高白度高强白色混凝土配合比设计研究

2022-08-12张岩范佳美祝长春卞佳

新型建筑材料 2022年7期

张岩，范佳美，祝长春，卞佳

（中交路桥建设有限公司，北京 100000）

0 概述

科特迪瓦科科迪桥项目位于科特迪瓦阿比让市，该项目横跨阿比让科科迪湾，连接普拉多区和科科迪区，建成后可以大大缓解该区域的交通压力，同时将成为科特迪瓦科科迪湾区商务中心的地标性建筑之一。主桥桥型为“人”字形空间异形单塔斜拉桥，塔高108.6 m。主桥长630 m，建成后将成为西非地区最大的斜拉桥。项目旨在打造一座艺术品的景观桥，因此对主引桥墩柱和塔柱白色混凝土外观要求非常严格。

桥梁塔柱和引桥墩身采用C60高强白色混凝土。要求混凝土白度高，以满足视觉美感，建成后无需进行外观保养。由于白色水泥相对水化快、凝结时间短、水化热高，且塔柱及墩柱结构断面尺寸大，因此需要添加掺合料以改善混凝土的工作性能，降低水化热，减小开裂风险[1]。国内池州长江大桥采用白色混凝土作主塔塔柱“皮肤”混凝土的成功经验，为本项目可行性奠定了实践基础[2]。考虑到掺合料对成品白度的影响，项目选用白色矿粉和白色石灰石粉作为掺合料[3]。经过原材料严格筛选、配合比多次试验比对以及试验块颜色比较，最终选用10%白色矿粉和20%白色石灰石粉作为掺合料配制出高白度、施工性能、力学性能及耐久性满足要求的C60高强混凝土。

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料：突尼斯SOTACIB生产的52.5N白色硅酸盐水泥，物理力学性能见表1；科特迪瓦阿比让水泥厂SCA生产的S95级白色矿粉，物理力学性能见表2；突尼斯HERMACARS生产的白色石灰石粉，碳酸钙含量99.92%，物理力学性能见表3。

表1 52.5N白水泥的物理力学性能

表2 矿粉的物理力学性能

表3 石灰石粉的物理力学性能

细骨料：阿比让泄湖区天然河砂，依据NFEN933对砂进行试验，砂的基本性能和筛分结果分别见表4和表5。

表4 河砂的基本性能

表5 砂的筛分结果

粗骨料：科特迪瓦BLUESTON石场产花岗岩碎石，外观偏青色，无潜在碱活性，根据级配曲线由5～15mm碎石与15～25 mm碎石按照4∶6质量比复配得到。粗骨料的基本性能依据NFEN 933和NFEN 1097规范进行测试，结果见表6。

表6 粗骨料的基本性能

减水剂：SIKA高性能聚羧酸减水剂，基本性能见表7。

表7 减水剂的基本性能

1.2 试验方法

胶凝材料水化热：按ENNF196-9半绝热法进行测试；混凝土白度：采用日本美能达色彩色差仪CHROMR METER CR-410直接在混凝土表面进行测试；混凝土耐久性：采用氯离子扩散系数测试方法-RCM法，非稳态电迁移试验方法进行测试。

2 配合比试验研究

2.1 胶凝材料对混凝土性能的影响

塔柱混凝土需要满足泵送100 m高要求，因此坍落度设计为（210±20）mm，30 min经时损失小于5 mm。由于白水泥凝结时间短，试验过程中发现若混凝土初始坍落度小于180 mm，30min坍落度损失快，超过20 mm，无法满足现场施工要求。根据项目特殊技术条款要求进行配合比设计。不同胶凝材料比例C60高强白色混凝土的配合比如表8所示。

表8 不同胶凝材料比例C60高强白色混凝土的配合比

混凝土的抗压强度测试结果如图1所示。

由图1可见：

（1）石灰石粉取代部分矿粉时（C60-1～C60-4），随石灰石粉掺量的增加，各龄期抗压强度先提高后降低。分析原因：部分石灰石粉取代过量的矿粉，使得混凝土更加密实，抗压强度先提高，28d抗压强度最大可达到71.6 MPa（C60-2）。随着石灰石掺量的进一步增加，由于石灰石粉活性指数较矿粉的低，故混凝土的抗压强度开始降低，单掺石灰石粉的C60-4混凝土28 d抗压强度最低，为66.7 MPa。

（2）相对于C60-3，C60-5配合比中增加了48 kg/m3石灰石粉，混凝土早期抗压强度反而略有降低，56d抗压强度超过C60-3。相比C60-4，C60-6单掺石灰石粉，增加了白水泥用量，混凝土的28 d抗压强度提高1.02%。

混凝土由于其组成材料的粒度不同，使得其内部结构孔隙率较大。石灰石粉的比表面积比水泥大，颗粒粒径比水泥小，石粉填充在水泥浆基体和界面过渡区的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密，减小孔隙率和孔径直径，改善孔结构，从而提高混凝土的抗压强度和界面强度[4-5]。考虑混凝土抗压强度，掺合料总掺量在30%情况下，石灰石粉掺量以10%～20%为较优选择。

2.2 胶凝材料对混凝土白度的影响

制备100 mm×100 mm×100 mm白色混凝土试件，直接测试不同石灰石粉掺量混凝土试件（对应表8的C60-1～C60-4）表面的白度，结果见图2。

由图2可见，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的白度明显增大。当石灰石粉掺量为胶凝材料的20%时，白度达87左右；石灰石粉掺量进一步提高，白度增大不明显。

2.3 混凝土耐久性能

由于塔柱和墩柱断面尺寸大，需要考虑胶凝材料的水化热，尽可能降低混凝土水化热引起的温度应力，以减小混凝土结构的开裂风险。不同比例胶凝材料的水化热如表9所示。

表9 不同比例胶凝材料的水化热

由表9可见，相比于100%纯白水泥，在掺30%矿粉后胶凝材料41 h水化热减小了8.6%，41 h水化热为254 J/g；掺10%矿粉+20%石灰石粉后水化热进一步减小，41 h水化热为224 J/g。

胶凝材料水化热减小可以降低大体积混凝土的内部温度，从而减小混凝土内部应力引起的开裂风险，提高混凝土的耐久性。综合考虑混凝土白度、工作性能和力学性能，选用C60-3配合比，其中矿粉掺量为10%、石灰石粉掺量为20%。按此配比制备C60高强白色混凝土，对其耐久性进行验证，进行氯离子扩散系数试验。标准养护条件：室温（20±2）℃、相对湿度≥95%。测得C60高强白色混凝土的56 d氯离子扩散系数为2.6×10-12m2/s，该混凝土具有耐海工环境氯离子侵蚀性能。