蔡玲 黃祥

(廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司第二分公司，廣東廣州 511430)

港珠澳大橋預(yù)制承臺(tái)耐久性研究

蔡玲 黃祥

(廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司第二分公司，廣東廣州 511430)

通過(guò)礦粉和粉煤灰超量取代部分水泥進(jìn)行密實(shí)骨架堆積配合比設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)混凝土最密實(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：在礦粉和粉煤灰超量取代58%水泥情況下，配制混凝土不僅滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求，而且具有優(yōu)異的耐久性能。

大體積混凝土，耐久性，配合比設(shè)計(jì)

0 引言

港珠澳大橋預(yù)制承臺(tái)為六邊形，邊緣順橋向?qū)挒?2．2 m，中心順橋向?qū)挒?2 m，橫橋向16 m，高5 m，混凝土一次澆筑量大，屬于典型的海工大體積混凝土。由于混凝土的水化熱作用，混凝土澆筑后將經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個(gè)階段，在這個(gè)過(guò)程中混凝土的體積在溫度變化影響下亦隨之伸縮，若各塊混凝土體積變化受到約束就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，如果該應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗裂能力將導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂;同時(shí)承臺(tái)結(jié)構(gòu)又處在惡劣海洋環(huán)境中，對(duì)抗Cl－滲透性，硫酸鹽侵蝕等有較高的要求，故在配合比設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮降低水化熱又要保持其高耐久性能。本文通過(guò)雙摻粉煤灰和礦粉超量取代部分水泥，且運(yùn)用密實(shí)骨架堆積理論進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，研究預(yù)制承臺(tái)配合比的耐久性能。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

水泥采用中材亨達(dá)P．Ⅱ42．5硅酸鹽水泥，密度為3．13 kg/L;粉煤灰采用江蘇諫壁Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度為2．28 kg/L;礦粉采用唐山盾石建材S95級(jí)礦粉，密度為2．92 kg/L;砂采用北江砂，表觀密度為2．64 kg/L，無(wú)潛在堿活性;碎石采用新會(huì)大澤5 mm～25 mm兩級(jí)配混合碎石，表觀密度為2．67 kg/L;減水劑采用山東華偉銀凱聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%。

考慮到若水泥用量較大，混凝土的水化溫升則較高，對(duì)大體積混凝土溫度控制不利。試驗(yàn)室采用粉煤灰和礦粉超量取代部分水泥，運(yùn)用密實(shí)骨架堆積法［1］進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，得到C45預(yù)制承臺(tái)大體積混凝土配合比，如表1所示。

表1 承臺(tái)C45混凝土配合比

用密實(shí)骨架設(shè)計(jì)配合比，是通過(guò)尋求混凝土中的粗細(xì)骨料的最大密度來(lái)尋找最小空隙率，再通過(guò)尋求摻合料和粗細(xì)骨料的最大密度，計(jì)算出最緊密堆積時(shí)粗細(xì)骨料、摻合料的最佳比例。密實(shí)骨架堆積設(shè)計(jì)法不僅可以優(yōu)化集料的組成級(jí)配，而且顯著提高了混凝土材料的結(jié)構(gòu)致密性，在保證混凝土具有良好工作性的條件下，最大限度的降低膠凝材料的用量進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能。由表1可以看出以上兩組混凝土的工作性能和力學(xué)性能均能滿足C45混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和施工要求，為了節(jié)約成本和便于施工，擬采用配合比A1進(jìn)行耐久性研究。

2 混凝土耐久性能測(cè)試

混凝土的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下保持其工作能力的性能。高性能混凝土與普通混凝土相比，其水灰比低、密實(shí)度高、強(qiáng)度較高、體積穩(wěn)定性好，具有很好的耐久性，這也是高性能混凝土得以在工程中大量應(yīng)用的最重要原因，下面就C45預(yù)制承臺(tái)抗開(kāi)裂性、抗?jié)B透性和抗硫酸鹽侵蝕性等進(jìn)行研究。

2．1 抗裂性能研究

我國(guó)最新的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》［2］中推薦笠井芳夫提出的混凝土(砂漿)早期抗裂性測(cè)試方法，其試件尺寸為600 mm×600 mm×63 mm，抗裂性指標(biāo)計(jì)算公式為：

裂縫的平均裂開(kāi)面積：

其中，Wi為第i根裂縫的最大寬度，mm;Li為第i根裂縫的長(zhǎng)度，mm;N為總裂縫數(shù)目，根;A為平板的面積，取0．36 m2。

試件早期的開(kāi)裂敏感性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：

1)僅有非常細(xì)的裂紋;

2)裂縫平均開(kāi)裂面積小于10 mm2;

3)單位面積開(kāi)裂裂縫數(shù)目小于10根/m2;

4)單位面積上的總裂開(kāi)面積小于100 mm2/m2。

按照上述四個(gè)準(zhǔn)則，將開(kāi)裂敏感性劃分為五個(gè)等級(jí)：

Ⅰ級(jí)——全部滿足上述4個(gè)條件;

Ⅱ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的3個(gè);

Ⅲ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的2個(gè);Ⅳ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的1個(gè);Ⅴ級(jí)——一個(gè)也不滿足。

表2 混凝土早期平板開(kāi)裂測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出該設(shè)計(jì)配合比的抗開(kāi)裂等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)，抗開(kāi)裂性能良好。文獻(xiàn)［3］指出，粉煤灰與礦渣復(fù)摻能提高混凝土的開(kāi)裂能力，且粉煤灰與礦渣等比例復(fù)摻時(shí)開(kāi)裂性能最佳，原因是當(dāng)粉煤灰和礦渣復(fù)摻比例為1∶1時(shí)，其水分蒸發(fā)量相對(duì)較小，而早期混凝土收縮主要是由自身的水化引起的體積收縮和水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的體積收縮，水分蒸發(fā)量越小，其收縮相對(duì)也越小。

2．2 抗?jié)B性能研究

中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGE 30-2005公路工程水泥與水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程通過(guò)給受檢混凝土試件施加水壓的方法，使水在混凝土中遷移，根據(jù)水在不同混凝土中的遷移差別來(lái)描述混凝土的抗?jié)B性能;快速Cl－滲透試驗(yàn)方法，即ASTMC1202-97廣泛用于美國(guó)及西方國(guó)家，在受檢混凝土試件兩端施加電壓，通過(guò)計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)來(lái)定量判定混凝土的抗?jié)B透性能。從相關(guān)文獻(xiàn)中查閱，兩種方法都可用于評(píng)價(jià)混凝土的抗?jié)B透性，但對(duì)高性能混凝土抗?jié)B透性的測(cè)試方法存在不同的認(rèn)識(shí)，本文分別采用上述兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試來(lái)分析對(duì)比。

1)水壓力試驗(yàn)。

按國(guó)標(biāo)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的三組配比進(jìn)行抗?jié)B透性能試驗(yàn)，采用上底為φ175 mm，下底為φ185 mm，高為φ150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓從0．1 MPa開(kāi)始，每間隔8 h增加水壓0．1 MPa，當(dāng)6個(gè)試件中有3個(gè)試件表面出現(xiàn)滲水時(shí)，即可停止試驗(yàn)，記錄此時(shí)的水壓力?；炷恋目?jié)B等級(jí)由未滲水的4個(gè)試件的最大水壓力表示。

其中，P為抗?jié)B等級(jí);H為6個(gè)試件中3個(gè)試件表面滲水時(shí)的水壓力。

通過(guò)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)C45混凝土抗?jié)B等級(jí)高達(dá)P20。

2)快速氯離子滲透試驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)采用RCM法測(cè)定混凝土中Cl－非穩(wěn)態(tài)快速遷移的擴(kuò)散系數(shù)，定量評(píng)價(jià)混凝土抗Cl－的擴(kuò)散能力。室內(nèi)試驗(yàn)用150 mm× 150 mm×150 mm試模制作試件，制作完畢后用塑料薄膜覆蓋并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，24 h后拆模并浸入標(biāo)養(yǎng)室的水池中，試驗(yàn)齡期前7 d加工成標(biāo)準(zhǔn)試件(φ100±1 mm，h=(50±2)mm)浸沒(méi)于養(yǎng)護(hù)室水池中至試驗(yàn)齡期，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后飽水24 h然后進(jìn)行快速氯離子滲透性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，從表3中可以看出，28 d Cl－擴(kuò)散系數(shù)為5．5 ×10－12m2/s，56 d Cl－擴(kuò)散系數(shù)為3．9 ×10－12m2/s，滿足《港珠澳大橋主體工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量控制指標(biāo)值。

表3 Cl-擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

2．3 抗硫酸鹽侵蝕

本試驗(yàn)采用GB/T 50082-2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法，將100 mm×100 mm×100 mm成型試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期的前2 d，然后在(80±5)℃下烘干48 h，再將試件分別置于5%硫酸鹽溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)，同時(shí)將對(duì)比試件仍置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，在90次干濕循環(huán)后將侵蝕試件和標(biāo)準(zhǔn)試件同時(shí)進(jìn)行試壓，檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，雙摻粉煤灰和礦粉提高混凝土的抗侵蝕性能，在干濕交替循環(huán)90次后混凝土抗蝕系數(shù)仍高達(dá)98%以上，原因是粉煤灰和礦粉摻入細(xì)化混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，礦合物本身不僅可以填充內(nèi)部孔隙，其二次水化生產(chǎn)膠凝產(chǎn)物也進(jìn)一步密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)。另外，當(dāng)粉煤灰或礦粉與氫氧化鈣發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)后，消耗掉混凝土結(jié)構(gòu)中大量氫氧化鈣，而氫氧化鈣是混凝土中易受侵蝕組分，因此混凝土抗硫酸侵蝕性能得到極大提高。

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用密實(shí)骨架堆積法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，最大限度的降低膠凝材料的用量，減少水化放熱溫升，極大提高混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能。

2)當(dāng)粉煤灰和礦渣等比例復(fù)摻時(shí)，設(shè)計(jì)預(yù)制承臺(tái)混凝土抗開(kāi)裂等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)，有效減少施工中有害裂縫產(chǎn)生。

3)設(shè)計(jì)預(yù)制承臺(tái)混凝土耐久性良好，抗?jié)B等級(jí)高達(dá)P20，56 d Cl－擴(kuò)散系數(shù)為3．9×10－12m2/s，經(jīng)過(guò)90次干濕循環(huán)后抗蝕性仍高達(dá)98%以上。

［1］丁慶軍，黃修林，王紅喜，等．采用密實(shí)骨架堆積法設(shè)計(jì)高超量Ⅱ級(jí)粉煤灰高性能混凝土［J］．混凝土，2007(8)：7-10．

［2］CCES 01-2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南［S］．

［3］王雪芳，鄭建嵐，晁鵬飛．礦物摻合料對(duì)混凝土早期抗裂性 能的影響［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(11)：768-772．

Research on the durability of precast pile cap of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

CAI LingHUANG Xiang

(The Second Branch of Guangdong Province Changda Highway Engineering Limited Company，Guangzhou 511430，China)

In order to achieve the most dense concrete structure，the cement is excessively replaced by mineral power and fly ash to the method of dense mixture ratio design of concrete，the results show that in the case of 58%cement is replaced by mineral power and fly ash，the design concrete not only meets the design requirements，but also has excellent durability．

mass concrete，durability，mixture ratio design

U445．57

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.055

1009-6825(2013)10-0157-03

2013-01-13

蔡 玲(1970-)，女，工程師; 黃 祥(1984-)，男，工程師