试验所用水泥为中国天瑞水泥有限公司生产的普通硅酸盐P·O52.5级水泥，其具体物理性能指标见表1。

表1 试验用水泥物理性能指标Table 1 The physical property indexes of cement for test

1.1.2 矿渣粉

试验所用矿渣粉为河北科旭建材有限公司生产的S75级矿渣粉，其具体性能指标见表2。

表2 试验用矿渣粉性能指标Table 2 The performance indexes of slag powder for test

1.1.3 减水剂

试验所用减水剂为甘肃吉发化工有限公司生产的MN F聚羧酸高性能减水剂，其具体性能指标参数见表3。

表3 试验用高性能聚羧酸减水剂性能指标Table 3 The performance indexes of high performance polycarboxylic acid water reducer for test

1.1.4 集料

试验所用的细集料为天然河砂，其具体技术指标见表4；试验所用粗集料为普通碎石，其具体技术指标见表5。

表4 试验用天然河砂技术指标Table 4 The technical indexes of natural river sand for test

表5 试验用普通碎石技术指标Table 5 The technical indexes of ordinary crushed stone for test

1.2 混凝土性能评价方法

1.2.1 工作性能试验方法

混凝土工作性能的测试方法参照国家标准GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的坍落度试验和扩展度试验部分，以坍落度和扩展度为评价指标对其进行评价。

1.2.2 力学性能试验方法

混凝土力学性能的测试方法参照国家标准G B/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的抗压强度实验部分，以不同养护龄期混凝土的抗压强度作为评价指标对其进行评价。

2 结果与讨论

2.1 水胶比对高性能混凝土性能的影响

2.1.1 试验配合比设计

为了评价不同水胶比对高性能混凝土性能的影响，在选择相同单位用水量和矿渣粉掺量的前提下，选取水胶比分别为0.28、0.30、0.32、0.34和0.36进行了试验配合比设计，具体配合比设计结果见表6。

表6 水胶比对高性能混凝土性能的影响配合比设计结果Table 6 The results of mix proportion design of effect of water-binder ratio on the performance of high performance concrete

2.1.2 水胶比对工作性能的影响

按照1.2.1中的实验方法和2.1.1中的配合比设计结果，评价了水胶比对高性能混凝土工作性能的影响，实验结果见图1。

由图1实验结果可以看出，随着水胶比的不断增大，高性能混凝土的坍落度和扩展度均呈现出“先增大后减小”的趋势，当水胶比为0.32时，混凝土的坍落度和扩展度均达到最大值，分别为200mm和450mm。这是由于当水胶比处于一个合适的范围时，容易形成浓度适宜的水泥浆体，使其包裹在集料表面，既可以保证拌合物具有良好的流动性，还可以使其具有较好的黏聚性。

图1 水胶比对混凝土坍落度和扩展度的影响Fig.1 The effect of water-binder ratio on the slump and expansion of concrete

2.1.3 水胶比对力学性能的影响

按照1.2.2中的实验方法和2.1.1中的配合比设计结果，评价了水胶比对高性能混凝土力学性能的影响，养护龄期分别为7d和28d，实验结果见图2。

图2 水胶比对混凝土抗压强度的影响Fig.2 The effect of water-binder ratio on the compressive strength of concrete

由图2实验结果可以看出，随着水胶比的不断增大，养护7d和28d后的混凝土抗压强度均呈现出逐渐降低的趋势，分析原因是由于在较低的水胶比条件下，水泥的水化作用未完全进行，从而有利于降低和减小混凝土的孔隙尺寸和孔隙率，未水化的水泥颗粒还能够发挥较好的填充作用，从而可以提高混凝土的抗压强度；而水胶比越大，水泥水化完全后多余的水分将会蒸发，使硬化后的混凝土中的孔道增多，增大了孔隙率，并降低了水泥与集料之间的黏聚力，导致抗压强度有所降低。根据高速公路桥梁设计要求，混凝土的强度等级设计为C50，综合考虑混凝土的工作性能和抗压强度，选择水胶比为0.32即可以满足高速公路桥梁用混凝土性能的要求。

2.2 砂率对高性能混凝土性能的影响

2.2.1 试验配合比设计

为了评价不同砂率对高性能混凝土性能的影响，在选择相同水胶比和矿渣粉掺量的前提下，选取砂率分别为36%、38%、40%、42%和44%进行了试验配合比设计，具体配合比设计结果见表7。

表7 砂率对高性能混凝土性能的影响配合比设计结果Table 7 The results of mix proportion design of effect of sand ratio on the performance of high performance concrete

2.2.2 砂率对工作性能的影响

按照1.2.1中的实验方法和2.2.1中的配合比设计结果，评价了砂率对高性能混凝土工作性能的影响，实验结果见图3。

图3 砂率对混凝土坍落度和扩展度的影响Fig.3 The effect of sand ratio on the slump and expansion of concrete

由图3实验结果可以看出，随着砂率的不断增大，高性能混凝土的坍落度和扩展度均呈现出“先增大后减小”的趋势，当砂率为40%时，混凝土的坍落度和扩展度均达到最大值。这是由于砂浆可以在混凝土的粗骨料之间起到良好的润滑作用，从而能够减小摩擦力，另外，砂浆对于粗骨料而言还可以起到一定的黏聚作用，因此，在一定的砂率范围内，容易形成流动性和黏聚性能良好的浆体，使其具有较高的坍落度和扩展度。然而由于细砂的比表面积远远大于粗骨料，当砂率增大到一定程度时，骨料的总比表面积增大，进而减小了砂浆在骨料表面包裹的厚度，使其润滑性能降低，导致流动性和黏聚性能变差。

2.2.3 砂率对力学性能的影响

按照1.2.2中的实验方法和2.2.1中的配合比设计结果，评价了砂率对高性能混凝土力学性能的影响，养护龄期分别为7d和28d，实验结果见图4。

图4 砂率对混凝土抗压强度的影响Fig.4 The effect of sand ratio on the compressive strength of concrete

由图4实验结果可以看出，随着砂率的不断增大，养护7d和28d后的混凝土抗压强度均呈现出“先升高后降低”的趋势，当砂率为40%时，7d和28d抗压强度值均达到最大，分别为58.6MPa和70.5MPa。这是由于当砂率较低时，细砂无法完全填充粗骨料之间的空隙，孔隙率较大，混凝土结构较松散，抗压强度较低；而随着砂率的增大，混凝土结构逐渐变得密实，使其抗压强度逐渐增大；当砂率增大到一定程度时，细砂的用量较大，会降低砂浆自身的密实度，从而使混凝土易分层和泌水，造成抗压强度下降。因此，只有选择合适的砂率才能保证混凝土具备良好的工作性能和力学性能，本研究综合考虑多方面因素，选择砂率为40%为宜。

2.3 矿渣粉掺量对高性能混凝土性能的影响

2.3.1 试验配合比设计

为了评价不同矿渣粉掺量对高性能混凝土性能的影响，在选择相同水胶比和砂率的前提下，选取矿渣粉掺量分别为0%、10%、20%和30%进行了试验配合比设计，具体配合比设计结果见表8。

表8 矿渣粉掺量对高性能混凝土性能的影响配合比设计结果Table 8 The results of mix proportion design of effect of slag powder content on performance of high performance concrete

2.3.2 矿渣粉掺量对工作性能的影响

按照1.2.1中的实验方法和2.3.1中的配合比设计结果，评价了矿渣粉掺量对高性能混凝土工作性能的影响，实验结果见图5。

图5 矿渣粉掺量对混凝土坍落度和扩展度的影响Fig.5 The effect of slag powder content on the slump and expansion of concrete

由图5实验结果可以看出，随着矿渣粉掺量的不断增大，高性能混凝土的坍落度和扩展度均呈现出逐渐增大的趋势。这是由于矿渣粉的掺入能够使水泥颗粒之间的空隙被充分填充，挤压水分子的空间，使较多的水分被释放出来，可以稀释水泥浆体，从而使混凝土的流动性增强。

2.3.3 矿渣粉掺量对力学性能的影响

按照1.2.2中的实验方法和2.3.1中的配合比设计结果，评价了矿渣粉掺量对高性能混凝土力学性能的影响，养护龄期分别为7d和28d，实验结果见图6。

图6 矿渣粉掺量对混凝土抗压强度的影响Fig.6 The effect of slag powder content on the compressive strength of concrete

由图6实验结果可以看出，随着矿渣粉掺量的不断增大，养护7d和28d后的混凝土抗压强度均呈现出逐渐降低的趋势。这是由于矿渣粉不能参与水化反应，本身不具备胶凝作用，由于水胶比等条件保持不变，矿渣粉的掺入会减少水泥的加入量，从而导致水泥水化作用产生的氢氧化钙较少，降低了胶凝作用，使混凝土的抗压强度下降。综合矿渣粉掺量对混凝土工作性能和力学性能的试验结果可知，矿渣粉的掺入能够提高混凝土的工作性能，但同时又会对混凝土的力学性能产生不利的影响，综合考虑混凝土的流动性和抗压强度，推荐矿渣粉的掺量为20%为宜。